Элементы ползучести цементных бетонов

Затвердевший бетон представляет собой упруго-вязко-пластичный материал, поведение которого при нагружении хорошо подчиняется обобщенному закону Гука. При длительном действии нагрузки он обладает свойством ползучести, т.е. проявляет способность к неупругим, лишь частично обратимым при разгрузке деформациям. Представление ясной физической сущности механизма явления, влияния на ползучесть различных технологических факторов и внешних воздействий играют важную роль в обоснованной разработке и создании малоэнергоемких бетонных и железобетонных конструкций с требуемыми прочностными и деформативными свойствами, повышенными стойкостью и надежностью. Однако данном вопросе присутствуют определенные недоработки. В частности, до сих пор отсутствует единая точка зрения относительно причин ослабления структуры цементных бетонов и проявления существенных деформативных свойств при осуществлении сжимаемой нагрузки много ниже прочностных параметров композита.

По данному поводу существуют различные мнения. Явление ползучести (неупругое деформирование нагруженного материала) рассматривается, как следствие вязкого (подобно жидкости) течения бетона без нарушения его сплошности (Рейнер), образования и развития микротрещин (О.Я.Берг, Глюклих, З.Н.Цилосани), выдавливания из цементного камня адсорбционно-связанной (коллоидной) воды и капиллярной усадки (Г.Гансен, Р.Лермит, Е.П.Фрейсине). Полагают о возможности совместного действия отмеченных явлений, например, кристаллическим сдвигом, вязким течением (по аналогии с битумом) и инфильтрацией адсорбированной воды из цементного камня (Р.Е.Дэвис, Г.Е.Дэвис) или деформировании гелевой составляющей цементного камня, капиллярного фактора и микротрещинообразования (С.В.Александровский, К.С.Карапетян, И.Е.Прокопович), или за счет тепловых флуктуаций и механических напряжений, приводящих к разрушению малопрочных коагуляционных контактов и постепенной передачи усилий на жесткий кристаллогидратный каркас (С.Н.Журков, Б.Н.Нурзулаев, А.Е.Шейкин), или за счет взаимного скольжения кристаллов цементного сростка по базисным плоскостям, периодического разрыва и возникновения новых межкристаллических связей (А.А.Гвоздев, А.В.Яшин).

Не подвергая сомнению правомерности изложенных гипотез, нельзя не отметить следующие, сложно поддающиеся объяснению и логической трактовке моменты:

1) представленные деструктивные явления (образование и развитие микротрещин, разрушение структурных связей камня, удаление связанной воды и т.п.), несомненно, должны бы самым отрицательным образом отразиться на свойствах бетонов. Однако в ряде случаев ползучесть к таким негативным явлениям не приводит, более того, прочность не только остается прежней, но и заметно увеличивается (и это убедительно показано в многочисленных и широко известных работах по раннему нагружению железобетонных конструкций);

2) затвердевший цементный камень (бетон) представляется, как правило, в виде механического соединения кристаллогидратного сростка, гелевой (аморфной) составляющей, не до конца гидратированных зерен клинкера, пор, пустот, капилляров, адсорбционно связанной воды и других структурных объектов с конкретными и неизменными (во всяком случае, в период испытаний) свойствами, что, вряд ли, справедливо. Как любой организм, бетон даже в самом зрелом возрасте чрезвычайно чувствителен к внешним (в том числе, силовым) факторам, немедленно реагирует на воздействия, мгновенно адаптирует свою структуру и свойства;

3) деформация ползучести рассматривается, как следствие протекающих в цементном камне под нагрузкой чисто физико-механических процессов (сдвига структурных элементов, микротрещинообразования, выдавливания свободной и адсорбционной влаги, капиллярного сжатия системы и др.). При этом упускается из виду вероятность химических преобразований. А ведь эти процессы неизбежны, учитывая деформацию структурных элементов, возможность разрывов молекулярных (в том числе, водородных) связей, образование активных, высокореакционных энергетически ненасыщенных зон.

