Цементное тесто при твердении в воде дает усадку

Обновлено: 16.05.2024

3. Усадка бетона и начальные напряжения

Бетон обладает свойством уменьшаться в объёме при твердении в обычной воздушной среде (усадка бетона) и увеличиваться в объёме при твердении в воде или очень влажной среде (набухание бетона).

Усадка бетона происходит в результате кристаллизации цементного камня и интенсивного испарения воды с поверхностных слоев бетона. Она особенно интенсивно протекает в первые две недели твердения бетона. Через год её можно считать практически закончившейся.

Как показывают опыты, величина усадки бетона зависит от целого ряда причин:

количества и вида цемента (его минералогического состава) - чем больше расход цемента на единицу объёма бетона, тем (при прочих равных условиях) больше усадка; при этом бетоны, приготовленные на высокоактивных и глинозёмистых цементах, дают большую усадку. Наименьшей усадкой обладают бетоны, приготовленные на портландцементе;

количества воды - чем больше W/C, тем больше усадка;

крупности заполнителей и их вида - при мелкозернистых песках и пористом щебне усадка больше. Чем выше способность заполнителей сопротивляться деформированию, т. е. чем выше их модуль упругости, тем усадка меньше. При разной крупности зёрен заполнителей и меньшем объёме пустот меньше и усадка;

от влажности окружающей среды - чем ниже влажность, тем больше усадка;

различные гидравлические добавки и ускорители твердения (например, хлористый кальций), как правило, увеличивают усадку;

влияние пропаривания бетона на процесс усадки изучено пока недостаточно; однако имеются данные о том, что после пропаривания усадка уменьшается примерно в 1,5 раза;

при наличии заполнителей с глинистыми и пылевидными загрязнениями усадочные деформации бетона могут увеличиться в несколько раз.

Средняя величина годичной усадки тяжёлого бетона средней прочности, приготовленного на портландцементе, при естественном твердении составляет e_sl = 3·10 -4 относительных единиц. Абсолютная величина деформации набухания примерно в 2. 5 раз меньше усадки.

Деформацию усадки бетона можно представить как сумму деформаций двух видов - собственно усадки и влажностной усадки.

Собственно усадка происходит в результате уменьшения истинного объёма системы цемент - вода при гидратации. Она может развиваться при полной изоляции бетона от внешней среды и всегда ведёт к необратимому уменьшению первоначального объёма.

Влажностная усадка связана с уменьшением влагосодержания бетона, то есть с испарением свободной воды в цементном камне и обусловлена капиллярными явлениями (натяжением менисков в порах цементного камня); она частично обратима: при твердении на воздухе происходит уменьшение объёма (усадка), а при достаточно большом притоке влаги – увеличение объёма (набухание).

Деформации, происходящие вследствие влажностной усадки бетона, по величине в 10. 20 раз превышают деформации собственно усадки. Поэтому изменение влагосодержания бетона - основная причина усадочных деформаций.

Усадка повышает сцепление арматуры с бетоном, вызывая её обжатие, что является положительным фактором.

В реальных условиях усадка бетона происходит неравномерно: развитие усадки начинается с поверхности бетона и постепенно, по мере его высыхания, распространяется вглубь. Уменьшение объёма цементного камня встречает сопротивление со стороны инертных составляющих бетона, которые стремятся сохранить свой объём постоянным. Возникающие при этом внутренние усилия могут служить причиной микроразрушений на границе цементно-песчаного камня и крупного заполнителя и даже в самом цементно-песчаном камне. Образующиеся при этом микро- и макротрещины отрицательно влияют на физико-механические свойства бетона. Особенно существенно сказывается влияние усадки на напряженно-деформированное состояние в массивных конструкциях (плотины и т. п. конструкции).

Уменьшения начальных усадочных напряжений в бетоне и тем самым предотвращения образования усадочных трещин можно добиться технологическими мерами — правильным подбором состава бетона (за счёт уменьшения объёма пор), увлажнением среды при тепловой обработке твердеющего бетона, увлажнением, особенно в первые дни, поверхности бетона при естественном твердении и др., а также конструктивными мерами - например, устройством усадочных швов в конструкциях большой протяженности, постановкой противоусадочных сеток.

Бетоны, приготовленные на специальных цементах (расширяющемся или безусадочном) усадки не дают. Особо прочные бетоны класса В100 и выше также практически не дают усадки.

Цементное тесто при твердении в воде дает усадку

Прочность цементного камня при нормальных условиях (теплая и влажная среда) продолжает нарастать многие годы. Опыты показали, что прочность его в воденарастает в течение 30 лет (дальнейшие систематические исследования не производились).

Твердению предшествует схватывание, т. е. процесс, в течение которого цементное тесто постепенно теряет пластичность, загустевает, но еще не приобретает прочности.

