Деформации цементного камня, раствора и крупного заполнителя при раннем замораживании бетона
При замораживании в раннем возрасте в бетоне могут возникнуть большие структурные изменения, в результате чего значительно ухудшаются его основные физико-механические свойства. При этом также имеют место значительные объемные деформации составляющих бетон материалов, что, по- видимому, оказывает большое влияние на формирование структуры бетона, а также на его основные свойства.
В последние годы метод измерения деформации бетона стал все шире использоваться при объяснении кинетики структурных нарушений в бетоне при его тепловой обработке или при воздействии отрицательных температур. Получены новые сведения о физических процессах, происходящих в бетоне, подвергающемся совместному воздействию температуры и влажности.
В то же время очень мало данных о деформациях составляющих бетон материалов и о их влиянии на формирование структуры бетона в различных температурно-влажностных условиях, в частности о деформациях цементного камня, раствора н Крупного заполнителя при раннем замораживании бетона. Это было вызвано отсутствием необходимой методики исследования и аппаратуры, которая позволила бы с большой точностью измерять температурные деформации составляющих бетой материалов.
В наших опытах для этой цели использовался среднетемпературный дилатометр, разработанный во Всесоюзном научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений. Дилатометр с кинематикой П. Г. Стрелкова позволяет изучать изменение линейных размеров образцов при колебании температуры от +100 до —100°С. Схема прибора дана на рис. 1. На плоском полированном столике устанавливают образец, на который помещают накладку из плавленного кварца. В нее упирается стержень-толкатель, изготовленный также из кварца. На другом конце толкателя закреплен миниатюрный магнит, который соприкасается своей полированной поверхностью с роликом. На ролике закреплено зеркальце.
Деформации образца передаются через кварцевую накладку толкателю, а последний повертывает ролик с зеркальцем. Следует подчеркнуть, что проскальзывания магнита по ролику не происходит. Ролик получает вращательное движение, поворачивая закрепленное на нем зеркальце., Изображение светового указателя перемещается в фокальной плоскости автоколлимационион грубы. Оно измеряется окулярным микрометром в делениях барабана. Пели отсчет удлинении превышает шкалу микрометра (800 делении чю барабану), световой указатель возвращается на нуль с помощью специального тшта.
Исследовались образцы высотой 30 мм н поперечным размером до 20 мм нз цементного камня, раствора, крупного заполнителя и арматуры.
В первой серни опытов образцы нз цементного теста нормальной густоты изготавливались из портландцемента марки 400 Воскресенского завода и особо быстротвердеющего цемента марки 600 Здолбуновского завода. Образцы в инваровых формочках в возрасте 12, 16 и 20 ч устанавливались в измерительную камеру дилатометра, в которой охлаждались до —25°С со скоростью около 20 град/час.
На рис 2 (приведены результаты измерении деформаций цементного камня. Из этих данных видно, что независимо от времени предварительного твердения с понижением температуры от +25°С до —5 — 7°С наблюдаются деформации усадки цементного камня.
При дальнейшем понижении температуры вновь наблюдаются деформации усадки цементного камня.
Различие в деформациях образцов, замороженных в раннем возрасте, зависит от водосодержания цементного камня в момент воздействия отрицательных температур. В цементном камне, замороженном в более раннем возрасте (через 16 ч), большая часть воды находится в свободном состоянии и очень быстро переходит в лед. С увеличением времени предварительного твердения в процессе гидратации цемента все больший объем воды связывается химически, а значительная часть ее переходит в физически прочно связанную,.замерзающую три более низких температурах.
Относительное количество воды, переходящей в лед при замораживании предварительно твердевшего бетона, значительно меньше, чем при замораживании свежеуложенного бетона. При замораживании бетона сразу после изготовления в лед переходит около 95% всей воды ври температуре —10°С, а при замораживании быстротвердеющего бетона, выдержанного в течение 1—3 дней в нормальных условиях, в лед при —26°С перешло только 69—70% содержащейся воды [4].
Во второй серии опытов па портландцементе марки 400 завода «Гигант» л БТЦ марки 400 Воскресенского завода изготавливались образцы нз цементного теста нормальной густоты и раствора с ВЩ=0,4. Через ча-с после изготовления образцы замораживались при телтературе —10°G в измерительной камере дилатометра.
Как видно нз рис. 4, характер деформаций, происходящих при замораживании раствора, аналогичен изменениям линейных -размеров образцов цементного теста. Однако максимальная величина относительных деформаций расширения, вызванная фазовым переходом воды в лсд, в растворной составляющей значительно меньше. Так, например, при использовании быстротвердеющего цемента они составляли 13-10~4, а у образцов цементного теста, замороженного в аналогичных условиях, — 45 -10-4. Это вызнано, видимо, также меньшим водосодержанием растворных образцов по -сравнению с образцами цементного камня.
