Элементы ползучести цементных бетонов

Затвердевший «бетон представляет собой упруго-вязко-пластичный материал, поведение которого при быстром (мгновенном) загружении 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» [404]. 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 эксплуатационной надежностью. Однако и в 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), растворения и переосаждения гидратных соединений (Ф.О.Слейт, Б.Л.Мейерс). 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).

Исследования специалистов Массачусетского технологического института показали, «что причиной, так называемой деформации ползучести бетона < …> являются изменения в наноструктуре данного материала. Основными «кирпичиками», из которых состоит популярный строительный материал, являются гранулы гидросиликата кальция нанометровых размеров». В связи с этим «деформация ползучести вызывается перестройкой данных структур и их смещением друг относительно друга» (www: LENTA.RU).

Не подвергая сомнению справедливости и 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, смещение структурных наноразмерных элементов и т.п.), несомненно, должны бы самым негативным образом отразиться на свойствах бетонов, «произошло бы резкое снижение прочности и модуля упругости при разгрузке. При невысоких напряжениях ползучесть к таким явлениям не приводит: прочность и модуль упругости остаются практически прежними» [405]. Более того, прочность не только остается прежней, но, в ряде случаев, заметно увеличивается (и это убедительно показано в многочисленных и широко известных работах [311, 312, 406, 407 и др.] 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 и мгновенно адаптирует свою структуру и свойства в соответствии с меняющимися условиями эксплуатации [400-402];

3) деформация ползучести рассматривается, как следствие протекающих в цементном камне под нагрузкой чисто физико-механических процессов (сдвига структурных элементов друг относительно друга, микротрещинообразования, выдавливания свободной и адсорбционной влаги, капиллярного сжатия системы и др.). При этом упускается их виду вероятность химических преобразований, «совершенно игнорируется влияние химических процессов» [408]. А ведь эти процессы неизбежны, учитывая деформацию структурных элементов, возможность разрыва молекулярных (в том числе, водородных) связей, образования активных, высокореакционных энергетически ненасыщенных зон.

Выполненные совместно с научно-исследовательской группой студентов КубГТУ (Бычков М.В., Даутов Ш.М., Ждан В.В., Костюк Ю.Н.) экспериментальные работы позволили сделать некоторые пояснения к рассматриваемой проблеме. Наиболее важной, в значительной мере определяющей конечные свойства продукта, является начальная стадия (первые сутки) испытаний, в которой деформации бетона протекают особенно интенсивно. В связи с этим, методическое выполнение работ несколько 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 (рис.4.10, а), в течение последующих четырех суток – при одностороннем инфракрасном обогреве (б). В последнем случае температура поверхности образцов достигала 100…120 °С.

Рис.4.10. Установка для определения деформаций ползучести образцов

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

Разумеется, в процессе осевой деформации образцов (сжатии при нагружении или расширении при нагреве) имело место некоторое изменение величины их нагружения, вследствие соответствующей разгрузки или, наоборот, сжатия пружины динамометра. Однако вряд ли этот аспект существенным образом повлиял на качественную картину полученных результатов. К тому же, цель работы – не столько изучение ползучести как конкретного реологического параметра, сколько необходимость привлечения внимания специалистов к отдельным сопровождающим процесс явлениям и их теоретической интерпретации, которые непременно должны быть учтены, уточнены и развиты в дальнейших исследованиях.

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. Для наглядности кривых и удобства анализа результатов исходное состояние образца на графике соответствовало «нулевой» отметке, усадочные и расширительные (более «нулевого» значения) проявления отражались в отрицательной и положительной зонах деформативной оси.

Несмотря на внешнее сходство полученных зависимостей (рис.4.11), обращает на себя внимание следующее:

1) деформация ползучести образцов на основе цементных составов 28-суточного возраста (рис.4.11, б) более чем на порядок превышает аналогичные показатели стабильных структур (рис.4.11, а);

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 [205, 403];

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.

