Март 2011
И действительно, самонапряжение железобетона возможно лишь в том случае, если бетон сохраняет надежное сцепление с арматурой, жестко ее охватывает и действует на нее как твердое тело, деформирующееся с ней идентично и одновременно. Для такого воздействия на арматуру бетон должен обладать надлежащей прочностью и твердостью. Недостаточная прочность (в результате временного ее снижения) и развитие пластических свойств бетона приводят к тому, что изменение объема бетона не сопровождается заметным удлинением арматуры, т. е. происходит увеличение объема железобетона без самонапряжения, хотя прочность бетона в процессе дальнейшего его твердения в воде не только восстанавливается, но и значительно превосходит достигнутое до снижения значение. Отмечаемое — результат того, что в процессе быстрого расширения напрягающего цемента в нем возникают микроразрывы вследствие тормозящего действия заполнителей, которые не могут увеличиваться в объеме.
Попытки исключить возможность снижения прочности раствора (или бетона) приводили к такому составу напрягающего цемента (НЦ), который обладает меньшей энергией расширения, способной лишь к весьма незначительному самонапряжению. В связи с этим технология самонапряжения была существенно изменена.
Исследованиями установлено, что перекристаллизация C3A(CS)Hi2 в C3A(CS)3H32 в среде гидроокиси кальция замедляется с дальнейшим повышением температуры, а в то же время процессы гидратационного твердения C3S и C2S при такой температуре существенно ускоряются. Поэтому период разрушения структуры был передвинут назад, а период возникновения новых связей процесса растворения и гидратации силикатных материалов цемента — вперед. В результате установлен оптимальный режим тепловлажностной обработки раствора НЦ прогревам ,в воде при температуре 100° С (кипячение) в течение 6 ч при начальной прочности 160—200 кгсм2.
Нарушение механических связей между коллоидными частицами C2SH и CSH приводит лишь к ослаблению структуры, которая затем, после прекращения расширения, медленно залечивается в результате поставки ионов гидратированных силикатов кальция и появления новых связей. Для образцов в возрасте 15 дней это залечивание происходит очень быстро, и ослабление выражается лишь в кратковременном спаде прочности. Процессами разрушения структуры связей в результате перекристаллизации образования СзА(С5)3Н32 и образования новых связей в результате гидратационного твердения также можно управлять, передвигая периоды разрушения и восстановления, приурочивая их ко времени накопления силикатными новообразованиями больших прочностей и накладывая их друг на друга с целью стабилизации прочности. ное расширение и прочность порядка 500 кгсм2. Дальнейшее водное хранение образцов НЦ не дает дополнительного расширения, поскольку весь гипс расходуется в течение первых 2 ч прогрева в воде, и весь C3A(CS)HI2 перекристаллизировался в СЗА(С5)ЗНЗ2.
Однако прочность цементного камня все время возрастает за счет продолжающейся гидратации C3S и C2S портландцемента и сопровождается дальнейшим уплотнением системы. В результате прочность цементного камня достигает к 28 дням 1200—1300 кгсм2. При этом время прогрева системы, будь то 2 или 7 ч, не сказывается ни в какой степени на конечную прочность и расширение. Казалось бы, именно такой режим тепловлажностной обработки при твердении и следовало избрать для применения в конструкциях. Но при переходе от исследования цементного теста к растворам встретились следующие препятствия. Составы НЦ, дававшие прирост прочности при прогреве и расширявшиеся при этом до 6% в растворах, показали большое временное снижение прочности, иногда в 2—3 раза, что делало такие растворы практически непригодными для целей самонапряжения.
