Архив автора
Изучение отпорности капиллярного контакта при приложении внешней нагрузки показывает, что помимо сил капиллярного стягивания этой нагрузке сопротивляются еще непосредственные силы сцепления слившихся в одно целое плотных диффузных оболочек частиц. Чем больше возраст цементного камня, тем прочнее эти связи.
Высказанные соображения указывают на то, что число контактов частиц по отношению к прочности на растяжение изменяется по линейному закону.
Так как отпорность контакта не зависит от размера частиц цементного камня, то прочность этого камня на растяжение будет тем больше, чем дисперснее система или чем большее число связей приходится на единицу сечения системы. Число связей п и форма капиллярного контакта, характеризующаяся значениями а и хх, по существу определяют все упругие и пластические свойства цементного камня.
Кристаллическое тело самих зерен цементного камня должно обладать (в известных пределах нагрузок) достаточной упругостью. Модуль упругости зерен цементного камня при всестороннем сжатии Есж определяется на общем основании делением приложенной к частицам нагрузки на относительную деформацию их под этой нагрузкой.
Приведенные здесь закономерности позволяют с известным приближением проникнуть в структурные свойства затвердевшего цементного камня. Наглядное изменение сил
взаимодействия частиц в капиллярном контакте, описываемое закономерностями, при изменении влажности среды представлено в графике. Рассмотрим поведение и деформацию капиллярного контакта при приложении растягивающей нагрузки Р. Под влиянием внешней силы Р расстояние между частицами увеличится с Х до х , вследствие чего диаметр контакта уменьшится с 2г\ до 2г, радиус кривизны мениска увеличится с г2 до г2 и капиллярное взаимодействие частиц ki уменьшится до k.
Таким образом, в каком бы направлении, по прямой или по извилистому пути, мысленно ни рассматривать систему цементного камня, всегда будем пересекать сростки по телу коллоидных частиц и по капиллярным контактам между ними, т. е. будем проходить твердые и упругопластические зоны системы. В каждом цементном камне существуют обе составляющие, но преобладает гелевая составляющая, в силу чего пластическая деформативность системы относительно велика.
Какое бы сечение цементного камня мы ни рассматривали, оно всегда пересечет сростки, коллоидные частицы и воду капиллярных контактов. Приложенное внешнее усилие при этом распределяется между упругими и пластическими составляющими цементного камня, т. е., иначе говоря, в каждом плоском сечении обязательно пересекается упругая «армирующая» часть (заштрихована), препятствующая пластическим деформациям. Если бы мы попытались рассмотреть поверхность только по водной и воздушной зонам (толстая прерывистая линия), то получили бы причудливую, очень разветвленную поверхность с глубокими впадинами и выступами структуре камня при передаче
усилия вдоль рассматриваемого направления дает упругую деформацию в пределах кристаллических образований и упругопластических в пределах капиллярных контактов. При приложении нагрузки сжатия в первый момент наблюдается только упругая деформация, затем влага в капиллярном контакте приходит в движение и медленно выжимается из контакта. Смежные частицы сближаются, и сила капиллярного стягивания частиц k увеличивается. Часто в силу сложности переплетений структуры усилие передается через капиллярные контакты под углом к оси, соединяющей частицы, это усилие может быть разложено на нормальное и поперечное к контакту, создавая два случая нагрузки на капиллярный контакт: сжатия или растяжения и среза. В обоих случаях вода, закрепленная на частица; х силами сорбции, хорошо им сопротивляется, но способна к пластическому перемещению, что приводит к деформации цементного камня в целом.
Рассмотрим капиллярный контакт под действием растягивающих нормальных сил.
Если бы между частицами цементного камня не существовало других отпорных сил, кроме сил капиллярного стягивания, то для разрыва цементного камня при быстром загружении нужно было бы приложить силу K=kn кг/см2.
Страдая некоторой общностью и формальностью представления о структуре (не дающей конкретных расчетных данных), теория Э. Фрейсине, как и Р. Лермита, имеет одно весьма важное положительное качество, а именно, она считается с существованием в цементном камне разветвленной системы пор и каналов, частично заполненных воздухом, и придает этому большое значение.
Решение многих вопросов прочности и деформации можно существенно облегчить, если более четко изображать расположение в структуре кристаллических образований воды (всех видов) и воздуха. Роль пленки, разграничивающей связанную воду с влажным воздухом в порах системы, по-видимому, очень значительна.
