Изменения структуры затвердевшего бетона под воздействием внешних факторов

Бетон представляет собой тело со сложной структурой. Основные его свойства определяются главным образом физико-химическими параметрами цементного камня, образующегося в процессе гидратации цемента с водой. Первоначальная дисперсная фаза цемента постепенно растворяется в воде, образуя раствор, перенасыщенный по отношению к кристаллогидратным новообразованиям. Основной процесс гидратации, по-видимому, начинается на границах зерен цементного клинкера. Образующиеся на поверхности зерна гелевые структуры, состоящие из субмикрокристаллов и пор между ними, представляют собой достаточно плотные массы с минимальной пористостью, равной [28% [63]. Размеры пор гелевых структур имеют порядок 20 А. Кроме того, в этой массе образуются капиллярные пустоты. В процессе кристаллизации, происходящей вне зерен цемента, создаются дендритообразные, нитевидные и другой формы новообразования, которые взаимно переплетаются и прорастают. Элементы новообразований обнаруживаются при электронномикроскопическом анализе новообразований цементного камня. С понижением насыщенности раствора рост новообразований продолжается, но при этом процесс сопровождается лишь обрастанием кристаллического каркаса . Методами электронной микроскопии, ртутной поромет-рии и капиллярной конденсации обнаруживается развитая система пор, отличающихся друг от друга на несколько порядков по своим размерам. гПоры, выявленные методами электронной микроскопии , имеют сложную и разнообразную форму. На рис. 5 приводится кривая дифференциальной пористости, полученная методами ртутной поромет-рии и капиллярной конденсации из работ Ф. М. Иванова . При этом поры рассматриваются условно как имеющие шаровую форму, эквивалентный диаметр которой (в логарифмическом масштабе) отложен по оси абсцисс на рис. 5. В бетоне встречаются поры трех типов в зависимости от их связи с другими порами: сквозные, допускающие перемещение влаги, тупиковые и замкнутые. На основании результатов определения электропроводности образцов, насыщенных раствором электролита , удается различать пористость цементного камня по двум их качественно отличным характеристикам. Структура цементного камня может изменяться при введении специальных пластифицирующих, воздухововлекающих и газообразующих добавок. Добавки влияют на процесс формирования кристаллогидратных образований. Это проявляется в изменении характеристик пористости, взаимном объемном размещении пор и капилляров в цементном камне, а следовательно, и в свойствах воды в них. Пористость цементного камня и соответственно раствора и бетона можно характеризовать общей пористостью Vo, кривой распределения пор по эквивалентным диаметрам Vt = f(pv) и объемом сквозных Vx и замкнутых пор V2. Исходное количество воды, принятое для затворения цементного теста В, в процессе гидратации частично вступает в химическую связь с компонентами раствора цементного клинкера. Остальная часть воды находится в различных термодинамических состояниях в порах и капиллярах цементного камня. Гидрофильный характер поверхности гидратов новообразований способствует адсорбции воды на поверхности кристаллических структур, которая покрывает поверхность полностью или частично мономолекулярными или полимолекулярными адсорбционными слоями. В особо тонких слоях свойства водных пленок толщиной внесколько молекул иные, чем у обычной воды, так как вандер-ваальсовы силы взаимодействия молекул и атомов воды сообщают этим пленкам способность противостоять большим растягивающим и скалывающим усилиям. Наконец, в капиллярах существует вода свободная, которая может перемещаться и переходить в пар при изменении параметров температуры и влажности внешней среды бетона. Таким образом, система пор, характерная для структуры цементного камня, может быть заполнена как водой, так и воздухом или водяным паром в зависимости от условий гидротермального равновесия с внешней средой. Общее количество первоначально введенной воды В для затворения цемента, как уже отмечено, в последующем частично становится химически связанной водой Вх; остальная часть разделяется на адсорбированную воду ВА и капиллярную Вк. По данным , структуры с ультрамикропорами радиусом менее 5 • 10~7 см (50 А) могут быть отнесены к плотным непроницаемым для воды структурам, где действуют адсорбционные связи воды с поверхностью кристаллической структуры цементного камня. При размерах, пор а в пределах от 5 • 10~6 мм (50 А) до 1 • 10~4 мм (1000 А) происходит капиллярная конденсация, диффузия ионов и замедленная капиллярная фильтрация. Такая структура может быть условно названа диффузионно-проницаемой. При наличии в материале пор с условным диаметром более 0,1 см цементный камень проницаем и легко впитывает влагу. Химически связанная вода Вх в кристаллогидратах составляет около 40% веса прогидратированного цемента, что примерно в среднем составляет около 15—20% Во. Таким образом, большая часть воды находится в адсорбированном состоянии и в условиях капиллярных связей. С