Усадка бетона

Собственные деформации бетона обусловлены влажностны-ми, температурными и иными воздействиями на бетон при отсутствии внешней нагрузки. Изменение влажности бетона может вызывать как уменьшение, так и увеличение его объема и, соответственно, линейные деформации усадки или расширения (набухания). Деформации расширения цементный камень и бетон проявляют при твердении в результате образования в определенный период развития кристаллизационной структуры расширяющегося компонента обычно в виде высокоосновной формы гидросульфоалюмината кальция-эттрингита. Наряду с применением специальных расширяющихся цементов расширяющиеся растворы и бетоны можно получать и на обычном портландцементе, вводя специальные добавки, например, алюминиевый порошок и др. Увеличение объема - набухание - имеет место при длительном нахождении образцов бетона в воде в результате развития осмотического давления в гелевидных массах. Набуханию бетона способствует также адсорбция воды цементным камнем, оказывающая некоторое расклинивающее действие и уменьшающая поверхностное натяжение материала.
Набухание бетона колеблется обычно через 6-12 месяцев хранения образцов в воде в пределах от 1 до 2x104. Дальнейшее выдерживание в воде не приводит к увеличению размера образцов.
Твердение бетона сопровождается контракционной и влажностной усадкой.
Контракция (стяжение) является следствием реакций химического взаимодействия минералов цемента с водой, в результате которых образуются гидраты, абсолютные объемы которых меньше чем суммарные объемы безводных минералов и воды, необходимой для гидратации. Контракция объясняется уплотнением химически связанной воды, а также воды в тонких адсорбционных слоях. Контракция зависит от минералогического состава цемента, степени гидратации цемента. Контракция ведет к Увеличению пористости и незначительно отражается на объеме бетона.
Контракционная усадка бетона в 5-10 раз меньше влаж-ностной, связанной с его высыханием.
Усадка бетона при изменении его влажности происходит в две стадии:
1) когда бетонная смесь находится в пластичном состоянии (пластическая усадка);
2) по мере твердения и высыхания бетона.
Пластическая, или первичная, усадка бетона происходит при выделении воды из бетонной смеси в результате се-диментационного осаждения твердых частиц, поглощения влаги опалубкой, в дорожных покрытиях - основанием и испарения.
Деформации интенсивно развиваются сразу после укладки и уплотнения бетонной смеси и затухают уже через 30-90 мин. Величина пластической усадки зависит от состава бетонной смеси и уменьшается при снижении водосодержания бетонной смеси, расхода цементного теста, применении тонкомолотых водоудерживающих добавок, создании жесткого «скелета» крупного заполнителя. В условиях сухого жаркого климата водо-потребность увеличивается с повышением температуры бетонной смеси. При ненадлежащем влажностном уходе и повышенной скорости испарения воды создаются условия для пластического тре-щинообразования. Пластическая усадка превышает в 5-10 раз усадку, развиваемую после схватывания цемента. Она усиливается с увеличением модуля поверхности конструкций, уменьшением степени армирования.
В наибольшей мере сказывается на поведении бетона в конструкциях влажностная, или гидравлическая, усадка, характерная по мере высыхания бетона. Уменьшение объема бетона в процессе его высыхания обусловлено прежде всего действием капиллярных сил, возникающих в цементном камне при испарении воды из капилляров и удалении межкристаллической воды, а также адсорбционно-связанной воды из тоберморитового геля. Механизм объемных изменений цементного камня зависит от влажности среды. При низкой влажности среды капиллярные силы становятся незначительными и усадка вызывается испарением межкристаллической воды, а при дальнейшей сушке и адсорбционно связанной воды геля.
Наряду с действием капиллярных сил, возникающих в цементном камне при испарении воды из капилляров с радиусом менее 107м, усадке способствует удаление адсорбционно-связан-ной воды на поверхностях кристаллов гидросиликатов кальция; последняя вызывает сближение субмикрокристаллов, проявление между ними ван-дер-ваальсовых сил и возникновение водородных связей.
Усадочные деформации вызывают в бетоне внутренние напряжения, особенно значительные при неравномерном высыхании конструкций и работе их в стесненных условиях. Они могут быть причиной разрывов в контактной зоне и растворной части бетонов и вызывать, особенно в сочетании с температурными напряжениями, появление трещин. Усадочные напряжения неблагоприятно влияют на морозостойкость, непроницаемость, усталостную прочность, вызывают потери предварительного напряжения при натяжении арматуры.
Общая усадка цементного камня обычно составляет от 3 до 5 мм/м, в бетоне она колеблется в основном от 0,2 до 0,4 мм/м.
На усадке цементного камня и бетона сказываются многочисленные факторы: длительность твердения, химико-минералогический состав, удельная поверхность и расход цемента, содержание заполнителя, гипса и щелочей, водоцементное отношение и др.
При прочих равных условиях конечная усадка цементного камня увеличивается с увеличением содержания С2S, при гидратации которого образуется примерно на 25% больше тоберморитового геля, чем из С3S. Повышается также усадка цементного камня с ростом содержания С3А, удельной поверхности цемента, содержания щелочей. Как считает М. Венюа, от вида цемента усадка цементного камня может изменяться в 2-3 раза. Однако учитывая, что химико-минералогический состав и дисперсность современных заводских пор-тландцементов изменяются в сравнительно узкой области и решающее влияние имеет отношение цементного камня заполнителем, влияние особенностей портландцементов на величину усадки бетона оказывается малосущественным. Лишь при использовании бели-товых высокоалюминатных цементов, которые промышленностью изготавливаются в особых случаях, влияние минералогической характеристики цемента на усадку бетона может стать достаточно весомым.
На величине усадки бетона сказываются упругие свойства заполнителей. Зерна заполнителей, покрытые оболочкой цементного камня, препятствуют усадке тем больше, чем выше их модуль деформации. По данным А.М. Невилля к годичному возрасту бетоны с использованием в качестве заполнителя песчаника имели примерно в 2 раза больше усадку, чем на известняке. Увеличивают усадку бетона примеси глинистых частиц в заполнителе.
Известные эмпирические формулы, предложенные для прогнозирования усадки тяжелого бетона в атмосферных условиях при неизменных размерах сечения элементов, отличаются особенностями учета расхода воды и цемента в бетоне, а также их соотношения. Решающим фактором, определяющим усадку бетона, является расход воды.
Наряду с усадкой, обусловленной высыханием, бетон подвергается усадке в результате карбонизации за счет углекислого газа, имеющегося в атмосфере. Углекислый газ взаимодействует в присутствии влаги с продуктами гидратации цемента, что сопровождается увеличением общей усадки бетона. В большей степени усадка за счет карбонизации сказывается на общей усадке после высыхания бетона и при попеременном увлажнении и высушивании.
Термическая усадка вызывается понижением температуры бетона. Высокие перепады температур в летний и зимний периоды могут приводить к колебаниям длины бетонных изделий до 0,5 мм/м.
Термическая усадка может быть причиной трещинообразования массивных конструкций. Возникающие трещины увеличиваются со временем под воздействием усадки в связи с изменением влажности бетона и карбонизации. Для ограничения термической усадки снижают экзотермию цемента, температуру смеси при укладке в опалубку, выбирают заполнитель с высоким модулем деформации.

Авторы: Л. И. Дворкин, О. Л. Дворкин