В соответствии с теорией твердения цемента, созданной академиком А. А. Байковым и развитой в дальнейшем другими советскими учеными (профессорами В. Н. Юнгом, Ю. М. Буттом, А. Е. Шейниным), процесс твердения представляет собой сложное физико-химическое явление: в составе цементного камня образуются новые соединения, которых не было в цементном клинкере.

Основное химическое соединение, входящее в состав цементного клинкера трехкальциевый силикат —- подвергается гидролизу разложению водой) и гидратации (соединению с водой) с образованием двух новых соединений: двухкальциевого гидросиликата 2СаО • SiO2 ад и гидрата окиси кальция.

Разложение идет по следующей реакции:

Таким образом, при твердении цемента выделяется свободный гидрат окиси кальция Са(ОН)2. Это легко установить при помощи фенолфталеина, при действии которого получается яркомалиновое окрашивание.
Другое соединение в цементном клинкере — двухкальциевый силикат—гидратируется очень медленно и образует

2СаО • SiO2 •mH2O.

Трехкальциевый алюминат подвергается быстрой гидратации по реакции:

ЗСаО • А12О3+6Н2О=ЗСаО • А12О3 • 6Н2О.

Под воздействием воды на поверхности цементных частиц образуются двухкальциевый гидросиликат, гидрат окиси кальция и трехкальциевый гидроалюминат. Гидросиликат кальция почти нерастворим в воде и выделяется в коллоидальном состоянии, в виде студенистых оболочек, на поверхности црментных частиц.

Гидроокись кальция и трехкальциевый гидроалюминат растворяются в воде, но в небольшом количестве, и раствор быстро становится насыщенным, а в дальнейшем пересыщенным. Вследствие этого при продолжающейся химической реакции новые порции гидроокиси кальция и трехкальциевого гидроалюмината выделяются также в коллоидальном состоянии. Все указанные вещества образуют вокруг частиц цемента оболочку так называемого геля (студня).

Гель обладает склеивающей способностью, которая тем больше, чем меньше он разжижен водой, т. е. чем меньше водоцементное отношение ; -гель склеивает частицы цемента, а в цементно-песчаном растворе и зерна песка. В результате цементное тесто начинает густеть и терять пластичность — оно схватывается.

В дальнейшем гидроокись кальция и трехкальциевый гидроалюминат из коллоидального состояния переходят в более устойчивое мелкокристаллическое; выделяющиеся микрокристаллы пронизывают гель и срастаются. Одновременно гель, состоящий теперь главным образом из гидросиликата кальция, уплотняется, отчасти потому, что высыхает (если цемент твердеет на воздухе), отчасти из-за что внутрь цементных частиц отсасывается вода. Вода проникает в глубь частиц цемента постепенно, и в результате все и новые его порции вступают в химическую реакцию.

Гидросиликат кальция может в дальнейшем частично выкристаллизоваться. Соотношение между объемами гелеобразной и кристаллической частей твердеющего цементного камня в каждый данный момент влияет на его прочность, усадку, ползучесть и другие свойства, как это доказано проф. А. Е. Шейкиным.
Если цемент твердеет на воздухе (всегда содержащем углекислый газ), то имеет место еще карбонизация гидроокиси кальция:

Она происходит главным образом с поверхности цементного камня или бетона. Это доказывается тем, что при действии фенолфталеина на поверхность затвердевшего цементного камня он не окрашивается в малиновый дает; если же разломать этот камень и подействовать фенолфталеином на место свежего излома, то легко обнаружить, что свободная гидроокись кальция содержится в середине образца, а по краям ее нет.

Процессы образования геля, его кристаллизации и уплотнения, а также карбонизации приводят к превращению цементного теста в искусственный высокопрочный каменный материал. Эти процессы протекают сначала быстро, затем медленнее; в особенности медленно гель уплотняется. В соответствии с этим прочность цементного камня в первые 3—7 дней нарастает быстро, затем медленнее, а спустя 3 месяца — очень мало. Прочность цемента обычно испытывают через 3, 7 и 28 дней.
Даже через несколько месяцев твердения цемента внутренняя часть его зерен, наиболее крупных, еще не успевает вступить в реакцию с водой. При повторном помоле затвердевшего цемента и смешивании с водой он может снова твердеть, но прочность получается уже невысокой.

Нарастание прочности цементного камня

Нарастание прочности цементного камня имеет большое значение для строительства, так как позволяет постепенно увеличивать нагрузки на сооружения. Однако такое непрерывное повышение прочности может происходить только при твердении цементного камня в теплой и влажной среде. Если цементный камень будет находиться в сухой среде, то после испарения воды и уплотнения геля твердение приостановится.
При твердении в течение длительного срока в воде цементный камень получается более прочным, чем при твердении на воздухе.

Нормальными условиями для твердения бетона считаются: температура 15—20° и относительная влажность окружающего воздуха 90—100%, создаваемая в специальной камере или путем засыпки бетона песком либо опилками, которые постоянно увлажняют.