изменением влажности окружающего бетон пространства количество адсорбированной влаги и находящейся в условиях капиллярной фильтрации существенно меняется. Например, по данным В. М. Быкова, с уменьшением влажности со 100 до 50% количество адсорбированной воды уменьшается вдвое. Вода, находящаяся в химически связанном виде в кристаллогидратах, влияет на деформации кристаллических структур, в которые она входит. Безусловно, большое влияние оказывает на деформации цементного камня адсорбированная вода и вода капилляров, препятствуя быстрому протеканию деформаций после приложения нагрузки и взаимной деформации ультрамикрокристаллов в тонких слоях под действием нагрузки. Указанные особенности цементного камня влияют на прочностные и деформативные свойства бетона. Процессы гидратации цементного камня продолжаются, как правило, годами после приготовления бетонной смеси, что в свою очередь изменяет прочностные и деформативные свойства бетона во времени. Однако далеко не все закономерности этих явлений в настоящее время исследованы. Кроме того, любая структура цементного камня, как бы она ни была тщательно изучена в начальном состоянии до нагружения, изменяется в процессе приложения нагрузки. Поэтому закономерности изменения прочности и деформирования должны изучаться с учетом изменения структуры бетона под нагрузкой. В зависимости от количества адсорбированной и свободной воды в структуре цементного камня могут существовать различные связи частиц в кристаллизационных дисперсных структурах. Как обращает внимание П. А. Ребиндер , между частицами могут быть коагуляционные связи с водными прослойками в месте контакта, или точечные после высушивания, или фазовые при срастании кристаллов в месте контакта. Естественно, что особенность деформирования под нагрузкой кристаллических частичек, имеющих различные виды контактов, будет различной. Структура цементного камня видоизменяется в зонах контакта с частицами песка в цементно-песчаном растворе и с частицами крупного заполнителя в бетоне. Поверхность зерен силикатного песка в результате химического и адсорбционного взаимодействия с гидроокисью кальция, находящейся в растворе цементного клинкера в воде, способствует образованию зародышей кристалло-гидратной фазы. При этом возможно прочное срастание песчинки с растущими кристалликами. Свойства зоны контакта цементного камня и заполнителя в значительной степени влияют напрочность, долговечность и физико-механические свойства бетона. Следует отметить некоторые особенности, характеризующие свойства контактных зон цементного камня в бетоне в период его твердения, изучавшихся в работах Т. Ю. Любимовой [54]. Структурообразование цементного камня происходит по-разному в объеме и на границе с заполнителем. У порт-ландцементов, а также некоторых других цементов, прочность пограничного слоя отличается от прочности (по измерениям микротвердости) цементного камня в остальном объеме. При этом наблюдаются три стадии процесса структу-рообразования. На первом этапе развития гидратации быстро нарастает прочность. Значительно большая прочность в контактном слое наблюдается в течение примерно первых 30—40 суток. Затем обнаруживается спад прочности контактного слоя бетона в возрасте 50—60 суток и, наконец, наступает третья стадия, когда снова возрастает абсолютная и относительная микротвердость контактных слоев. На первой стадии твердения у всех заполнителей прочность на границе зерна всегда выше. Предполагается, что заполнитель играет роль подложки, на которой зародыши развиваются с большими скоростями, чем в объеме. Наибольшая степень упрочнения наблюдается на границе с кварцем. Наибольшая способность к упрочнению контактного слоя на границе со всеми заполнителями наблюдается у трехкальциевого силиката (алита). Толщина упрочненных слоев на границе с кварцем составляет примерно 20 мк. Прочность контактного слоя может оказаться различной под частицей крупного заполнителя и над ней. Под частицей заполнителя может образоваться более крупнозернистая структура, имеющая меньшую прочность. Следовательно, для понимания закономерностей поведения бетона в условиях нагружения необходимо учитывать реальную структуру бетона и его композиционную основу (цементный камень). Структуру бетона учитывают, например, при анализе процессов разрушения бетона от воздействия низкой температуры и попеременного замораживания и оттаивания, изучая эффект объемного расширения воды при ее замерзании [63, 50, 61, 38], но без действия внешней нагрузки. Некоторые исследователи развивают теоретические представления о разрушении структуры бетона под действием внешней нагрузки [7, 10, 17, 22, 27, 53, 113, 125, 156, 159, 194]. Однако они не учитывают влияния всех компонентов структуры цементного камня, какими являются кристаллические образования с наличием пор, капилляров и воздушных включений в бетон, вода в различных ее состояниях. Поэтому необходимо рассмотреть закономерности изменения прочности и деформаций бетона от нагрузки и других воздействий с учетом некоторых параметров структуры.