Наиболее важной, в значительной мере определяющей конечные свойства продукта, является начальная стадия испытаний, в которой деформации бетона протекают особенно интенсивно. В связи с этим, методическое выполнение работ отличалось от требований ГОСТ 24544-81 (Методы определения деформаций усадки и ползучести). Ползучесть определяли на образцах-призмах размером 40х40х160 мм, центральное нагружение которых усилием 280…285 кН (2800…2850 кгс), составляющем 0,3…0,5 разрушающей нагрузки, производили при помощи гидравлического пресса и динамометра образцового сжатия ДОСМ-3-5. Величину осевой деформации регистрировали индикатором часового типа, входящем в комплект динамометра (с переходным коэффициентом 0,7). Первые пять суток испытание проводили в естественных условиях, в течение последующих четырех суток – при одностороннем инфракрасном обогреве (рис.5.8).

Для сопоставительного анализа использовали образцы из стабильных естественных (гранита, мрамора), искусственных (керамики, бетона силикатного) материалов и цементных составов 28-суточного возраста на основе новороссийского ССПЦ500-Д20, изготовленных из цементного теста нормальной густоты (В/Ц=0,28), растворной смеси состава Ц:П=1:2 с В/Ц=0,60; 0,50 (с добавкой гиперпластификатора Мурапласт FK63.3 в количестве 1,5% от массы цемента) и 0,45 в двухлетнем возрасте (с пятикратной циклической вибрацией при твердении). До момента проведения испытаний цементные образцы выдерживали в условиях, исключающих обезвоживание материала. Снятие замеров в начальный период испытаний (в том числе, в начальной стадии нагрева) производили через 1…2 часа, в промежуточные сроки – через сутки.

Рис.5.8. Установка для определения деформаций ползучести образцов

в естественных условиях (1) и при одностороннем обогреве (2)

Несмотря на внешнее сходство полученных зависимостей (рис.5.9), обращает на себя внимание следующее:

1) деформация ползучести образцов на основе цементных составов (рис.5.9, б) более чем на порядок превышает аналогичные показатели стабильных структур (а) за исключением силикатного бетона;

2) деформация последних (в том числе, силикатного бетона) ко вторым-третьим суткам «затухает», в то время как для цементных составов (кроме виброактивированного образца двухлетнего возраста) в данном временном интервале имеет постоянно увеличивающийся характер;

3) односторонний нагрев приводит к вполне понятному начальному термическому расширению образцов с последующим сохранением «деформативной тенденции» для стабильных структур и «лавинообразным» ростом ползучести цементных составов;

4) в завершающей стадии испытаний наблюдается явное прекращение деформации стабильных материалов (мрамора, гранита и др.) и заметное снижение интенсивности ползучести цементных образцов;

5) интенсифицирующую роль в ползучести играет повышенный водоцементный фактор и, напротив, возраст бетона значительно нивелирует деформативные проявления, что вполне соответствует общеизвестным положениям;

6) наибольшей ползучестью обладает пластифицированный раствор с В/Ц=0,5, деформативные показатели которого превышают таковые бездобавочного состава даже с более высоким (В/Ц=0,6) водосодержанием.

Столь существенные отличия динамики ползучести стабильных материалов (гранита, мрамора, силикатного бетона и керамики) от таковой цементных композитов связаны с исключительно индивидуальными структурными особенностями последних – наличием «не до конца гидратированных зерен клинкера». Отсюда можно заключить об определяющей роли химически не полностью использованных объектов в столь явно выраженных деформативных свойствах. Одним из вполне реальных механизмов ползучести нагруженных цементных бетонов является химизм процесса – активизация силовым воздействием взаимодействия цементных минералов с адсорбционно-связанной водой на поздних этапах с неизбежным при этом ослаблением структурных связей.

Рис.5.9. Деформация ползучести стабильных структур (а)

и цементных композиций (б)

Характерной особенностью гидратированного цементного зерна является наличие на его поверхности локально рассредоточенных динамически равновесных структур «остаточные негидратированные активные центры – адсорбированные кластеры» (рис.2.8), сохраняющиеся при обычных условиях неопределенно продолжительное время. Однако равновесие этих композиций может быть нарушено различными ранее упомянутыми (тепловыми, электромагнитными) активизирующими воздействиями, в том числе, силовым путем. Сжимающая нагрузка деформирует структурные элементы цементного камня, что приводит к взаимному возмущению указанных композиций, возбуждению, активизации адсорбированных диполей и гидратации остаточных активных центров.

