ГлавнаяУсловно деформации бетона разделяют на объемные или собственные, обусловленные усадкой бетона и изменением температуры среды, и силовые, возникающие под действием приложенных нагрузок.
Собственные деформации бетона. Деформации усадки бетона как на портландцементном, так и шлакощелочном вяжущем определяются контракцией системы «затворитель — вяжущее», испарением влаги из капиллярно-пористой структуры бетона и карбонизацией цементного камня в среде, содержащей CO2. Чем больше в единице цементного камня содержится геля гидросиликатов кальция, тем больше в нем адсорбционно-связанной испаряемой воды и тем выше при прочих равных условиях усадочные деформации в процессе его высыхания. Другой фактор, потенциально определяющий возможные усадочные деформации, — удельная поверхность гидросиликатов кальция.
Наибольшее влияние на развитие усадки по данным оказывают испарение воды из капилляров радиусом менее 10в-7 м, удаление адсорбционно-связанной воды из геля и его кристаллизация.
Набухание же камня — следствие обратимого поглощения воды капиллярами. Деформация усадки — набухания и связанная с ней усадочная трещиностойкость бетона помимо вида вяжущего определяется природой и зерновым составом заполнителей, условиями твердения, а также факторами, комплексное действие которых влияет на качество формируемой структуры искусственного камня. При одинаковой капиллярной пористости шлакощелочного и портландцементного вяжущего, в последнем в 3 раза больше микрокапилляров размером 10в-7 м и в 4,4 раза меньше капилляров размером (3/8)*10в-9 м. Данное обстоятельство, обусловленное особенностями структуры шлакощелочного камня, предопределяет его высокие физико-механические свойства и характер развития деформаций усадки.
При введении в вяжущее крупного и мелкого заполнителя, так же как и в обычном бетоне, наблюдается снижение деформаций усадки. Однако, чем выше упругие характеристики заполнителя, тем выше внутренние напряжения, развивающиеся в оболочке шлакощелочного камня, обволакивающей зерно заполнителя. Чем выше неупругие характеристики цементного камня, тем быстрее уменьшаются внутренние напряжения, а при значительных деформациях ползучести они могут полностью релаксироваться.
Выявленные особенности поровой структуры шлакощелочного камня накладывают отпечаток на особенности развития деформаций усадки шлакощелочного бетона.
Известно, что для портландцементного тяжелого бетона характерна большая общая пористость, достигающая 27%, однако относительные деформации усадки находятся в пределах (10/40)*10в-5. График нарастания деформаций усадки при свободном влагообмене с окружающей средой имеет традиционный вид экспоненциальной зависимости.
Деформации усадки шлакощелочного бетона на крупном заполнителе определяются вещественным составом бетонной смеси, видом шлака, природой щелочного компонента, условиями твердения (табл. 3.12, рис. 3.17).
Согласно многочисленным исследованиям бетон нормального твердения обладает несколько большей усадкой, чем бетон после тепловлажностной обработки, причем усадка шлакощелочного бетона развивается медленнее усадки бетона на портландцементе.
Предварительная выдержка бетона в течение 1—2 сут и дальнейшая тепловлажностная обработка по оптимальным режимам способствуют снижению деформаций усадки до 50 %, так как влажностное состояние бетона на шлакощелочном вяжущем изменяется значительно медленнее, чем на портландцементе, что объясняется большей плотностью шлакощелочного цементного камня по сравнению с портландцементным, а также образованием плотной оболочки вокруг относительно пористого заполнителя. Оболочка почти полностью исключает возможность миграции воды в заполнитель. Следовательно, последний не принимает активного участия в процессах влагообмена независимо от его гранулометрического состава.
Изменение относительной влажности и температуры окружающей среды влияет на количество капиллярной и адсорбционно-связанной влаги в бетоне. Под воздействием капиллярных сил в нем возникает сложное напряженно-деформированное состояние, результатом которого является развитие линейных деформаций образцов.