При замораживании растворных образцов через 1 ч после затворения не отмечалось большой разницы между деформациями обычного и быстротвердеющегo цемента.
Деформации образцов крупного заполнителя при отрицательных температурах измерялись с использованием гранитов Академического карьера известняков Академического, Веневского и Пятовкого карьеров (рис. 5). Как видно из рис., по мере понижения температуры наблюдается уменьшение размеров образцов. Однако для известняковых заполнителей это явление справедливо лишь до температуры —30°С, после чего в линейных изменениях образцов происходят некоторые аномалии.
Например, у известняка Академического карьера в интервале температур —30—50°С наблюдается некоторое увеличение размеров образца. При дальнейшем понижении температуры до —70°С вновь отмечается уменьшение линейных размеров. У известняка Веневского Карьера также отмечается небольшое увеличение размеров образца при температурах —30—40°С, но оно значительно меньше, чем в первом случае, — всего 0,35-10-4. Образец известняка Пятовского карьера в этом температурном интервале имеет лишь некоторый перелом в кривой Ътносительных деформаций.
Деформации образцов заполнителей из гранита в исследуемом температурном интервале изменяются практически по прямой линии. Заполнители из рассматриваемых гранитных пород имеют максимальную величину относительных деформаций, и два и более раза превышающую аналогичные величины известняковых пород, из которых наибольшая наблюдалась у известняков Вепепекого и Пятовского карьеров.
Уменьшение -величины деформаций при замораживании цементного камня или раствора (например, увеличение времени предварительного твердения, использование быстротвердеющих цементов н т. д.) приводит к наименьшим структурным нарушениям, происходящим как в цементном камне н растворе, так н в зоне нх контакта с крупным заполнителем.
Последования бетона, замороженного сразу и через 4 ч после его изготовления, показали, что потери его прочности па изгиб особенно велики. Электронно-микроскопическим исследованием обнаружено большое количество следов разрушения в зоне контакта между крупным заполнителем и растворной частью бетона.
При замораживании бистротвердеющего бетона через 8—16 ч после его изготовления разница в деформациях между растворной частью и крупным заполнителем становится незначительной, потерн прочности сцепления раствора с крупным заполнителем также невелики, а разрушений в контактной зоне практически не обнаружено.
Особенно велики потерн прочности сцепления бетона с арматурой при замораживании бетона его изготовления. В этом -случае разница в деформациях между арматурой и растворам весьма существенная (см. рис. 4). Очевидно, на определенной стадии структура бетона достигает такой степени упрочнения, что оказывает несколько большее сопротивление не только передвижению воды к центру кристаллизации, но и задерживает рост кристаллов льда. Возникает большое количество мелких кристаллов льда, которые уже не в состоянии создать условия для возникновения больших местных деформаций и сильно разрушить структуру бетона. Это должно оказаться и на физико-механических свойствах бетона—прочности, водопроницаемости, морозостойкости и т. д. Поэтому стадию структурообразования бетона, по достижении которой бетон может быть заморожен без риска ухудшения его структуры и основных свойств, следует называть критическим возрастом. Она характеризуется завершенностью процессов гидратации, в результате чего основная масса воды связывается химически и физически, а оставшаяся часть свободной воды распылена в упрочняющей структуре бетона.
Как как бетон приготавливают па цементах различных марок, видов и минералогического состава, т. е. с весьма различной интенсивностью твердения в начальные сроки, то понятие «Критический возраст» находится в прямой зависимости от этих факторов. За последние 30—40 лег в связи с. увеличенном тонкости помола и активности выпускаемых цементов время достижения этой необходимой степени структурообразования постепенно сокращалось с 7 суток п 30-х годах до 3 суток в 40-х годах, а и случае применения быстротвердеющих и особо быстротвердеющих цементов составляет в настоящее время 1 сут.
Быстротвердеющий бетой достигает через 1 -сутки твердения в -стандартных условиях прочность, равную 35—40% -28. Такой бетон при замораживании теряет в ряде случаев не более 10—45% овоен прочности. Водонепроницаемость такого бетона, его сцепление-с арматурой после замораживания практически не изменяются по сравнению с бетоном нормального твердения.
Проведенные в последние годы в НИИЖБе работы [6] подтвердили эти данные, что позволило внести в СНиП некоторые изменения.
Выводы
Примененная в исследованиях аппаратура и методика позволяет получать достоверные данные о деформациях цементного камня, раствора и крупного заполнителя лр-и раннем замораживании бетона.
По достижении бетоном критического возраста деформации его растворной части значительно уменьшаются, пх разница с деформациями крупного заполнителя -снижается до минимума, что не вызывает нарушений в контактной зоне.
Бетон, замороженный в критическом возрасте, практически не имеет структурных нарушений, основные физико-механические свойства его не отличаются от свойств бетона, твердевшего в нормальных условиях.