Рис.4.11. Деформация ползучести стабильных структур (а)

и цементных композиций (б)

Столь существенные отличия динамики ползучести стабильных материалов (гранита, мрамора, силикатного бетона и керамики) от деформации цементных составов связаны с исключительно индивидуальными структурными особенностями последних, а именно, наличием «не до конца гидратированных зерен клинкера». Отсюда можно заключить о важной (даже определяющей) роли этих химически не полностью использованных объектов в столь явно выраженных деформативных свойствах нагруженного цементного камня и бетонов. Иначе говоря, 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.

Характерной особенностью гидратированного цементного зерна является наличие на его поверхности локально рассредоточенных динамически равновесных структур «остаточные негидратированные активные центры – адсорбированные кластеры» (рис.2.14), 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 (рис.4.12), возбуждению, активизации адсорбированных диполей и гидратации активных центров.

Рис.4.12. Схема строения

цементного камня: 1 – клинкерное зерно; 2 – остаточные активные центры; 3 – адсорбционный слой диполей; 4 – гидратный клеевой продукт

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.

Сжимаемая нагрузка активизирует адсорбционно-связанную воду, способствует тем самым «углублению», повышению степени поверхностной гидратации клинкерных частиц, по сравнению с их эталонным (не нагруженным) состоянием. Конечно, вряд ли следует ожидать существенного отличия степени гидратации в эталонном и деформированном составах, вследствие незначительного увеличения количества инициированных силовым путем гидратационных актов на фоне предшествовавшего месячного твердения. Тем не менее, дифференциально-термический и рентгенофазовый анализы цементного камня (В/Ц=0, 28) указывают на повышение степени химического использования портландцемента в испытанном на ползучесть составе, по сравнению с эталонным, не подвергавшемуся испытанию образце.

Термограммы образцов (рис.4.13) характеризуются тремя эндотермическими процессами, связанными, соответственно, с удалением свободной и адсорбционно-связанной воды, частичной дегидратацией извести и разложением гидросиликатных продуктов. При этом, последний эндотермический эффект в деформированном образце выражен особенно ярко; к тому же, отчетливо просматривается наложение дополнительного эффекта, связанного, по всей вероятности, с появлением «модифицированных гидратов» [401], сформировавшихся в условиях давления цементного композита, температурного фактора и ограниченного водосодержания.

Рис.4.13. Дифференциально-термический анализ эталонного (1)

и испытанного на ползучесть (2) цементного камня

Рентгенограммы рассматриваемых составов (рис.4.14), на первый взгляд, мало отличаются друг от друга. Однако нельзя не видеть несколько более высокого содержания гидрооксида кальция в испытанном на ползучесть образце (дифракционный максимум с d=4, 917…4, 920). Дополнительная гидратация силикатов кальция привела к более полным гидролизным процессам, выбросу из структуры минералов в жидкую среду повышенного количества ионов кальция (извести), что и регистрируется экспериментом.

Рис.4.14. Рентгенофазовый анализ исходного цемента (1),

эталонного (2) и испытанного на ползучесть (3) цементного камня

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», как отмечалось выше, следует использовать комплекс мер, обеспечивающих предельно возможную полноту поверхностных гидратационных преобразований клинкерных зерен.

В этом отношении, большое значение имеют условия твердения бетонов, что подтверждается следующим экспериментом. Из растворной смеси состава 1: 2 (новороссийский ССПЦ500-Д20, песок – кварцевый кубанский низкомодульный, В/Ц=0, 5) изготовили серию образцов-балочек, твердевших до испытания в распалубленном виде (естественных условиях), водной среде, герметизированном полиэтиленовой пленкой состоянии при «нормальной» температуре и после восьмичасового кипячения (через сутки предварительного выдерживания), и при низкой (+2…+7 °С) температуре. В месячном возрасте производили испытание образцов на ползучесть по ранее отмеченной методике, после чего определяли прочностные свойства разгруженных и эталонных (не подвергавшихся испытанию) образцов.

