Деформация бетона в процессе твердения
Структурообразование и твердение бетона сопровождается изменением его объема. К объемным деформациям такого рода относятся контракция, усадка и набухание, температурные деформации.
Контракция — это явление сжатия системы «цемент+вода» в процессе их взаимодействия. В результате общий объем системы уменьшается, так как объем новообразований — кристаллогидратов — меньше, чем сумма объемов реагирующих веществ в результате повышения плотности химически связанной воды. Во всем объеме в процессе твердения возникают контракционные поры, поэтому внешний объем твердеющего цементного камня и бетона практически не изменяется. Для обычных цементов предельная контракция равна 7 ... 9 см3 на 100 г цемента, что к 28-суточному возрасту составляет 5... 8% объема цементного камня. При твердении бетона в герметичной форме в условиях, исключающих внешний массообмен, контракция вызывает внутриобъемный вакуум.
На объемные изменения твердеющего цементного камня и бетона может влиять также и капиллярная контракция — отрицательное капиллярное давление в жидкой фазе, находящейся в порах и капиллярах. Это давление вызывает усадку свежеотформо-ванного бетона в начальный период, когда бетон обладает еще только пластической прочностью.
Усадка твердеющего цементного камня и бетона является следствием удаления воды из системы при отсутствии гидрометрического равновесия с окружающей средой, что приводит к уменьшению объема системы. Влажностная усадка вызывается рядом причин, основными из которых являются испарение воды из капилляров цементного камня с радиусами не менее 100 нм и удаление адсорбционно-связанной воды из тоберморитового геля.
В исследованиях проф. А. Е. Шейнина рассматривается типовая кривая усадки цементного камня, моделирующая процесс ее развития. Точка Л в начале координат соответствует максимальному влагосодержанию цементного камня, предварительно твердевшего 28 сут в воде. При высыхании сначала удаляется влага из крупных капилляров и пор (г>100 нм), что вызывает усадку. Эти капилляры и поры заполняет свободная вода, которая испаряется при любой относительной влажности воздуха. Испарение воды из пор и капилляров с радиусами г< 100 нм возможно при снижении относительной влажности воздуха: чем она ниже, тем меньше радиус капилляров, в которых образуются мениски, и тем выше капиллярное давление, вызывающее всестороннее сжатие цементного камня и, следовательно, усадку (участок ВС на кривой). При дальнейшем уменьшении относительной влажности воздуха значительная часть капилляров обезвоживается, мениски исчезают и капиллярные силы прекращают действовать. При этом возможно даже объемное расширение цементного камня вследствие упругого восстановления структуры, что соответствует на графике участку CD. В точке D начинается гелевая усадка.
После удаления из цементного камня и бетона капиллярной влаги, когда восстанавливается воздушно-сухое состояние, испаряется адсорбционно-связанная влага. Чем ниже влажность и выше температура окружающего воздуха, тем больше испаряется адсорбированной влаги; при этом субмикрокристаллы сближаются. На кривой усадки последний участок EF соответствует периоду испарения межплоскостной воды из гидросиликатов кальция (тоберморитового геля).
Полная (конечная) усадка цементного камня, высушенного до абсолютно сухого состояния, определяется в основном усадкой тоберморитового геля, так как усадка, вызванная действием капиллярных сил, обратима.
Усадочные деформации вызывают внутреннее напряженное состояние в бетоне: в заполнителях и арматуре возникают сжимающие напряжения, а в цементном камне — растягивающие. В общем это положительно влияет на степень монолитности и прочность бетона, так как увеличивается сцепление между элементами его макроструктуры. Однако при высокой интенсивности удаления влаги из бетона возникают значительные градиенты в распределении влажности по сечению бетона, и в поверхностных его слоях образуются усадочные трещины и другие дефекты структуры, снижающие прочность бетона и его стойкость в агрессивной среде. Особенно опасны усадочные трещины в защитном слое железобетонных конструкций. Кроме того, усадка бетона снижает эффективность предварительного натяжения арматуры.
На величину усадки цементного камня и бетона влияют многие факторы: вид и минералогический состав вяжущего, тонкость помола и содержание в бетоне, водоцементное отношение, условия твердения бетона (температура и влажность воздуха). Увеличение содержания заполнителей в бетоне уменьшает усадку. Так, линейная усадка цементного камня составляет до 3 мм/м, а бетона — 0,15... 0,3 мм/м. Введение в бетонную смесь тонкомолотых добавок увеличивает усадку. Пропаривание и автоклавная обработка бетона значительно (на 50... 100%) снижает усадку в дальнейшем при эксплуатации конструкций.
Усадха бетона является частично обратимым процессом — при погружении бетона в воду несколько увеличивается его объем (происходит набухание), однако деформация набухания значительно меньше деформации усадки. Развитие как усадки, так и набухания во времени носит затухающий характер.