Твердение бетона в зависимости от температуры

Если бетон твердеет все время в воде, то он в конечном счете получается более прочным, чем при твердении на воздухе. В сухой среде через некоторое время после того, как окончится поглощение воды цементом и оставшаяся свободная вода испарится, твердение бетона прекращается. Обычно это происходит через несколько месяцев.

Бетон твердеет постепенно, причем прочность его при благоприятных температуре и влажности непрерывно повышается. В первые 7—14 дней после изготовления прочность бетона (на обыкновенном цементе) нарастает быстро, в дальнейшем же, особенно после 28 дней, это нарастание, как показывают результаты опытов, замедляется.

Твердение бетона при температуре ниже нормальной (ниже 15°) замедляется, а при температуре ниже 0° практически прекращается; наоборот, при повышенной температуре и достаточной влажности (в горячей воде с температурой до 80°, во влажном, паре с температурой 60—80° или в автоклаве при действии насыщенного водяного пара высокого давления и температуры) твердение идет значительно быстрее, чем в нормальных условиях.
Это имеет большое практическое значение при бетонных работах зимой и при изготовлении бетонных и железобетонных деталей. Прогревают бетон паром или электрическим током. Кроме ускорения твердения бетона при помощи тепла часто применяют химические средства; в воду при изготовлении бетонной смеси вводят химические ускорители — хлористый кальций или др.

Для расчета состава бетона заданной прочности в любой срок, а также для решения вопроса о возможности распалубки и загрузки сооружений можно применять простую формулу, полученную на основании опытов. Установлено, что прочность бетона при нормальных условиях твердения повышается приблизительно пропорционально логарифму времени:

Rn=R28 • lgn/lg28
где: Rn — прочность бетона (предел прочности при сжатии) в любой срок;
R'28 — прочность бетона в возрасте 28 дней;

lgn—десятичный логарифм возраста бетона, выраженного в днях.

Эта формула применима только для обыкновенного портландцемента средних марок и дает удовлетворительные данные, начиная с n=3. Действительная прочность бетона может быть определена только испытанием контрольных образцов, твердеющих в условиях, аналогичных имеющимся в бетонном сооружении, или, еще точнее, испытанием бетона в самом сооружении.

Ускоритель твердения бетона

При повышении температуры среды или воды, на которой затворяется цемент, схватывание его значительно ускоряется. При понижении температуры схватывание замедляется, а при температуре ниже нуля прекращается, если только не добавлены соли, снижающие точку замерзания воды

На строительстве часто (например, для быстрой распалубки, при зимних бетонных работах и т. п.) требуется ускорить твердение цемента, а следовательно, и бетона.

Для этого пользуются химическими ускорителями, обогревают бетон паром или применяют электропрогрев.

Из химических ускорителей наиболее часто используют хлористый кальций СаСl2.

Эта дешевая соль, получающаяся на химических заводах как побочный продукт при производстве соды или хлора, применяется на бетонных работах в виде раствора, вводимого при изготовлении бетонной смеси.

Хлористый кальций берется в небольшом количестве — от 1,5 до 3% от веса цемента. Оптимальный процент добавки хлористого кальция устанавливается для каждого цемента при помощи специальных опытов. При правильно выбранном проценте добавки прочность цемента или бетона повышается по сравнению с прочностью материала без добавки:

при сроке твердения 3 дня — примерно в 2 раза;
7 дней -— в 1,5 раза;
28 дней — в 1,1 раза.

Если добавки взято слишком много, то схватывание может недопустимо ускоряться, а прочность, быстро нарастая в первые дни, окажется в дальнейшем ниже, чем у цемента без добавки.

Схватывание цемента с добавкой хлористого кальция должно ускориться не более, чем в 2 раза.

Действие хлористого кальция основано на соединении его с гидроокисью кальция, выделяющейся при твердении цемента, и образовании мало растворимой хлорокиси кальция.
Хлористый кальций ускоряет твердение не только обыкновенного портландцемента, но также шлакопортландцемента и пуццоланового портландцемента.

При отсутствии хлористого кальция можно применять слабый раствор соляной кислоты (1—2%-ный раствор НС), так как она, реагируя с гидроокисью кальция в твердеющем цементе, вызовет образование хлористого кальция по реакции:

Усадка бетона при твердении

Усадку и расширение бетона учитывают при проектировани бетонных конструкций. Процесс твердения бетона сопровождается изменением его объема

При твердении на воздухе бетон дает усадку, при твердении в воде он не изменяется в объеме или незначительно разбухает.

В больших массивах бетон может расширяться вследствие нагревания до 30—60° (в силу внутреннего выделения тепла). Величина этого расширения значительно превосходит усадку. Коэффициент температурного расширения обычного бетона равен 0,00001. Коэффициент усадки в расчетах обычно принимается равным 0,00015, т. е. на 1 м длины бетонного сооружения усадка составляет 0,15 мм.