Анализируя представленные на рис.4.15 деформативные кривые, видно, что 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). По всей вероятности, обезвоживание бетона при твердении привело к не полной гидратации клинкерных зерен, формированию малопрочной и дефектной структуры микробетона, включающей огромные остаточные негидратированные зоны, «срабатывающие» при силовом воздействии, вызывающие деструкцию, ослабление композита с отмеченным результатом. При низких положительных температурах вода характеризуется высокоассоциированной малоиспаряемой 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 камня и повышенной деформацией ползучести.

Рис.4.15. Деформация ползучести образцов, твердевших

в различных температурно-влажностных условиях

Структура микробетона, как отмечалось, чрезвычайно чувствительна к меняющимся внешним температурным условиям, что иллюстрируется кривой деформации ползучести образца (рис.4.16, а) при обычной температуре испытаний (рис.4.10, а) в течение пяти суток, одностороннем (рис.4.10, б) и двустороннем (рис.4.17, а) обогреве в течение четырех и трех суток, соответственно. При обычной температуре к четвертым-пятым суткам деформация «затухает». В случаях одно- и двустороннего нагрева кратковременное двадцати-тридцатиминутное расширение сменяется еще более интенсивными усадочными явлениями.

Несмотря на столь существенные параметры ползучести (рис.4.11, 4.15, 4.16), внешний вид образцов после испытаний при указанных величинах нагружения не вызывал особых опасений (четкие ребра и грани, отсутствие сколов, трещин и прочих видимых дефектов). Совершенно иная картина имеет место при предварительной герметизации полиэтиленовой пленкой поверхности испытываемых образцов. Выдерживание последних под нагрузкой при обычной температуре и в расплавленном парафине при температуре 63…65 °С (рис.4.17, б) привело через несколько суток к ситуации, представленной на рис.4.18. И хотя образцы не потеряли несущей способности (например, при нагрузке 17, 8 МПа фактическая прочность выдерживаемого в парафине образца составляла 21, 9 МПа), не сложно представить их состояние в недалекой перспективе. По всей вероятности, при обычных условиях испытаний (открытой поверхности образцов) в химическом процессе участвует лишь часть активированной воды, значительная же ее доля теряется структурой микробетона в результате массообменных процессов с окружающей средой. Герметизация же поверхности исключила влагопотери бетона, способствовала длительному сохранению в его структуре воды, более полному ее связыванию цементными минералами с соответствующими деструктивными явлениями.

Рис.4.16. Кинетика деформации ползучести образцов при

различных температурных условиях эксперимента

Рис.4.17. Определение деформации ползучести образцов при

двустороннем обогреве (а) и в расплавленном парафине (б)

Рис.4.18. Внешний вид образцов, испытанных на ползучесть в

герметизированном состоянии при обычной температуре (а)

и в расплавленном парафине (б)

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 отдельных случаях значительно приумножают их (табл.4.2). Таким образом, нельзя не согласиться с мнением [408] 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». Причем, данный процесс (включая эффект «самозалечивания») характерен исключительно для цементных бетонов, отличающихся от стабильных материалов (природных каменных, керамики, силикатных, пластбетонов), наличием на гидратированных цементных частицах остаточных негидратированных зон.

Следует обратить внимание на 10%-ное снижение прочности при сжатии образцов составов «1» и «8» (табл.4.2) после испытания на ползучесть. По всей вероятности, при постановке подобных экспериментов следует учитывать «временной фактор» определения прочностных показателей образцов. Для «самозалечивания» структуры деформированного микробетона необходим вполне определенный и конкретный временной интервал, в связи с чем, определение прочности и прочих свойств должно производиться по истечении структурного «реабилитационного» (восстановительного) периода. Преждевременные испытания (что, вероятно, и имело место в данном случае) исказят реальную картину и приведут к не корректным результатам.

Таблица 4.2

Влияние деформации ползучести на остаточную прочность образцов