Преобладание в таких цементах гелевых пор и микропор (10в-7 ≥ r ≥ 10в-9 м) обусловливает более длительное по сравнению с портландцементным бетоном испарение влаги и уменьшение линейных размеров бетона. Форма кривых, характеризующих усадочные деформации бетона, подобна форме кривых изменения его плотности во времени.
Таким образом, с целью получения шлакощелочного бетона с минимальными усадочными деформациями твердение целесообразно осуществлять в условиях тепловлажностной обработки.
Армирование шлакощелочного бетона препятствует его свободной усадке, что приводит к резкому снижению усадочных деформаций и появлению начальных растягивающих напряжений, которые предопределяют появление и развитие усадочных трещин.
Сопоставление результатов испытаний образцов на портландцементе и шлакощелочном вяжущем с содержанием арматуры μs ≥ 3 % подтверждает более высокую трещиностойкость шлакощелочного бетона, что свидетельствует о повышенной растяжимости этого материала (рис. 3.18).
Сравнительная оценка количественных характеристик усадки крупнозернистых шлакощелочного и портландцементного бетонов свидетельствует о том, что при одинаковых условиях их значения сопоставимы, причем при соблюдении оптимальных условий твердения (замедленная тепловлажностная обработка) усадка шлакощелочного бетона при использовании в качестве щелочного компонента дисиликата натрия (ρ = 1100/1200 кг/м3) достигает значений (10/15)*10в-5, существенно меньших по сравнению с усадкой бетона аналогичного состава на портландцементе. В то же время при исследовании бетонов неоптимального состава деформации усадки шлакощелочного бетона могут превышать деформации бетона на портландцементе в 1,6—2 раза.
Деформации усадки мелкозернистого бетона и бетона на крупном заполнителе в значительной степени определяются природой щелочного компонента и видом шлака (рис. 3.19), различаются как по значению, так и по интенсивности развития во времени, что обусловлено особенностями формирования кристаллогидратной структуры шлакощелочной матрицы.
Так, если для шлакощелочного камня на основном шлаке характерное возрастание усадочных деформаций практически пропорционально десятичному логарифму времени нахождения в воздушносухих условиях вплоть до 90 сут, после которых темп развития деформаций усадки замедляется и в возрасте 360 сут наблюдается стабилизация деформаций, то для образцов камня, изготовленного на кислом шлаке, наиболее интенсивное проявление усадочных деформаций отмечается в первые 28 сут нахождения в аналогичных условиях, к 90 сут процесс практически затухает.
Одно из условий снижения деформативности шлакощелочного камня — синтез в его составе гидратных алюмосиликатных соединений, что достигается за счет введения в состав щелочных вяжущих глинистых компонентов, активно взаимодействующих с соединениями щелочных металлов с образованием нефелин-гидрата Na2O*Al2O3*2SiO2*H2O, натролита Na2O*Al2O3*3SiО2*H2O, анальцима Na2O*Al2O3*4SiО2*H2O.
Так, снижение деформаций усадки шлакощелочного камня при введении оптимального количества глинистого компонента (рис. 3.20, 3.21) обусловлено увеличением жесткости кристаллического сростка новообразований за счет самоармирования его щелочными гидроалюмосиликатами.
В присутствии глинистых компонентов также могут создаваться условия для модифицирования гидросиликатов кальция за счет изоморфного замещения иона Si4+ в структуре CSH (I), тоберморита и ксонотлита ионами Al3+, Fe3+, SO4-. Такой способ снижения собственных деформаций шлакощелочного камня реализуется при введении в состав вяжущего Na2SO4 (рис. 3.22).
Выделение и кристаллизация алюмосиликатных фаз в камне на основе щелочных вяжущих протекает медленно. Введение в состав вяжущего высокоосновных быстрогидратирующихся минералов, инициирующих, выделение фаз заданного состава и повышающих степень их закристаллизованности, существенно влияют на снижение деформаций усадки цементного камня. Исследованы композиции шлакощелочных вяжущих с инициаторами твердения в виде минералов C3A и C4AF. Для сравнения изучалось также влияние минералов C3S и β-C2S.