Усадка вызывается давлением воды в капиллярах цементного камня при ее испарении. Опытами установлено следующее:

усадка бетона тем больше, чем выше содержание в нем цемента и воды;
быстро схватывающиеся и высокопрочные портландцементы, а также пуццолановый портландцемент обычно вызывают большую усадку бетона;
усадка больше при мелкозернистых и пористых заполнителях;
влажный режим твердения и специальные покрытия не дают бетону быстро высыхать с поверхности, тем самым устраняются последствия большой и неравномерной усадки (трещины)

Усадку и расширение бетона учитывают при проектировани конструкций и производстве бетонных работ в сооружения большой длины устраивают специальные швы, в массивных сооружениях бетон укладывают отдельными блоками, применяют цементы с минимальными тепловыделением и усадкой. Это особенно важно при выборе цементов для гидротехнических сооружений

Усадочные трещины в бетоне

Трещина – это нарушение сплошности, локальное разрушение материала, вызванное воздействием внешних нагрузок или возникающее в результате процессов, происходящих внутри конструкции. Одним из самых важных вопросов трещинообразования в бетонных конструкциях является образование усадочных трещин. Усадочные трещины в бетоне относятся к технологическим, формируются они по разным причинам и эти причины наиболее интенсивно проявляются на разных стадиях твердения бетона.

В зависимости от периодов твердения различают три вида усадок бетона, каждому из которых соответствуют свои усадочные трещины:

• усадка свежеуложенного бетона;

• усадка твердеющего бетона;

• усадка бетона зрелого возраста

Содержание скрыть

Усадка свежеуложенного бетона

Усадка свежеуложенного бетона происходит в ранний период твердения вследствие пластической усадки. Основная причина – влажностная: усадка бетона происходит при изменении влажности, когда бетонная смесь находится в пластичном состоянии.

Пластическая (первичная) усадка

• развивается в первые часы (4-6 часов) после укладки бетонной смеси – с момента окончания уплотнения бетонной смеси до того момента, когда начинается структурообразование. После этого периода пластическая усадка не учитывается.

• величина пластической усадки бетона может составлять до 3 мм/м – размер деформации пропорционален размерам испарившейся жидкости;

• ширина раскрытия трещин от пластической усадки может достигать 1-2 мм .

Причина пластической усадки – уход воды из залитой смеси. Может возникнуть из-за испарения воды в окружающую среду или выхода воды из цементного молочка через опалубку (поглощение влаги опалубкой) или в основание (в грунт).

Особенно актуально в сухую жаркую погоду (при t ≥ 25°С в тени в 13-00 часов и относительной влажность менее 50%). Усугубляет пластическую усадку ветер.

Испарение воды с наружной поверхности твердеющего на воздухе бетона приводит к тому, что упрочнение и усадка протекают неравномерно по толщине массива бетона, на наружной поверхности появляются волосные усадочные трещины.

Пластические деформации наиболее интенсивно развиваются сразу после укладки и уплотнения бетонной смеси и уже через 30-90 мин затухают.

Величина пластической усадки зависит от состава бетонной смеси: она значительно снижается при уменьшении ее водосодержания. Чем жестче бетонная смесь, тем меньшую она имеет величину пластической усадки. Чем пластичней бетонная смесь, тем больше эта величина.

Также пластическая усадка снижается при создании жесткого «скелета» крупного заполнителя, при применении водоудерживающих тонкомолотых добавок.

Поверхностные усадочные трещины при пластической усадке представляют собой волосяные довольно прямые трещины длиной 50-750 мм. Они часто располагаются перпендикулярно рабочей арматуре. Иногда несколько трещин образуются параллельно друг другу на расстоянии 50-80 мм. Трещины, как правило, неглубокие, и редко проникают ниже верхней части защитного слоя бетона.

Есть мнение: «Если трещины неглубокие и не приводят к разрушению поверхности бетонной конструкции, в этом случае они относительно безопасны».

Это не так!

Трещины от пластической усадки свидетельствуют о том, что бетон в раннем возрасте был подвергнут обезвоживанию, то есть, из него уходила вода. Пластическая усадка – это результат интенсивной потери, как правило испарения, воды с поверхности бетона (более 200 г/м 2 ч).

Потеря воды затворения снижает прочность:

Это невосполнимые потери прочности бетона. Потом, если этот бетон даже утопить и держать его всегда под водой, он свою прочность не восстановит.

Морозостойкость и водонепроницаемость при проявлениях пластической усадки снижаются в несколько раз. То есть, если в проекте заложен бетон марки по морозостойкости F200, то в результате потери воды в лучшем случае получится бетон F50.

Существуют методы восстановления прочности и морозостойкости, однако они значительно удорожают стоимость конструкции (стоимость возрастает на порядок, то есть примерно в 10 раз).

К тому же усадочные трещины могут быть более глубокими и даже проходить конструкцию насквозь. Ширина трещин может достигать 2-3 мм.