Нагревание системы позволяет не только избежать излишнего расширения цементного камня и возможного его разрушения, но открывает возможность для сокращения всех процессов, которые на графике представлены в виде сильно пологих кривых. Исследования показали, что достаточно прогреть цементный камень прочностью 200—300 кгсм2 в течение 2 ч при температуре 70—80° С, чтобы вызвать явление расширения всей системы без каких-либо признаков снижения прочности. На графике приведены показатели расширения и роста прочности НЦ, образцы которого через 18 ч после изготовления подвергали водному прогреву при температуре 80° С в течение 1, 2, 3, 5 и 7 ч (при начальной прочности в 200 кгсм2) с последующим водным хранением при температуре 20° С±3°. Во всех образцах, прогретых в течение 2, 3, 5 и.7 ч, посл первых двух часов прогрева в воде наблюдались 2%- C3A(CS)3H32 возникает на поверхности зерен гипса в виде тонких игл и оказывает давление на смежные новообразования вызывая нарушение связей в них. В результате такого роста структура новообразований нарушается, камень распадается на отдельные куски малых размеров. Такое поведение было у образцов цементного камня (см. рис. 3.9), погруженных в воду на 1, 3, 4 и 6 дней герметизированного хранения. Одновременно за счет CS перекристаллизовываются и нити. Если расширение системы при перекристаллизации не вызвало разрушения, хотя достигло чрезмерно большой величины, полный распад структуры не происходит.
Таким образом, затворение НЦ при малом количестве воды—главное условие получения в системе наибольшего количества C3A(CS)Hi2. подготовленного к перекристаллизации.
Если закрепленную таким образом систему поместить в водную среду, цементный камень жадно потянет воду, и в нем быстро будет происходить процесс перекристаллизации с сопутствующим ему расширением системы, поскольку процесс идет в закрепленных точках расположения гипса, который переходит в структуру оболочки вокруг него из C3A(CS)H 12 и вызывает перестройку этон структуры с поглощением воды. Таким образом, структура 3) Методы управления стадиями расширения и твердения цемента. Оптимальные дозировки глиноземистых соединений. Оптимальный тепловлажностный режим твердения. Механизм самонапряжения
Одним из важнейших факторов, влияющих и регулирующих процессы расширения и твердения цементного камня, является нагревание системы в период увлажнения. Под влиянием нагрева процессы гидратации силикатных составляющих цемента сильно ускоряются, поэтому восстановительные процессы идут быстрее и при определенной температуре не только не отстают, но и опережают процессы разрушения структуры. В этом случае в единицу времени восстанавливается столько же связей, сколько и разрушается, либо даже больше. Поэтому прочность цементного камня поддерживается на установленном уровне или даже нарастает в процессе расширения.
Эти переплетения, в начальный момент довольно рыхлые, постепенно уплотняются ионами и новообразованиями силикатных соединений кальция, которые кристаллизуются в пазухах алюминатного и сульфо- алюминатного каркаса. Особенностью образования кристаллов гидросиликатов кальция является то, что в среде с малым количеством воды они быстро приостанавливают развитие и не выходят в своем росте за пределы коллоидного размера. Жестокая борьба за воду между всеми реагирующими в коллоидной зоне цементного камня новообразования-ми скоро приводит к истощению ресурсов влаги и к земедлению гидратации исходных материалов цемента. Примерно в суточном возрасте естественного твердения в герметизированном состоянии (чтобы уберечь -новообразования от карбонизации) прочность цементного камня составляет 200—300 кгсм2, а коагуляционно-кристаллизационная структура цементного камня характеризуется существованием сильно разветвленного каркаса из переплетений сростков, сеток и иглообразных и нитеобразных структур гидросульфоалюминатов и цепочек гидроалюминатов кальция. Пространство, пронизанное этими соединениями, заполнено коагуляционной структурой в виде гидратированных силикатных образований, осколков распавшихся зерен цемента, продолжающих гидратироваться, и зернами гипса, покрытыми сплошной оболочкой из молекул.
Если НЦ затворять на большом количестве воды, образование ничем не будет сдерживаться, так как неограниченное количество ионов гидратирующегося СА глиноземистого цемента и постепенно подаваемое количество портландцемента, быстро взаимодействуя с гипсом в условиях сравнительно низкой концентрации ионов СаО, в этом случае реакции образования быстро идет до конца в самые ранние сроки твердения еще при низкой прочности цементного камня. При этом заметного самонапряжения системы не может быть и не наблюдается в действительности.