Несмотря на относительно небольшое количество вводимой добавки (3 %), она изменяет характер развития деформаций камня. Так, введение C3S и β-C2S в композицию на основе соды стимулирует образование кальциевой гидросиликаткой фазы, способствуя увеличению усадки. И наоборот, введение в композицию C3A и C4AF, инициирующих образование кристаллических безусадочных гидроалюмосиликатных и ферритных фаз, снижает деформации усадки вплоть до образования безусадочных композиций (например, в случае введения C3A) (рис. 3.23).
При использовании в качестве щелочного компонента метасиликата натрия механизм действия добавок несколько иной. В этом случае вводимые C3S, β-C2S, как и C3A и C4AF, способствуют снижению усадочных деформаций. Это, очевидно, связано со снижением основности гидросиликатов кальция в присутствии вводимого вместе со щелочным компонентом активного кремнегеля: например, CSH (I) переходит в C4S5H5, характеризующийся более высокой степенью закристаллизованности и меньшей подверженностью объемным изменениям (рис. 3.24).
Анализ влияния на усадку вида щелочного компонента свидетельствует о том, что вяжущее на основе соды имеет несколько меньшую относительную деформацию усадки. Однако ее затухание скорее наступает у вяжущего на основе метасиликата натрия, что объясняется особенностями процессов твердения и формирования состава новообразований вяжущих.
При введении в состав вяжущего добавок портландцементного клинкера, содержащего алюмоферритную и высокоосновную кальцийсиликатную фазы, усадка бетонов снижается при использовании как силикатных, так и несиликатных щелочных компонентов (см. рис. 3.19).
Наибольшее снижение усадочных деформаций от введения добавки клинкера наблюдается у бетона на кислом шлаке, достигающее 28 % от проявившихся усадочных деформаций бетона без добавки, что по абсолютному значению даже несколько меньше усадочных деформаций бетона на основном шлаке.
Добавка клинкера оказывает модифицирующее действие, выравнивая значения усадки бетона на различных по химико-минералогическому составу шлаках, количество ее соответствует оптимальному значению, определенному по фактору прочности при сжатии.
Таким образом, собственные деформации шлакощелочного бетона сопоставимы с деформациями портландцементного бетона соответствующих классов и могут быть значительно уменьшены за счет применения технологических приемов.
С деформациями усадки — набухания тесно связана усадочная трещиностойкость. Основная причина появления трещин при усадке — набухании бетона — возникновение в нем общих и локальных деформаций растяжения, превышающих предельную растяжимость данного бетона.
Трещиностойкость образцов бетона определяли по методике. По экспериментальным данным вычислены относительные деформации усадки — набухания εб.у, а затем значения предельной растяжимости εб.р пр. Коэффициент трещиностойкости вычисляем по формуле
Трещиностойкость оценивали по образцам, хранившимся в различных условиях (табл. 3.13). После 50 циклов увлажнения — высушивания трещины появились только на образцах портландцементного бетона, а после 100 циклов отмечено заметное снижение коэффициента трещиностойкости для бетонов всех составов.
Важной характеристикой бетона является коэффициент линейного расширения. На совместимость работы бетона и арматуры, на температурные деформации и напряжения непосредственно влияет коэффициент температурного линейного расширения, средние значения которого для шлакощелочного бетона при повышении температуры в интервале T = 273/473 К изменяются в пределах (9/13)*10в-6.
Деформации бетона при кратковременном и длительном действии нагрузки. В процессе однократного загружения образца кратковременной сжимающей нагрузкой в шлакощелочном бетоне, как в любом упругопластичном материале, наблюдается нелинейная зависимость между напряжениями и деформациями (рис. 3.25).
При малых кратковременных напряжениях полная деформация состоит из двух слагаемых:
т. е. упругой, восстанавливающейся деформации εуп и пластической, остаточной деформации εпл.
Начальный модуль упругости Eb — основная характеристика деформативности при кратковременном загружении бетона; геометрически определяется тангенсом угла наклона прямой упругих деформаций (см. рис. 3.25)
причем он соответствует лишь упругим деформациям, возникающим при мгновенном загружении образца.