В разделе изложена теория капиллярного контакта цементного камня и даны представления о структуре затвердевшего цементного камня. Характерной особенностью этого представления является утверждение, что в структуре нет сплошного непрерывного кристаллического скелета новообразований. В ней содержатся отдельные кристаллические сростки в виде кристалликов неправильной формы или в виде цепочек, нитей и игл, образующих войлокообразное сплетение распределенных в массе коллоидных частиц (мельчайших кристалликов), покрытых пленочной водой и соединенных водными капиллярными контактами. Эту массу можно, учитывая содержание в ней воздуха, рассматривать как гель, который также может принимать разнообразную форму, часто в виде цепочек и игл. Полностью упругими являются кристаллическое образование сростка, но они взаимодействуют через гель. Коллоидные частички (кристаллики) последнего могут как угодно сближаться, но, как правило, не сливаются в сплошное тело новообразований. Их всегда разделяют несколько мономолекулярных слоев воды, через которые передаются силы сцепления и которые по причине высокой сорбции на комплексе по существу уже не обладают свойствами свободных водных молекул и характеризуются свойствами молекул комплекса. Отличительной особенностью воды в этих слоях, однако, является то, что при сжатии системы она из капиллярного контакта пластически медленно выдавливается, способствуя дальнейшему сближению частиц. В условиях высокой влажности число слоев воды в контакте может увеличиваться, достигая более ста.
Высказанные А. Е. Шейкиным взгляды о физической природе ползучести вызывают следующие замечания:
а) созданное представление носит сугубо общий характер и не дает необходимых данных для расчетов, поскольку не затрагиваются физические свойства и взаимодействия различных компонентов затвердевшего цемента;
б) предположение о том, что пластические деформации цементного камня определяются упругим сопротивлением кристаллического сростка объемному сжатию или растяжению от усадки гелевой составляющей, не могут дать объяснение фактически имеющимся большим пластическим деформациям усадки и ползучести бетона.
Р. Лермит в результате рентгенографического исследования структуры затвердевшего цементного камня дифракционным отображением и с помощью электронного микроскопа установил, что цементный камень образован из мельчайших кристалликов размером 50—200 А (ангстремов), которые взаимно связаны химически и окутаны оболочками из адсорбированных молекул воды, образуя так называемый гель. Кроме того, некоторое количество воды содержится в виде пластинчатых вкраплений в структуре исходных клинкерных материалов. Таким образом, в сформированной структуре обязательно содержатся поры, наполненные или не наполненные водой. Всякое изменение содержания этой воды должно вызывать (и вызывает) пропорциональное изменение объема всего скопления, а поры должны: наполняться водой или высыхать, заменяя воду воздухом. В состоянии устойчивого равновесия влажный воздух и адсорбированная вода разделены слоем, составляющим одно неразрывное целое со связанной водой, содержащейся в скоплениях мелких частиц, и с водой внутри отдельных кристаллов (цеолитовой водой). Этот слой находится также в равновесии с влажным воздухом или с водой, удерживаемой капиллярным натяжением в порах. Когда капиллярное давление возрастает или воздух становится более сухим, свободная энергия воды, заключенная в порах, уменьшается и скопление мелких частиц стремится восстановить равновесие, уступая часть своей воды окружающей среде через разделительный слой. Отсюда Р. Лермит заключает, что уменьшение объема может быть пропорциональным одновременно и количеству испарившейся воды, и количеству гидратированного цемента.
Такое представление о структуре совпадает с капиллярной теорией структуры бетона Э. Фрейсине о том, что капиллярные силы воспринимаются твердым скелетом цементного камня, в порах которого содержатся вода и влажный воздух, находящийся в равновесии с влагой воздуха среды, окружающей бетон.
Помимо предельной сжимаемости или предельной растяжимости целесообразно учитывать еще долговременную сжимаемость или долговременную растяжимость бетона, т. е.
такую деформацию ползучести, А. Е. Шейкин представляет затвердевший цементный камень в виде кристаллического сростка новообразований, который является как бы
скелетом цементного камня, заполненным другими новообразованиями мелкокристаллических размеров, одетыми в водные оболочки и рассматриваемыми как типичные гели.
Поскольку кристаллический сросток образован непосредственным срастанием кристаллов, он представляет собой твердое тело с совершенной упругостью и высоким
сопротивлением пластическому сдвигу. Гелевая составляющая структура имеет весьма невысокий предел упругости, и процесс ее разрушения происходит при больших
пластических деформациях.
В процессе гидратации цементных зерен вглубь и при отдаче механически удерживаемой влаги в более сухую атмосферу гель начинает отдавать пленочную воду, в результате
чего он уменьшается в объеме и увлекает в своем сокращении кристаллический сросток, вследствие чего в геле возникают растягивающие, а в сростке — сжимающие
напряжения. Общее изменение объема тела характеризует усадку. При нагружении затвердевшего цементного камня усилия передаются равномерно обоим составляющим
структуры. Затем гелевая составляющая начинает пластически деформироваться, вызывая постоянную разгрузку геля и догружение кристаллического сростка. В связи с этим происходит дальнейшая деформация структуры, которая протекает длительное время, постепенно затухая. Полученная пластическая деформация называется ползучестью бетона.