Строительные нормы не допускают никаких трещин на монолитных железобетонных конструкциях, за исключением усадочных шириной раскрытия до 0,1 мм.

При образовании пластических трещин ни о какой прочности, а тем более долговечности конструкции говорить не приходится. В первую же зиму в трещины заходит вода, которая при морозах начинает расширяться, и к весне эти трещины значительно увеличиваются в размерах.

Защита от испарения воды в окружающую среду : первичный уход – не позднее 10 мин с момента окончания уплотнения бетонной смеси. Необходимо защитить свежеуложенный бетон от испарения, то есть, от обезвоживания. Продолжительность – до достижения бетоном прочности не менее 1,5 МПа, далее – влажностный уход, увлажнение бетонного элемента).

Существует два наиболее применяемых варианта защиты бетонной смеси от испарения:

• укрытие водонепроницаемой пленкой. Не просто укрытие, а прикатка пленки, чтобы она плотно соприкасалась с поверхностью и защищала ее.

• нанесение на свежеуложенную поверхность пленкообразующих полимеризующихся составов. Они за несколько минут образуют на поверхности пленку, которая также эффективна, как и пленка, нанесенная обычным образом.

Для минимизации процесса выхода воды из цементного молочка через опалубку или основание, прежде всего, нужно правильно установить опалубку, гидроизолировать ее, устроить подушку из тощего бетона для монолитного фундамента, обеспечить оптимальные условия для схватывания и твердения бетонной смеси до набора критической прочности (50-70% от марочной), исключив её обезвоживание.

Усадка твердеющего бетона

Усадка твердеющего бетона происходит в период структурообразования бетона (в молодом бетоне) вследствие контракционной усадки.

Усадка твердеющего бетона, по сути, это усадка цементного камня. Начинается она после нескольких часов раннего твердения. Весьма значительная часть контракционной усадки развивается в молодом возрасте бетона, (примерно в пределах 7-10 суток). Практически вся усадка твердеющего бетона заканчивается к 28 суткам, при достижении бетоном марочной прочности.

Контракционная усадка

Контракционная усадка (химическая усадка, chemical shrinkage, autogenous shrinkage) – усадка в результате происходящих в цементном камне химических процессов взаимодействия исходных материалов. Происходит вследствие того, что портландцемент взаимодействует с водой (это явление называется гидратацией).

Гидратация цемента – химическая реакция цемента с водой с образованием кристаллогидратов. В процессе гидратации жидкий или пластичный цементный клей (цемент + вода) превращается в цементный камень. Первая стадия этого процесса называется загустеванием или схватыванием, вторая – упрочнением или твердением.

Вследствие гидратации образующиеся новые вещества (цементный камень) в объеме оказываются меньше, чем изначальные объемы портландцемента и воды, вместе взятых (цементного теста). Это уменьшение в объеме приводит к тому, что в структуре бетона возникает так называемая контракционная пористость, которая имеет положительный эффект для морозостойкости бетона и появляется контракционная усадка – отрицательное свойство бетона.

Происходит это следующим образом:

При затворении цемента водой из поверхностных слоев цементных зерен образуется рыхлая масса – коллоид, так называемый гель, склеивающий зерна цемента или же зерна песка и щебня. С образованием геля цементное тесто начинает густеть и терять пластичность. Этот процесс называется схватыванием.

Одновременно с твердением масса геля уплотняется. Количество воды в геле уменьшается, причем при твердении на воздухе испарение воды с поверхности тела значительно влияет на процесс твердения, ускоряя его в тех слоях, которые расположены ближе к наружной поверхности конструкции.

Но основная причина уменьшения воды в геле, сопровождающаяся его затвердением, заключается не в высыхании или испарении, а в так называемом «внутреннем отсасывании». Это значит, что еще неразложенные зерна цемента постепенно начинают гидратизироваться и, отсасывая воду из ранее образовавшегося геля, образуют новые массы геля. Таким образом коллоид геля постепенно обезвоживается, сжимается, твердеет и подобно обычному столярному клею значительно уменьшается в объеме и превращается в твердое тело, обладающее значительной прочностью – в цементный камень.

Это уменьшение объема, называемое «собственно усадкой бетона», является неизбежным спутником твердения цемента, независимо от того твердеет ли бетон на воздухе или в воде.

Отсасывание воды из окружающего геля продолжается до тех пор, пока зерна цемента не войдут полностью в реакцию. В цементе, измоломот не очень тонко, для этого требуются десятки лет, а в связи с этим длительно протекает и усадка бетона.

Как избежать усадки цементного камня?

Полностью избежать усадки цементного камня невозможно, так как продукты гидратации меньше объема исходных материалов. Исключение составляют лишь усадочные и расширяющиеся цементы.

Линейное изменение размеров при контракционной усадке составляет 1 мм на 1 м и в строительстве малоэтажных зданий обычно не учитывается.