Модуль упругости в значительной степени определяется структурой бетона, степенью ее стабилизации и условиями твердения образцов.
Взаимосвязь прочностных и деформативных характеристик высокопрочного шлакощелочного бетона на основе натриевых растворимых стекол изучена И.В. Белицким. Результаты (табл. 3.14) свидетельствуют о стабильном росте во времени призменной прочности и начального модуля упругости независимо от условий твердения и жесткости бетонной смеси. Наблюдаемый временный сброс кубиковой прочности пропаренного шлакощелочного, как и портландцементного бетонов, связан с процессами перекристаллизации вследствие растворения термодинамически неустойчивых кристаллизационных контактов и образования более крупных кристаллов того же состава, что и первоначально формирующиеся продукты гидратации.
В отличие от портландцементного бетона, для которого характерно устойчивое чередование роста и спада прочности (компенсируемое, как правило, введением демпфирующих компонентов), шлакощелочной бетон отличается менее продолжительным спадом прочности, который к тому же носит временный характер.
Отсутствие спадов призменной прочности при временном падении кубиковой, очевидно, обусловлено преобладанием в шлакощелочных вяжущих гелевидной фазы и объясняется особенностями напряженного состояния в теле призмы. При кратковременном нагружении деформации в значительной степени определяются условиями твердения бетона. Так, в первые сутки после тепловлажностной обработки начальный модуль упругости шлакощелочного бетона, как и портландцементного, ниже, чем бетона естественного твердения (см. табл. 3.14). При дальнейшем твердении бетона в нормальных условиях модуль упругости резко возрастает и на 28 сут достигает 34,7*10в3 МПа. В более поздние сроки начальный модуль упругости продолжает увеличиваться и к 360 сут составляет 41,0*10в3 МПа. Наибольший прирост начального модуля упругости пропаренного бетона наблюдается в период протекания интенсивных процессов кристаллизации.
При твердении образцов (после тепловлажностной обработки) в воздушно-сухих условиях начальный модуль упругости бетона независимо от основности используемых шлаков снижается, однако кубиковая прочность при этом возрастает.
Устранение негативного влияния воздушно-сухих условий на характеристики пропаренного бетона возможно за счет снижения расхода щелочного компонента. Так, бетон оптимального состава (расход натриевого растворимого стекла 135 л/м3, жесткость бетонной смеси 27 с) характеризуется начальным модулем упругости 31,5*10в3 МПа, который при дальнейшем твердении не снижается.
Установленные закономерности оптимизации состава и свойств высокопрочного бетона распространяются и на бетон более низких классов.
Прочностные и деформативные характеристики бетона на карбонатном щелочном компоненте исследованы С.А. Ткаленко. После тепловлажностной обработки и твердения в нормальных условиях наблюдается интенсивный рост кубиковой и призменной прочности в первые 90 сут, что составляет соответственно 106 и 113% значений, полученных при испытаниях в возрасте 28 сут (табл. 3.15). Этот процесс несколько замедляется к 180 сут, а затем отмечается медленный, но постоянный рост прочности во времени. Кривые изменения кубиковой и призменной прочности по своему характеру близки между собой и свидетельствуют о постоянном упрочнении шлакощелочного бетона.
Образцы бетона нормального твердения характеризуются интенсивным ростом модуля упругости в первые 28 сут, после 90 сут — модуль упругости стабилизируется и в дальнейшем изменяется незначительно. Пропаривание при пониженной температуре чзотермии (338 ± 5) К и последующее хранение в нормальных условиях позволяет получить искусственный камень, модуль упругости которого в возрасте 28 сут сопоставим со значением модуля упругости бетона при твердении в естественных условиях, причем, сравнивая модули упругости портландцементного и шлакощелочного бетоов одного класса (например, В 35), отметим более низкую деформативность последнего.
