Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях


Влияние влажности бетона на его прочность

Н. Н. НЕДЕЛЯ, канд. техн. наук (НИИЖБ)

Снижение прочности бетона на 20— 50% с ростом влажности (см. рис. 1) происходит, по мнению большинства исследователей [1], в соответствии с механизмом адсорбционного понижения прочности, предложенным для твердых тел в работе [2].

В первой публикации по этому вопросу (1947 г.) понижение прочности связывалось с двумерным давлением кономолекулярного слоя адсорбированного вещества, которое развивает клинозидные микрошели при постоянстве внешних усилий [2]. Согласно одной из последних публикаций (1979 г.), атомы жидкой среды, обладающие миграгтонной подвижностью, проникают в точу микрошели, компенсируют сбнажаются связи, что вызывает рост трещины. Для полного проявления эффекта необходимы небольшие массы здеорованного вешества — достаточно моноодоя на поверхности главной трещины [2]. Наглядно это положение представлено в работе [1]: прочность цементного камня снижается только до насыщения монослоя воды.

Однако прочность бетона [3], цементного камня и раствора непрерывно уменьшается с ростом влажности среды не только от 0 до 20%, когда формируется монослой воды на внутренней поверхности цементного камня, включающей и поверхность трещин [4], т и от 20 до 100%. Емкость моно-слоя соответствует следующим значениям влажности исходного и пропитанного цементного камня и раствора; 117=3.5. 2 и 2,5% (рис. 2). Монослой воды вызывает менее : половины полного снижения прочности (см. рис. 1). В связи с этим можно допустить, что снижение прочности бетона : под действием воды не охватывается ; целиком механизмом адсорбционного понижения прочности. Один из возможных механизмов основан на модели цементного камня, предложенной нами ранее [4]. Цементный камень в первом приближении можно рассматривать как пористый сросток слоистых пластинчатых кристаллов гидросилнкатов кальция, обозначаемых С—S—Н цементного камня. Срастание кристаллов в сросток, т. с. образование фазовых кристаллизационных контактов между ними, происходит в результате взаимодействия катионов кальция (Са2+) с отрицательно заряженными поверхностными атомами кислорода (О) двух соседних кристаллов, т. е. благодаря мсжкристаллическим связям О—Са—О (рис. 3). Применяя к этой модели цементного камня представления о структурных уровнях [5], можно рассмотреть носителей прочности бетона на различных структурных уровнях: бетон—>-раствор->-цементный камень-т-гидратнрованная масса->-сро- стки кристаллов С—S—Н-т-межкристаллические контакты О—Са—0- межкристаллическне связи О—Са—О. При таком подходе снижение прочности бетона под действием воды возникает вследствие ослабления межкристаллических связей О—Са—О.




С увеличением числа молекул воды, координированных межкристаллическими катионами Са24 до максимального значения, равного 7, прочность мсжкристаллпческих связей О—Са—О снижается, а длина растет (см. рис. 3; рис. 4). Это происходит постепенно при подъеме влажности среды от 0 до 100% [4]. Координация молекул воды атомами кальция и снижение прочности связи обратимы: при снижении влажности среды от 100 до 0% число молекул воды уменьшается от 7 до 0, а прочность связи растет (см. рис. 3 и 4).

Зависимости прочности бетона [3], раствора и цементного камня от их влажности, полученные из эксперимента (см. рис. 1), и зависимость прочности межкристаллпческой связи О—Са—О от числа координированных катионом кальция молекул воды, рассчитанная по правилу Полинга (см. рис. 4), аналогичны: прочность снижается непрерывно по мере повышения влажности материала и с ростом числа молекул воды. Прочность снижается нелинейно — в основном в области низких влажностей материала и малых чисел молекул воды, в обоих случаях снижение прочности имеет предел и оно обратимо. Хорошее качественное согласие свидетельствует в пользу того, что предлагаемые представления достаточно верно выражают физическую природу снижения прочности бетона с ростом влажности.