Усадка бетона зрелого возраста

Усадка бетона зрелого возраста происходит после достижения проектного возраста (28 суток), в период эксплуатации. Длится в течении трех-четырех месяцев после заливки. В дальнейшем крайне замедляется.

Ранее для обеспечения прочности всего здания, монолитный фундамент перед нагружением длительное время (до года) выстаивался. Сейчас в этом нет необходимости, так как в современном малоэтажном домостроении применяют цемент определенных марок и различные специальные присадки.

Усадка бетона зрелого возраста происходит вследствие:

• усадки при высыхании (влажностной усадки);

• карбонизационной усадки.

Карбонизационная усадка

Карбонизационная усадка – усадка в результате химических процессов взаимодействия продуктов гидратации с проникающими из внешней среды компонентами. Связана с тем, что весь железобетон находится в среде углекислого газа.

Углекислый газ, проникая в структуру бетона, взаимодействуя с водой, образует так называемую угольную кислоту. Угольная кислота, в свою очередь, взаимодействуя с гидроксидом кальция, который есть в структуре цементного камня, образует карбонат кальция и воду.

Новообразованный материал в объеме получается меньше, чем изначальный. Кроме того, поскольку гидроксид кальция исчезает, происходит снижение показателя рH – показателя основности среды. А гидросиликаты кальция (основная часть цементного камня) очень чувствительны к этому показателю: когда рН начинает снижаться, они начинают перекристаллизовываться с выделением гидроксида кальция – чтобы спасти остальных, жертвуя частью себя. И это явление тоже приводит к небольшой усадке бетона.

Величина карбонизационной усадки существенно зависит от размеров образца, концентрации углекислого газа в воздухе, влажности бетона и относительной влажности воздуха. В ряде случаев по величине она может быть равна влажностной усадке.

Влажностная усадка

Влажностная усадка по мере твердения и высыхания бетона (усадка при высыхании, drying shrinkage) – усадка в результате физических и физико-химических процессов, вызывающих удаление воды (обезвоживание) из бетонной смеси в процессе твердения и высыхания.

Влажностная усадка при твердении и высыхании бетона (физико-механическая усадка) отличается от пластической влажностной усадки тем, что это прежде всего гидравлическая усадка, обусловленная действием капиллярных сил, возникающих в цементном камне при испарении воды из капилляров и удалении межкристаллической воды.

При удалении свободной, физически не связанной воды, находящейся в крупных порах и макрокапиллярах бетона (с радиусом, большим 0,1 мкм), усадочные деформации не возникают.

Влажностная усадка возникает после испарения свободной воды, когда из бетона начинает удаляться капиллярная и структурно связанная и адсорбированная вода. Удаление капиллярной воды, находящейся в мелких порах и микрокапиллярах с радиусом меньшим 0,1 мкм, вызывает капиллярную усадку, а удаление физически связанной воды из новообразований – адсорбционную усадку.

Влажностная усадка увеличивается при увеличении водосодержания бетонной смеси. Поэтому, чем меньше воды в составе бетонной смеси, тем меньше будет усадка. Снижение количества воды при сохранении подвижности бетонной смеси за счет применения суперпластификаторов – эффективный способ снижения усадки при высыхании.

Влажностная усадка при высыхании и карбонизационная усадка обычно протекают одновременно и продолжаются длительное время.

В зависимости от вида цемента, деформации влажностной усадки, связанной с высыханием в 5-10 раз больше, чем относительные деформации контракционной усадки цементного камня.

Влажностная усадка, возникающая по мере высыхания бетона, в наибольшей мере сказывается на поведении бетона в конструкциях.

Способы защиты от усадочного трещинообразования

Для того, чтобы не допустить усадочные трещины в бетоне, необходимо снизить усадку цементного камня, исключить пересыхание поверхностного слоя бетона, а для случая с массивными конструкциями – замедлить твердение. Подробнее об этом можно прочитать в статье “Уход за бетоном после бетонирования“.

Уменьшить величину усадки можно, если правильно подобрать параметры бетонной смеси, прежде всего ее подвижность, в то же время снизив водоцементное отношение.

Чтобы обеспечить необходимую подвижность бетонной смеси, особенно это касается смеси марки П3 и выше по удобоукладываемости, бетоны должны изготавливаться с обязательным применением водоредуцирующих добавок – пластификаторов. Пластификаторы и суперпластификаторы – это тот механизм, который позволяет получать высокоподвижные бетонные смеси и убирают проблемы с трещинами в бетоне. Кроме пластификаторов очень важно подобрать рецептуру, соотношение компонентов, чтобы было достаточно растворной части.

При сравнении бетонной смеси подвижностью П4 с применением суперпластификатора и без него:

– величина усадки через 7 суток твердения без пластификатора составила 2 см на 1 метр, что составляет 2%.

– при добавлении суперпластификатора величина усадки через 7 суток твердения составила 0,2 см на 1 м, что составляет 0,2%.