При хранении образцов шлакощелочного бетона в воздушно-сухих условиях наблюдается увеличение прочности, оптимум которой достигается на 90 сут твердения, однако на 180 сут отмечается снижение призменной прочности вследствие протекающих процессов перекристаллизации гидратных новообразований, приводящих к изменению упругопластического состояния искусственного камня. В процессе дальнейшего формирования структуры бетона за счет относительно равномерного распределения внутренних напряжений наблюдается соответствующий рост призменной прочности на 270 сут. В противоположность изложенному, кубиковая прочность отличается постоянным ростом в исследуемом интервале времени. Различный рост кубиковой и призменной прочности (при хранении образцов в воздушно-сухих условиях) объясняется неоднородностью структуры, прячем призменная прочность шлакощелочного бетона в большей степени, чем кубиковая, связана со структурой материала и отражает особенности ее формирования во времени.
Кинетические кривые изменения значений модуля упругости и призменной прочности бетона в воздушно-сухих условиях подобны, причем, отмечающееся снижение названных показателей в возрасте 180 сут характерно и для портландцементного бетона в аналогичных условиях. Это вызвано, вероятно, причинами, определяющими упругопластическое состояние бетона, в частности, концентрацией напряжений в отдельных зонах бетона и возникновением из-за неравномерного высыхания усадочных трещин, снижающих упругие свойства материала.
Условия твердения в значительной степени определяют прочностные и деформативные свойства шлакощелочного бетона, а также их изменение во времени. Для шлакощелочного бетона на карбонатном щелочном компоненте в период интенсивно развивающихся процессов структурообразования нормальные условия твердения наиболее благоприятны.
Важное значение для расчета конструкций и оценки их поведения под нагрузкой имеют предельные деформации, при которых начинается разрушение бетона.
Согласно опытным данным, предельная сжимаемость εbc шлакощелочного бетона изменяется в тех же пределах, что и портландцементного (0,0015—0,0032), увеличиваясь при повышении прочности. Ее можно повысить за счет применения более деформативных компонентов и обеспечения достаточно надежного сцепления между ними.
Предельная растяжимость εbt шлакощелочного бетона несколько выше растяжимости портландцементного, изменяющейся от 0,0001 до 0,0015 (табл. 3.16), что обусловливает повышенную трещиностойкость конструкций из данного материала. Предельную растяжимость можно увеличить за счет введения в бетон пластифицирующих добавок, уменьшения крупности заполнителей или применения последних с высокими деформативными и адгезионными свойствами.
При длительном действии нагрузки шлакощелочной бетон характеризуется ползучестью, зависящей, главным образом, от состава, вида шлака и щелочного компонента, условий твердения и пр. Установлено, что шлакощелочной бетон на соде из нефелинового сырья, едком натре и метасиликате натрия имеет минимальную ползучесть, а кальцинированная сода повышает этот показатель (рис. 3.26). При нормальном твердении в течение длительного времени ползучесть бетона возрастает. Полные предельные деформации неизолированных образцов бетона превышают соответствующие деформации изолированного бетона в 1,5 раза.
Ползучесть шлакощелочного бетона развивается неравномерно в течение времени, а скорость деформаций монотонно убывает (рис. 3.27).
Для мелкозернистого шлакощелочного бетона деформативность увеличивается при кратковременной нагрузке, а деформации ползучести во времени развиваются медленнее, чем для шлакощелочного бетона на крупном заполнителе, что обусловлено отсутствием крупного заполнителя и большим объемом гидратных новообразований.
Относительно высокая ползучесть шлакощелочного бетона, очевидно, связана с большим количеством гелевидной фазы в продуктах гидратации. Повышение степени закристаллизованности новообразований за счет модифицирования состава вяжущего снижает деформативность шлакощелочного камня при длительном приложении нагрузки. Мера ползучести шлакощелочного бетона оптимального состава находится в пределах, соответствующих нормативным значениям ползучести тяжелого бетона на портландцементе (табл. 3.17); его деформативные характеристики близки к значениям, характерным для портландцементного бетона и регулируются известными технологическими приемами. Данное обстоятельство позволяет рекомендовать шлакощелочной бетон к использованию в строительстве наряду с портландцементный для изготовления конструкций различного назначения.
