Деформации цементного теста в растворосмесителях и металлоформах

На структуру и свойства цементного камня оказывают также влияние объемные деформации в твердеющем цементном тесте и камне. К ним относятся деформации контракции, усадки и набухания, а также температурные деформации, возникающие в связи с экзотермическим характером гидратации минеральных вяжущих или при тепловой обработке изделий.

 

Явления контракции (стяжения) связаны с физико-химическим взаимодействием цемента и воды при перемешивании в растворосмесителях и при твердении в формах на заводах бетона, и получением в результате этого новообразований с более плотной упаковкой молекул воды в кристаллогидратах по сравнению с упаковкой их в жидкой воде (абсолютный объем новообразований меньше суммы абсолютных объемов цемента и воды). Явлению контракции могут также способствовать дополнительные факторы чисто физического характера, связанные с адсорбцией тонких пленок воды на поверхности цементных зерен и переходом жидкой воды в значительно более плотную пленочную воду, адсорбированную на поверхности этих зерен. Так как явление контракции происходит без видимого уменьшения объема системы в целом или с даже незначительным его увеличением, в цементном камне образуется большое количество внутренних микропор. Поскольку явление контракции вытекает непосредственно из процесса гидратации вяжущего вещества, конечная величина контракции зависит от всех тех факторов, которые влияют на интенсивность и полноту гидратации. Иными словами конечная величина контракции зависит от минералогического состава цемента, тонкости его помола, водоцементного отношения, условий и длительности твердения. Доказательством этому служат идентичные кривые роста прочности, и развития контракции во времени для одного и того же цемента. О развитии процессов контракции можно судить приблизительно по величине образующегося в системе вакуума. Величина контракции в объемном выражении составляет на 100 г портландцемента среднего минералогического состава примерно 8 - 10 мл, а на 1 м³ бетона при расходе цемента в бетоносмесителе 250 кг - приблизительно 20 л, или 2% от общего объема бетона.

 

Усадка твердеющего портландцементного камня или бетона в целом происходит при твердении системы на воздухе, т. е. связана с потерей воды в окружающую среду. Согласно теории, развитие процесса усадки, а также возникновение при этом собственных напряжений в твердеющем цементном камне можно разбить на два периода. Первый период связан с уменьшением количества свободной воды в системе и почти не сопровождается развитием собственных напряжений. В этот период, совпадающий с периодом схватывания портландцементного теста, усадка пропорциональна потере свободной воды в системе, заключенной главным образом в порах цементного геля. Потеря свободной воды происходит как вследствие испарения в окружающую среду, так и в результате внутреннего отсоса воды в связи с развитием контракции. Величина и интенсивность такого отсоса зависят от скорости и полноты химических реакций между цементом и водой (контракционная усадка). В этот период, когда прочность кристаллических сростков, которые могли бы сопротивляться усадке цементного геля, еще недостаточна, усадка происходит относительно легко, без развития внутренних напряжений. По мере твердения цементного камня в формах на бетонозаводах, когда со временем наблюдается упрочнение кристаллических сростков, дальнейшая усадка встречает возросшее сопротивление этих сростков. Второй период в развитии усадки наступает после испарения значительной части свободной воды из системы, когда субмикрокристаллы геля начинают отдавать в окружающую среду часть своей пленочной воды. С этого момента в цементном камне начинают возникать и развиваться собственные напряжения, так как кристаллический сросток, препятствуя усадке, испытывает всестороннее сжатие, а гель, заполняющий пространство между сростками - всестороннее растяжение.

 

При таком напряжении ослабевают связи субмикрокристаллов геля с пленочной водой, а это сопряжено с новой отдачей кристаллами пленочной воды, что в свою очередь усиливает растягивающие усилия в гелевой структурной составляющей. Однако по мере уменьшения толщины водной пленки прочность связи ее с субмикрокристаллами геля возрастает и это приводит к постепенному затуханию усадочных деформаций. Деформации, связанные с усадкой при потере свободной воды, следует считать необратимыми, усадка же, развивающаяся во второй период и связанная с отдачей пленочной воды, при изменении влажностных условий окружающей среды в известной степени обратима. Размер усадки и темпы ее развития в значительной степени зависят от минералогического состава (определяющего объемное соотношение крупнокристаллической и гелевой структурных составляющих), тонкости помола цемента, начального содержания воды в цементном тесте и температурно-влажностных условий окружающей среды.