Еще один способ, позволяющий избежать усадочные трещины – вовлечение в бетон 4,5 ±1,5% воздуха (применение воздухововлекающей добавки – например, аэропласта). Воздушный пузырек в структуре цементного камня является ловушкой для развивающейся трещины. Как только трещина входит в пузырек, она останавливается. Дозировка воздухововлекающих добавок для тяжелых бетонов – 0,03÷ 0,15% от веса цемента в пересчете на сухое вещество, воздухововлечение – от 2 до 6%.

Не допустить пересыхание поверхностного слоя бетона можно за счет ряда технологических мер. Для получения бетона хорошего качества необходимо создать летом влажную, а зимой теплую и влажную среду для его твердения. После укладки бетонной смеси в летнее время ее поверхность должна быть защищена от высыхания, а в первые часы твердения и от дождя.

Для этой цели горизонтальные поверхности по окончании бетонирования укрывают влагоемкими материалами: слоем песка толщиной не менее 5 см, соломенными матами, опилками, рогожей, которые все время увлажняют. Можно для этих целей использовать полиэтиленовую пленку, покрывая ею бетонную поверхность после очередного полива.

Вертикальные стенки фундамента в первые дни защищает от высыхания опалубка, но ее также нужно увлажнять. После снятия опалубки боковые стенки фундамента следует поливать также, как и горизонтальную поверхность.

Срок поливки бетона: при температуре наружного воздуха выше 15ºС – не менее 15 дней; при температуре от 10 до 15ºС – не менее 10 дней. При более низкой температуре сроки поливки бетона устанавливаются на месте производства работ.

Самым простым является метод обработки конструкции пленкообразующим составом.

Для замедления процесса гидратации используются специальные добавки-замедлители. Без замедлителя процесс твердения идет более интенсивно, соответственно, более интенсивно идут усадочные процессы. Что в свою очередь ведет к повышенному трещинообразованию, появляются усадочные трещины.

Твердение цементного теста. Состав и строение цементного камня.

Цементное тесто, приготовленное путем смешивания цемента с водой, имеет три периода твердения.

1) Первый период (вначале1-3ч), который можно назвать периодом растворения или подготовительным периодом. Когда цемент приходит в соприкосновение с водой, тотчас начинается химическая реакция и протекает она на поверхности зерен. Продукты реакции переходят в раствор до тех пор, пока жидкость, окружающая зерня цемента, не превратится в насыщенный раствор продуктов реакций.

2)Потом начинается схватывание, заканчивающееся через 5-10ч после затворения. Во время второго периода (коллоидации) цементное тесто загустевает, утрачивает подвижность, но прочность еще не велика.

3)Третий период — кристаллизации или твердения (переход загустевшего теста в твердое состояние означает конец схватывания и начало твердения ) При затворении цемента водой: сначала из алита при взаимодействии с водой образуется гидросиликат и гидроксид кальция: 2(3CaO*SiO₂)+6H₂O=3CaO*2SiO₂*3H₂O+3Ca(OH)₂ . Затем гидратируется белит: 2(2CaO*SiO₂)+4H₂O=3CaO*2SiO₂*3H₂O+Ca(OH)₂. Взаимодействие трехкальциевого алюмината с водой приводит к образованию гидроалюмината кальция: 3СаО*Al₂O₃+6H₂O=3CaO* Al₂O₃*6H₂O. Четырехкальциевый алюмоферрит при взаимодействии с водой расщепляется не гидроалюминат и гидроферрит: 4СаО*Al₂O₃*Fe₂O₃+m H₂O=3CaO*Al₂O₃*6H₂O+CaO* Fe₂O₃*n H₂O. Гидроалюминат связывается добавкой природного гипса, а гидроферрит входит в состав цементного геля

Разновидности портландцемента: быстротвердеющий, сульфатостойкий, белый и цветные.

Быстротвердеющий портландцемент — ПЦ с минеральными добавками, отличающийся повышенной прочностью через трое суток твердения. Этот цемент обеспечивает более интенсивное нарастание прочности в начальный период твердения по сравнению с обычным портландцементом за счет более тонкого помола и регулирования химического и минералогического состава. Содержание C₃S в БТЦ должно быть не менее 50%. Выпускается двух марок –М400 и М500.

Сульфатостойкий портландцемент изготавливается из клинкера нормированного минералогического состава, в котором содержание минералов должно быть не более (в %): C₃S — 50, С₃A.—5, С₃A+С₄AF—22, и выпускается марки М400.Цемент характеризуется пониженным тепловыделением и замедленным твердением в начальные сроки и предназначается для изготовления бетонных и железобетонных конструкций наружных зон гидротехнических и других сооружении, работающих в условиях сульфатной агрессии при одновременном систематическом попеременном увлажнении и высыхании или замораживании и оттаивании.

Белый и цветные портландцементы.

