Материал: Поризованный бетон. структура и строительные-технические свойства. Славчева Г.С

2.5. Эксплуатационная деформируемость поризованных бетонов

Для цементных поризованных бетонов нормального твердения опреде-

ляющим, критическим свойством, можно сказать камнем преткновения, выступает их трещиностойкость, определяемая эксплуатационной деформируемостью

(усадкой, ползучестью), так как именно от нее зависит долговечность конструкций.

В связи с большей перспективностью применения цементного поризованного бетона в монолитном строительстве проблема управления его дефор-

мативными свойствами рассматривалась применительно к этому варианту его изготовления, когда на процесс рождения и развития бетона сразу же начинает накладываться влияние эксплуатационных факторов.

2.5.1.Процессы изменения состояния, структуры и свойств, динамика деформирования поризованных бетонов

при твердении в монолитных конструкциях

Анализ и систематизация (табл. 12) процессов основывается на следующих представлениях. Процессы изменения состояния и деформирования мате-

риала развиваются во времени под воздействием внешних и внутренних движущих сил изменений. Движущим силами изменения состояния материала вы-

ступают происходящие в нем энергетические явления, термодинамическая направленность которых объясняется закономерным стремлением любой природ-

ной системы занять положение с минимальным запасом энергии и перейти в состояние равновесия.

Внутренние движущие силы обусловлены мерой метастабильности и избыточной энергии твердеющей системы "цемент + вода", а энергетический за-

пас определяется возрастом бетона. Они вызывают развитие гидратации и твердения как совокупности процессов формирования структуры цементного камня вследствие гидролиза и гидратации клинкерных минералов, зародышеобразования, кристаллизации, собирательной рекристаллизации с присущими им тепловыми эффектами

Внешние движущие силы обусловлены наличием неравновесного со сре-

дой теплового и вещественного состояния материала, воздействием механической нагрузки и определяются параметрами эксплуатационной среды.

51

Таблица 12 Движущие силы и система процессов, определяющих

формирование напряженно-деформированного состояния материала в конструкциях

52

Анализ условий работы поризованного бетона на этапах возведения и эксплуатации конструкций зданий позволяет принять следующие значения параметров эксплуатационной среды:

сезонное изменение температур в интервале (-35...+35) 0С;

влажность наружного воздуха и внутри помещений (30... 100) %;

концентрация атмосферной углекислоты - 0,03...0,04;

величина механической нагрузки на элементы конструкций зданий до 4 - 5 этажей - ≤ 2,0 МПа.

Внешние движущие силы являются возбудителями:

теплообмена материала со средой, в том числе в виде циклического на- гревания-охлаждения конструкции;

массообмена - как развития процессов высыхания, циклического увлажнения - высушивания,

химической коррозии;

сжатия и растяжения от воздействия механической нагрузки.

Вызванные ими изменения будут продолжаться до наступления равновесного состояния "материал - среда" с периодическим повторением при варьи-

ровании условий среды, приводящих к нарушению такого равновесия. На всем протяжении технологического и эксплуатационного циклов материал может взаимодействовать со средой по типу закрытой и открытой системы 38 . В со-

ответствии с положениями термодинамики система "материал-среда" считается закрытой, когда отсутствует массообмен материала со средой при наличии теплообмена (до распалубки конструкции), и открытой - при осуществлении мас-

со- и теплообмена (после снятия опалубки).

Таким образом, рассмотренные движущие силы определяют закономер-

ности процессов изменения состояния материала, а именно: гидратации и твердения, тепловыделения, тепло- и массообмена со средой, химической коррозии,

сжатия и растяжения от воздействия механической нагрузки.

Развиваясь во времени, данные процессы сопровождаются соответст-

вующими объемными изменениями - контракцией, температурными и влажностными деформациями, деформациями от химической коррозии и механи-

ческой нагрузки. На основе существующих представлений о механизме объемных изменений принимается, что развитие всех видов деформирования яв-

ляется следствием изменения баланса внутренних сил в материале.