Совмещение силового и температурного факторов в еще большей степени инициирует химические преобразования и, соответственно, ползучесть цементных бетонов, что и фиксируется опытными данными. Образующийся при этом гидратный продукт является источником внутренних напряжений, ослабляющих контактные зоны клинкерных частиц, определяющих тем самым интенсивно протекающие деформативные проявления.

Определяющая роль во многих «аномалиях» цементных бетонов на поздних этапах («самоиспытании», периодических сбросах прочности), в том числе, интенсивной ползучести принадлежит «минам замедленного действия» - локально распределенным на поверхности гидратированных цементных частиц энергетическим структурам «остаточные активные центры - адсорбированный слой воды». Для снижения вероятности срабатывания данных «мин» следует использовать комплекс ранее отмеченных мер, обеспечивающих предельно возможную полноту поверхностных гидратационных преобразований клинкерных зерен.

В этом отношении, большое значение имеют условия твердения бетонов. Как видно из рис.5.10, повышенная структурная стабильность микробетона достигается при водном, герметизированном твердении и при использовании тепловой обработки. Неубываемое в межзерновых пустотах количество воды, надежная изоляция бетона от влагопотерь, тепловая активация молекул воды обеспечивают повышенную степень поверхностных гидратационных процессов, что сопровождается достаточно близкими, относительно невысокими деформативными свойствами. В то же время, образцы, твердевшие в естественных условиях, испытать на ползучесть не удалось, в связи их разрушением при нагружении (чем и объясняется отсутствие на указанном графике соответствующей кривой). Обезвоживание бетона при твердении привело к не качественной гидратации клинкерных зерен, формированию малопрочной и дефектной структуры микробетона, включающей огромные остаточные негидратированные зоны, мгновенно «срабатывающие» при силовом воздействии, вызывающие деструкцию, ослабление композита с отмеченным результатом. При низких положительных температурах вода характеризуется высокоассоциированной и низкоактивной формой, значительно замедляющей (но далеко не приостанавливающей) поверхностные и гидратационные процессы. В итоге, формируется достаточно прочный, способный воспринимать силовое воздействие микробетон. Однако, наличие обширных остаточных негидратированных зон приводит к активизации силовым путем адсорбированных диполей, электрохимическому взаимодействию реагентов, ослаблению структурных связей и повышенной ползучести цементного камня.

Рис.5.10. Деформация ползучести образцов, твердевших в различных температурно-влажностных условиях

Вызванный силовым (тепловым) воздействием поздний гидратационный процесс, являясь причиной деструкции цементного камня и источником повышенной деформативности бетонов, одновременно характеризуется и позитивной стороной, а именно, способностью к «самозалечиванию» появляющихся микродефектов. Дополнительные порции гидросиликатного клея не только сохраняют исходные прочностные позиции, но и в подавляющем большинстве случаев значительно приумножают их (табл.5.1). Таким образом, нельзя не согласиться с мнением о том, что «при длительном приложении нагрузки начальный модуль упругости бетона не снижается, а в ряде исследований замечен даже его некоторый рост. Это связано с тем, что длительно действующая нагрузка определенного уровня способствует миграции свободной жидкости, которая <…> образует новые гидратные продукты» (К.З.Галустов). Причем, данный процесс (по вполне понятным причинам) характерен исключительно для цементных бетонов.

Таблица 5.1

Влияние деформации ползучести на остаточную прочность образцов

Вид, состав смеси, условия твердения образцов	Прочность (МПа/%) образцов
эталонных	после испытания ползучести
при сжатии	при изгибе	при сжатии	при изгибе
Тесто, В/Ц=0,28, «номальное»	54,8/100	7,5/100	48,8/89,1	11,0/146,7
Раствор 1:2, В/Ц=0,5, в естественном состоянии	14,5/100	7,3/100	-	-
То же, в герметизированном виде	26,0/100	8,7/100	30,6/117,7	10,3/118,4
Раствор 1:2, В/Ц=0,5, водное	28,5/100	8,3/100	34,8/122,1	11,2/134,9
То же, выдерживание в кипящей воде	21,1/100	7,9/100	32,8/155,5	14,7/186,1
То же, при низких положительных температурах	22,8/100	-	32,4/142,1	9,5/-
То же, поликарбоксилат-1,5%, «нормальное»	28,2/100	5,8/100	31,4/111,3	7,1/122,4
То же, В/Ц=0,6, «нормальное»	29,0/100	8,0/100	26,0/89,7	9,0/112,5