Белый портландцемент получают совместным тонким помолом белого клинкера, активной минеральной добавки — белого диатомита (до 6%) и гипса. Гипс, активная и инертная добавки в измельченном состоянии должны иметь белизну не ниже установленной для цемента данного сорта. Для получения клинкера используют чистые известняки, мел и белую каолиновую глину. Обжиг клинкера белого портландцемента производят при более высокой температуре. Белый портландцемент предназначается для архитектурно-отделочных работ в сборном жилищном, гражданском и промышленном строительстве и выпускается трех марок: 300, 400, 500.

Цветной портландцемент в зависимости от цвета, подразделяют на желтый, розовый, красный, коричневый, голубой, зеленый, черный и делится на марки: 300, 400, 500. Получают его совместным помолом цветного клинкера, активной минеральной добавки и гипса, либо белого клинкера, красящей добавки, белого диатомита и гипса. Цветной цемент применяют при наружных и внутренних архитектурно-отделочных работах, при изготовлении облицовочных плиток, лестничных ступеней, подоконных плит, фактурного слоя панелей, искусственного мрамора.

Минералогический состав портландцементного клинкера

Четыре основных оксида (;;;) образуют алюминаты, силикаты, алюмофериты кальция в виде минералов кристаллической формы.

Алит–(трехкальциевый силикат). В портландцементном клинкере его содержится 45–60% – это важнейший клинкерный минерал, определяющий высокую прочность и быстроту твердения портландцемента. Повышенное содержание алита способствует быстрому росту высокой прочности, особенно в начальные сроки твердения, но снижает водостойкость портландцемента.

Белит–(двухкальциевый силикат). 20 ─ 30 %. Отличается медленным твердением, но обеспечивает достижение высокой прочности при длительном твердении портландцемента, снижает усадку и тепловыделение.

Трёхкальциевый алюминат(). В портландцементном клинкере его содержится от 3 до 15% – это самый активный минерал цементного клинкера, являющийся причиной сульфатной коррозии. При повышенном содержании в портландцементном клинкере происходит быстрый рост прочности в начальные сроки твердения, увеличение содержания ведёт к повышению усадки и экзотермии.

Четырёхкальциевый алюмоферит(). Содержание ≈ 10 ─ 20 %. Повышенное содержание снижает экзотермию, усадку, увеличивает водостойкость портландцемента, немного снижает водопотребность.

Качество портландцементного клинкера характеризуется модулями:

Оснóвный модуль (ОМ):

;

Силикатный модуль (СМ):

Силикатный модуль показывает соотношение между минералами силикатами и минералами плавнями. Чем выше СМ, тем выше сульфатостойкость портландцемента. СМ колеблется в пределах 1,7–3,5;

Алюминатный (глинозёмистый) модуль:

Чем выше ГМ, тем выше стойкость портландцемента в минерализованных водах. ГМ колеблется в пределах 1–2,5. Цементы с высоким ГМ быстро схватываются, но имеют пониженную конечную прочность.

Твердение портландцемента

Цементное тесто при смешивании с водой имеет 3 периода твердения:

В течение 1–3 х часов после затворения цемента водой цементное тесто пластично и легко формуется.

Затем наступает схватывание, заканчивается через 5–10 часов после затворения. В это время цементное тесто загустевает и утрачивает подвижность, но его прочность очень мала.

Переход загустевшего цементного теста в твёрдое состояние означает конец схватывания. Твердение может длиться годами до полной гидратации составляющих портландцемента.

Теория твердения портландцемента по Байкову

Выделяют три периода твердения портландцемента:

Подготовительный период: с момента затворения цемента водой начинают образовываться гидратные соединения по следующим схемам:

;

Гидроксид и гидроалюминат кальция быстро растворяются в воде с образованием насыщенного, а затем пересыщенного раствора;

Период коллоидации: продукты гидратации клинкерных материалов, нерастворимые в воде, находятся в коллоидном состоянии в виде геля. При этом пластичная масса вяжущего вещества постепенно загустевает. Коллоидное состояние является неустойчивым из-за избытка внутренней энергии, поэтому система переходит в более выгодное состояние – кристаллизуется;

Период кристаллизации: Гидроксид и гидроалюминат кальция из пересыщенного раствора начинают перекристаллизовываться, образуя кристаллы, которые растут, переплетаясь друг с другом, при этом происходит упрочнение всей твердеющей системы вяжущего. Вязкое тесто переходит в камневидное состояние. Главными кристаллообразующими веществами в цементном тесте являются: и, если происходит разрушение одного из кристаллообразующих соединений, то происходит разрушение всей структуры цементного камня.

Деление процесса твердения цементного камня является условным, все три периода происходят одновременно.

Твердение цементного теста. Состав и строение цементного камня.

Цементное тесто, приготовленное путем смешивания цемента с водой, имеет три периода твердения.

Разновидности портландцемента: быстротвердеющий, сульфатостойкий, белый и цветные.

Белый и цветные портландцементы.

Читайте также: