Химическая усадка велика и проявляется особо интенсивно при схватывании и в первые часы твердения цемента. Так, например, усадка теста глиноземистого цемента за первые сутки достигает 0,7% начальной длины, а для портландцемента — до 1%. Усадка весьма значительная и при твердении цемента в воде, что осложняет работу строителей при заделке цементом швов, отверстий и стыков элементов. Если затем цементный камень поместить в сухую атмосферу (т. е. создать условия высыхания бетона), проявляется физическая усадка. При хранении цементного камня во влажных условиях и в воде будут происходить физическое набухание цемента и некоторое увеличение объема образца. Когда жидкая фаза затвердевшего цементного камня находится в равновесии с влажностью окружающего воздуха, никаких изменений в объеме цементного камня не происходит и взаимодействие между коллоидными образованиями цементного камня регулируется взаимодействием их в капиллярных контактах. Усадка бетона является самопроизвольной деформацией, и размеры ее зависят от многих причин, однако для зрелого цементного камня и бетона, в котором процессы гидратации прошли глубоко в зерна цемента и практически прекратились, эта деформация прямо зависит от влажного состояния среды, окружающей бетон. Усадка характеризуется потерей или приобретением бетоном влаги, что математически описывается в технике различно, однако может быть представлена в виде графика, из которого видно, что, какова бы ни была структура цемент-ного камня, всегда в воде бетон разбухает (расширяется), а на воздухе в зависимости от относительной влажности среды р претерпевает усадку (сокращается в объеме), причем чем старше бетон, тем в большей степени процессы разбухания и усадки обратимы. Этот простой закон усложняется при наблюдении усадки в период развития в цементном камне процессов гидратации и етруктурообразования, а именно: при изменении влажностного режима среды после хранения бетона в воде, т. е. с момента начала высушивания до стабилизации усадки, проходит много времени, в течение которого развиваются процессы гидратации, изменяется структура цементного камня. Это сказывается при новом погружении бетона в воду невозможностью вернуть его к первоначальному объему и весу.
Располагая в системе преимущественно чистыми алюминатными и ферроалюминатными соединениями, представляется возможным, изменяя количество воды затворения, вид механических воздействий и температуру среды, строить и перестраивать структуру цементного камня, чтобы получить наибольшую прочность.
2) Объемные деформации усадки и разбухания цементного камня. Причины
водопроницаемости бетона. Создание водонепроницаемого расширяющегося
цемента (ВРЦ)
При схватывании и твердении большой части известных цементов происходит уменьшение объема гидратируемого вяжущего, так как молекулы воды, входящие в состав гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, расположены значительно плотнее, чем в свободном состоянии. Поэтому начальный объем цементного теста [Ц+В+в] в процессе гидратации уменьшается до Цг—объем гидратированного цемента;
В г —вода гидратации этого цемента; в — воздух;
к — коэффициент, характеризующий увеличение удельного веса новообразований по отношению к удельному весу клинкерных соединений.
Таким образом, объемные деформации бетона характеризуются, во-первых, химической усадкой при гидратации, поскольку к1, и, во-вторых, потерей части свободной влаги бетона В случае ее испарения в более сухую атмосферу, что является физическим фактором.
Метод вибропрессования бетона, принятый в Советском Союзе с доследующим герметизированным прогревом его под давлением при температуре 140—150° С целиком основывается на быстром получении подобной, очень прочной структуры.
Выше отмечено, что в период формирования структуры цементный клей состоит преимущественно из алюминатных или ферроалюминатных гидратных соединений, образующих начальный довольно развитый каркас или сросток переплетений, который сам по себе не может существенно влиять на прочность цементного камня, но в значительной степени предопределяет равномерное распределение гидратированных силикатов во всем объеме цементного клея и препятствует их укрупнению, что и приводит к последующей высокой прочности цементного камня. Последняя может быть еще повышена, если в процессе формирования структуры систематически разрушать ее механическими воздействиями, например вибрированием. В этом случае происходит раз-рушение многих связей каркаса, которые быстро вновь восстанавливаются, но уже в более плотном строении, в результате чего при его прорастании гидросиликатами создается структура цементного камня с более мелкими зернами. На этом принципе основан ряд предложений о виброперемешивании, виброштамповании, вибропрессовании и т. д.
Подача воды извне может продолжить в известной мере гидратацию, но ке надолго. Центральные зоны зерен C3S, и особенно C2S, остаются навсегда составленными из клинкерных солей, как это было описано В. Н. Юнгом.
Если бы в массе цементного теста не было воздушных пузырьков, то каждая пазуха между несколькими (обычно между 5—6) зернами- цемента была бы заполнена водой и в ней свободно могли бы перемещаться ионы гидратированных веществ, образуя единый кристалл больших размеров (так как ничто не препятствовало бы их свободному перемещению в потоке теплового движения молекул жидкости). Когда же пазуха заполнена воздухом, то ионы могут выбрасываться на поверхность раздела цементный клей — воздух, и в результате на этой поверхности, в зоне каждой пазухи, создаются ус-ловия для образования большого числа центров кристаллизации, и в зоне цементного клея возникает весьма дисперсная структура цементного камня, состоящая из разветвленного каркаса — сростка гидратированных алюминатных и ферроалюминатных соединений, заполненного (до отказа) коллоидной структурой гидросиликатов кальция. Некоторые советские и зарубежные ученые (М. Н. Стрелков, А. Грудемо) справедливо утверждают, что гидросиликаты обычно при малом водосодержании цементной массы не могут вырасти в кристаллы больших размеров. Однако это относится только к условиям твердения при температуре до 100° С. При более высокой температуре, особенно выше 140° С, даже в системах с очень малым количеством воды затво-рения гидросиликаты кальция кристаллизуются в переплетение тонких игл тоберморита большой длины, наподобие асбестовых волокон, чем и объясняется высокая механическая прочность подобного цементного камня.
В результате постоянного отсоса воды в направлении гидратирующегося комплекса клинкерных солей в зоне распределения цементного клея (новообразований) происходит всестороннее сжатие, и отдельные зерна новообразований сближаются, испытывая энергичное действие молекулярных сил, обусловленных взаимодействием частиц в- местах капиллярных контактов. Поверхностное натяжение капиллярных контактов в свою очередь способствует сближению частиц новообразований. Равновесие в капиллярных контактах определяется силами капиллярного стягивания частиц и силами молекулярного отпора (отталкивания) гидратных соединений, действующих через тонкие слои водных оболочек между частицами. Под влиянием сил стягивания гидратированные молекулы воды, уже потерявшие свободу перемещения и закрепленные на частицах молекулярными силами, постепенно выдавливаются из контакта, уплотняются и часто заменяются непосредственным взаимодействием гидратных соединений частиц новообразований.
В итоге образуются цепочки, иглы, палочки и рыхлые сростки коллоидных частиц новообразований, слившихся воедино или сцепленных мономолекулярными силами воды.
По мере гидратации C3S и C2S отсос воды к ним становится затруднительным, пленка свободной воды утоняется, и, наконец, гидратация солей клинкера приостанавливается задолго до исчерпания всех запасов этих солей.