При гидратации развитие внутренних напряжений имеет физико-

химическую природу и связано, во-первых, с уменьшением объема системы

53

«цемент-вода» при коагуляционном самоуплотнении цементного теста, которое определяется адсорбцией воды поверхностью цементных зерен, что внешне сопровождается сжатием системы., Во-вторых, при возникновении новообразова-

ний, имеющих меньший объем, чем объем исходных продуктов 50,51 , проис-

ходит уменьшение объема системы твердения, которое принято называть хи-

мической или контракционной усадкой.. Несмотря на то, что контракционная усадка развивается в раннем возрасте материала, а ее величина незначительна,

в бетоне уменьшение объема цементного камня в результате контракции способствует возникновению растягивающих напряжений в цементной матрице и на поверхности раздела с заполнителем.

Развитие влажностной усадки при обезвоживании определяется измене-

нием баланса сил, участвующих в связи твердой фазы и пор с жидкой фазой. Ее проявление обусловлено действие различных по своей природе сил, участ-

вующих в связи твердой фазы и порового пространства с жидкой фазой 52-54

и вызывающих изменение напряженного состояния материала и его объема. В итоге величина влажностной усадки определяется равнодействующей (см. разд. 2.2, рис. 3):

сил капиллярного стяжения при удалении свободной, капиллярно-

насыщенной и капиллярно-конденсированной воды из пор;

сил поверхностного натяжения при десорбции воды с поверхности твер-

дой фазы;

сил когезионного и адгезионного взаимодействия в контактах дисперс-

ных частиц матричного (цементирующего) вещества при удалении межкристаллической воды;

сил внутренних связей в кристаллах при уходе из них межслоевой воды;

сил упругого противодействия твердой фазы ее деформированию на фоне

одновременного протекания релаксационных процессов в ней.

Мера этих сил в материале считается зависящей от его состава и структу-

ры, чем, собственно, и обусловливается возможное содержание в материале видов воды и баланс сил ее связи со структурой. Проявление же действия этих сил зависит от степени обезвоживания и соответственно вида удаляемой воды.

При теплообмене материала со средой напряжения в бетоне обусловлены различием в величинах коэффициента температурного расширения его струк-

турных составляющих 55 .

При химической коррозии в процессе разложения новообразований аг-

рессивными агентами эксплуатационной среды 56,57 напряжения оказывают-

54

ся следствием изменения объема затвердевшего цементного камня. В нашем случае речь идет преимущественно о карбонизационной усадке, обусловленной действием атмосферной углекислоты. Данный вид усадки, как известно, носит физико-химический характер и является следствием уменьшения объема затвердевшего цементного камня в бетоне при разложении кристаллов гидрооки-

си кальция, находящегося в напряженном состоянии, в результате их химического взаимодействия с углекислым газом.

Воздействие эксплуатационной механической нагрузки дополнительно переводит твердеющий бетон в неравновесное напряженное состояние, вызы-

вающее упруго-мгновенные деформации и деформации ползучести.

При этом деформации бетона до распалубки складываются из контрак-

ционных и температурных деформаций, а после распалубки в основном - из температурных, влажностных и деформаций карбонизационной усадки; после загружения дополнительный вклад вносят деформации от механической нагрузки. Общая величина объемных изменений материала определяется также силами упругого противодействия твердой фазы ее деформированию на фоне одновременного протекания релаксационных процессов в структуре.

Проблема проявления материалом деформации и соответственно трещиностойкости связана с формированием напряженно-деформированного со-

стояния материала в конструкции на всем протяжении технологического и эксплуатационного циклов в результате развития рассмотренных процессов.

Именно изменение во времени температурного и вещественного состояния твердеющего материала, градиенты температуры, влажности, вещественного состава материала в объеме конструкции является причиной формирования полей деформаций и напряжений, что и приводит к образованию и развитию тре-

щин.

Трещиностойкость материала определяется потенциальной способностью состава и структуры материала воспринимать развитие деформаций и напряжений при соответствующих эксплуатационных воздействиях. Согласно совре-

менным представлениям механики разрушения разрушение материала рассмат-

ривается как процесс образования и развития трещин в его структуре 58-60 . В

условиях напряжении начальные микротрещины и дефекты развиваются, и потеря несущей способности материалом наступает в результате подрастания трещин, их объединения в магистральную трещину. В соответствии с этим управление трещиностойкостью бетонов при эксплуатации следует связывать как с управлением его деформативными характеристиками, так и с воздействи-

55