В области влажности среды от <р = = 50...60% до <р=100% в сердцевинах мезопор (1,5 нм<г<10 нм) цементного камня имеется капиллярная вода [4], приводящая к появлению круто поднимающегося участка на изотермах сорбции и десорбции воды, сменяющего прямолинейный участок (см. рис. 2). Капиллярная вода повышает прочность цементного камня и является причиной возникновения максимума на кривых R = i( 1К) [1]. Этот максимум исчезает, если капиллярные силы невелики, что отмечается, например, в цементном камне, поры которого в основном заполнены полимером (см. рис. 1).

Основываясь на изложенных представлениях, а также на термофлуктуационной теории разрушения твердых тел, можно представить роль воды в процессе разрушения бетона следующим образом. Растягивающая механическая нагрузка, приложенная к сухому бетону, распределяется между носителями его прочности — межкристаллическими связями О—Са—О — так, что на большинство связей приходится среднее растягивающее напряжение, а на некоторые связи — напряжение, превосходящее среднее в десятки раз. Максимально перенапряженными могут быть меж- кристаллические связи в обычных меж- кристаллических контактах по всему объему образца, и в частности в вершинах уже имеющихся микротрещнн. Эти связи разрываются под . действием термических флуктуаций энергии. Вокруг каждой разорванной связи возникает много разрывов (100—1000), создающих одну субмикротрещину (размером не более 10—100 нм). Со временем в нагруженном образце субмикротрещины, проходящие в основном по межкристаллическим контактам О— —Са—О, появляются по всему объему. Их концентрация в 1 см3 растет и в предразрывном состоянии достигает огромной величины (в случае использования полимера —10,е—1017). Субмикротрещины, сливаясь, образуют трещины большего размера. Такое объединение трещин происходит до тех пор, пока образец не окажется разорванным на части.

Во влажном бетоне под действием воды прочность каждой межкристаллической связи О—Са—О снижена, а длина увеличена. Такое действие сорбированной воды подобно растягивающей механической нагрузке, которая удлиняет и ослабляет межатомные связи и может быть названо «сорбционная нагрузка» [4]. Благодаря сорбционной нагрузке концентрация максимально перенапряженных межкристаллических связей О—Со—О и возникших от их разрывов субмикротрещии, необходимая для разрушения бетона, достигается при меньшей механической нагрузке, т. е. прочность влажного бетона оказывается ниже.

Бетон и железобетон, избранные статьи - 1983 г.

??????????

??????? ?.?., ??$B!`(B?????? ?.?., ??????? ?.?., ?????????????? ???????????

?????? ?.?., ???????????? ??????????? ?????????? ????????????

?.?. ???????, ????????????? ???????????

?.?. ???????, ???????? ?????? ?? ??????? ???????????

?. ???????, ????????$B!`(B????? ???????????? ???????????

???????? ?.?., ??????????? ?.?., ???????? ?.?., ???????????????? ?????????? ???????????

?.?. ???????, ?????????? ???????????

?.?. ?????????, ?. ????, X. ???????, ????? ???????????? ?????

?.?. ???????, ?????? ???????

?????? ?.?., ??????????: ??? ??? ???????? ? ??? ??? ??$B!`(B?????

?. ????????, ???????????? ????????????? ???????????? ??????

?.?. ???????, ?????????????$B!`(B????? ?????????

?.?. ???????, ????????? ??????????$B!`(B?????? ? ?????????????????? ?????????????

??????????$B!`(B????? ??????????. $B!_(B. I. ?????? ???????

??????????$B!`(B????? ??????????. $B!_(B. II. ??????????? ???????

???????????? ??????????$B!`(B????? ?????

?.?. ???????, ??????????$B!`(B????? ??????????

?. ?. ????, ????????????????

????????????$B!`(B????? ??????????????? ???????

????????????? ?????????????? ???????

????? ? ???????????, ????????? ??????

??????????? ????????? ? ??????????? ???????? ??????????