А. В. ВОЛЖЕНСКИЙ, д-р техн. наук, проф. (МИСИ), Зависимость долговечности бетонов от дисперсности портландцемента, его концентрации и абсолютных объемов компонентов твердеющей системы

Еще в конце XIX в. применение бетонов на портландцементе выявило их существенный недостаток, вызванный объемными деформациями, отражающимися на их долговечности. Исследования этих явлений во многих странах выявили разные причины их возникновения как физико-химической (гидратация свободных оксидов кальция и магния в цементах, образование гидросульфоалюмината кальция — эттрингнта), так и физической природы (изменение объемов бетонных элементов при колебаниях влажности, замерзании, оттаивании и т. д.).

При рассмотрении затвердевших вяжущих изучали свойства твердой фазы без ее связи с пористостью системы. При этом считается, что чем ниже водовяжунке отношение, тем меньше пористость камня, выше плотность и долговечность.

Исследования, проведенные в МИСИ в течение последних лет, показали, что объемные деформации неорганических вяжущих с водой в большой мере обусловлены концентрацией их по массе в исходной смеси, а следовательно, зависят от водовяжхщего отношения (В/В =0,05... 1,0).

В структуре образующегося камня присутствует твердая фаза, включающая негидратироаанные частички (до момента их полной гидратации) и частички гидратов с пустотами между ними.

Минимальные объемы пустот для каждого вяжущего в зависимости от тепловлажностных условий твердения строго индивидуальны по отношению к абсолютному единичному объему частичек гидратов. Например, объем пустот между частичками СзАНс, образующегося при нормальных условиях, равен 0,8 объема частичек гидрата. Объем пустот между частичками Са504-2Нг0, образовавшегося CaSO4-0,5H2O при нормальной температуре, равен 0,19 объема твердой фазы. Тот же объем пустот эттрингита составил 0,9...1,0 абсолютного объема их единичных частичек. В портландцементном камне частички гидратов окружены пустотами с объемом 0,38...0,4 их абсолютных объемов.

При объеме пустот меньше минимального дальнейшая гидратация частичек исходного вяжущего прекращается или протекает в медленном темпе (у портландцементов до 6...8 лет) в зависимости от интенсивности их когезионного взаимодействия. Если гидратация (даже замедленная) продолжается с образованием новых частичек с минимальными пустотами между ними, то это может происходить только в результате расширения сложившейся структуры. Например, гидратация С3А при В/В = = 0.52 (раствор 1:1,6) через 15 сут приводит к увеличению исходного объема образков, трещинообразованию и низкой прочности. Лишь смеси с В/В = 0,78 и 0,91 не обнаруживают дефектов, имеют прочность при сжатии 2,5 и 2 МПа, Важно отметить, что стехиометри- чески на полную гидратацию требуется 40 % воды.

Это приводит к выводу о том. что устойчивые во времени затвердевшие вяжущие должны синтезироваться при строгом учете оптимальной возможности размещения в исходном объеме смеси частичек гидратов совместно с минимальными по объему пустотами, присущими данному вяжущему. Для этого устанавливают оптимальную концентрацию вяжущего по массе в исходной смеси, соответствующую значению В/В по формулам:


Абсолютная объемная масса гидратов определяется объемом пор в образцах, изготовленных из смеси вяжущего с водой при стехиометрическом В/В и хранящихся над водой (или в воде) до резкого замедления процессов гидратации.

Объемные деформации и прочность смесей затвердевших вяжущих, изготовленных е пониженной концентрацией В/В по сравнению с оптимальной, подчиняются общеизвестному закону о зависимости, свойств от В/В.

Объемные деформации систем, изготовленных с повышенной концентрацией вяжущего по сравнению с оптимальной, прямо зависят от степени ее увеличения, продолжительности твердейия, специфических свойств вяжушего и удельного давления при прессовании образцов. При этим наблюдаются переходы к безусадочным системам, в которых расширение компенсирует усадочные деформации, обусловленные концентрацией и высыханием.слабо и сильно расширяющимися в пределах от 2.. 5 до 12... 15 мм м. N равных вяжущих продолжительность процессов объемных деформаций изменяется в широких пределах, что зависит от разных факторов и в первую очередь от степени снижения В/В по сравнению с оптимальным. Так, начальные объемные деформации портландцементных композиций обнаруживаются через 7...28 сут, а и5 прочность начинает снижаться через 13 г.

В сильно уплотненных исходных смесях (прессованием л од удельным давлением 100...200 МПа) деформации могут резко замедлиться или полностью затухнуть при превышении сил физического сцепления частичек вяжущего над силами, возникающими при образовании гидратов.

Примечательно явление «самоспасения» САНю в его постепенном переходе в СгАН, сопровождающееся уменьшением твердой фазы в 1,5 раза в результате частичного выделения воды в жидкую фазу. Если образование СгАНе не приводит к полной дестабилизации системы, то переход САН в СзАН идет с резким ухудшением целостности системы при уменьшении абсолютного объема твердой фазы в 2,11 раза.

Реакция карбонизации гидроксида кальция, в частности, в цементном камне при действии углекислоты, содержащейся в воздухе, привлекает внимание исследователей до настоящего времени. Так, Т. Пауэрс в докладе на IV Конгрессе по химии цемента отметил что механизм усадки ит карбонизации все еще неясен. Казалось бы, увеличение молярной массы карбоната кальция в системе должно приводить к значительному увеличению абсолютного объема твердой фазы, но выделение при этой реакции воды и образование СаСОз с истинной плотностью 2,85 г/см3 сводит эффект карбонизации по абсолютному объему новой твердой фазы к ее увеличению лишь на 6 %. Это можно объяснить тем, что СА(ОН)г в объеме цементного камня включен с большими пустотами между частичками, в которых свободно размещаются частички СаСОз с резервом для усадки системы в целом.

Бетон и железобетон, 1993