ЗАВИСИМОСТЬ ПРОЧНОСТИ ВЯЖУЩИХ ОТ ИХ КОНЦЕНТРАЦИИ В ТВЕРДЕЮЩЕЙ СМЕСИ С ВОДОЙ —
Прочностные и деформативные свойства, а также долговечность затвердевших цементов или других вяжущих гидратационного твердения зависят от объемной массы образующегося камня, объемной концентрации новообразований, а также от качественных характеристик последних (размеров и конфигурации частичек, их деформативности, потенциалов поверхностной энергии, стабильности во времени и др.). Чем ближе объемная масса твердого тела к его плотности и, кледовательно, чем меньше пористость, тем выше его прочность.
Применительно к вяжущим веществам и бетонам гидратационного твердения возможность максимального приближения объемных масс твердеющих вяжущих к плотностям гидратных новообразований определяют следующие основные факторы.
Массовая и объемная концентрация исходного вяжущего вещества в единице объема его смеси с водой (и заполнителями). Массовая концентрация характеризуется водовяжущим отяошеиием.
Степень (или коэффициент) гидратации вяжущего, представляющая собой отношение массы исходного вяжущего, иступившего в реакцию с водой, к начальной его массе.
Объемная концентрация новообразований в единице объема затвердевшего вяжущего.
Показатели контракции (химической усадки) при взаимодействии вяжущего с водой.
Кристаллизация гидратов в виде структур, состоящих из частичек новообразований и пор между ними.
Содержание воды в образующихся гидратах и их плотность.
Вначале напомним, что содержание (по массе) того Или иного вяжущего в бетоне не полностью отражает его влияние на прочность и пористость системы. Так, портландцемент по объемной концентрации менее эффективен по сравнению, например, со шлакопортландцементом или полуводным гипсом. При плотности этих вяжущих 3,1; 2,85 и 2,7 г/см3 |нх удельный объем соответственно равен 0,322; 0,35 и 0,37 см3/г. Таким образом, при равном их содержании в бетоне заполнение объема шлакопортландцемент или гипсовым тестом оказывается на 1,7 и 15% больше, чем портландцементным, что имеет практическое значение.
Еще более значительной оказывается поризация твердеющих систем вследствие возникновения в них пор, обусловленных распределением частичек новообразований в пространстве с промежутками между ними.
По мнению Т. Пауэрса, в гелевых порах размером 15—30 А, образующихся при твердении портландцемента в условиях обычных температур, не могут возникать и расти новые зародыши гидратных соединений. Поэтому он полагает, что полная гидратация цемента в этих условиях возможна лишь в пастах, изготовленных при водоцементных отношениях более 40%- В этом случае создаются предпосылки к образованию в камне не только гелевых, но и более крупных капиллярных пор, в которых могут размещаться частички новообразований.
Следовательно, образование пористых структур в твердеющих смесях вяжущих с водой вследствие кристаллизации частичек гидратов может снижать объемную массу систем в еще большей мере, чем поризация, вызываемая контракцией. В связи с этим большое значение приобретает вопрос о возможностях уменьшения пористости цементов при их твердении как в обычных тепловлажностиых условиях, так и при повышенных температурах (80—200°С и более).
Ниже рассматриваются вопросы формирования пористости и прочности твердеющих систем с пониженными водовяжущими отношениями исходных смесей.
Обычно вяжущие используются в бетонах при водовяжущих отношениях в пределах 0,4—0,8. В таких условиях их гидратация протекает при значительном избытке воды по сравнению с теоретически необходимым. Этим создаются предпосылки для свободного размещения частичек новообразований в объеме многочисленных капиллярных нор. Но в случае применения жирных бетонов пониженной подвижности, укладываемых с помощью интенсивных способов уплотнения (прессования, вибропрессования в т. п.), водовяжущее отношение может снижаться до 0,2—0,3. Здесь возможны ситуации, при которых в исходной смеси вода окажется в недостаточном количестве для надлежащего протекания реакций гидратации.
Будет ли в этих случаях сохраняться известная закономерность, выражающаяся в том, что с уменьшением водоцементного отношения повышается объемная масса и конечная прочность бетонов, разумеется при обязательном уплотнении до слитного состояния?
Данный вопрос не является новым. Он нашел, в частности, отражение в исследованиях М. В. Фрейсине, М. Р. Лермита и М. Валенти и ряда других авторов 4.Тем не менее этот вопрос заслуживает дальнейшего рассмотрения.
Если изготовить пасту или бетон при водовяжущем отношении, пониженном но сравнению с тем, какое необходимо по стехиометрической реакции для полной гидратации вяжущего, то дальнейшее состояние твердеющей системы может оказаться неустойчивым. При проникновении в последнюю воды возникнут предпосылки для ее взаимодействия с негидратированными частичками вяжущего. В таком термодинамически метастабийном состоянии система должна претерпевать сильные внутренние напряжения. При кристаллизационном давлении могущих образоваться новых порций гидратов, превышающем прочность на растяжение сложившейся структуры, должно постепенно наступать частичное или полное нарушение ее целостности, отражающееся на ее прочности. Степень нарушения структуры будет зависеть в основном от свойств исходного вяжущего, его содержания в системе в негидратированном виде, от величины общей пористости и прочности затвердевшего ка.мня.
В предельном случае при прочности затвердевшей смеси, превосходящей кристаллизационное давление гидратов, взаимодействие вяжущего с водой может прекратиться. Однако внутренние напряжения и в этом случае будут сохраняться и оказывать отрицательное влияние на затвердевшую пасту или бетон.
Для изучения влияния этого фактора на прочностные свойства твердеющих вяжущих автором совместно с Ю Д. Чистовым и Т. А. Борисенко были проведены соответствующие опыты с использованием обыкновенного портландцемента, содержащего 52% C3S 11 8% С;,А Дисперсность отдельных проб изменялась от 3000 до 5000 см2/г. Плотность цемента 3,1 г/см3, а содержание неиспаряемой воды при полной гидратации 26%.
Прессованием и с помощью вибрации из цемента формовались образцы при водоцементных отношениях от 0,05 до 0,35. При этом объемная масса образцов колебалась п пределах от 1,5 до 2.2 г/см3. Образцы хранились во влажной среде при 20+2°С до испытаний в сроки 7, 28, 90, 180 и 360 сут. Определяли прочность при сжатии, содержание неиспаряемой воды после сушки образцов при 105°С, объемную массу и плотность цементного камня. Кроме того, по данным о содержании гидратной воды в камне рассчитывалась степень гидратации цемента. Часть результатов, представленных на рисунке, отражает сложную и противоречивую зависимость прочности образцов. изготовленных при пониженных В/Ц от их исходной объемной массы.
Наибольшей прочностью к году твердения характеризуются образцы, изготовленные при В/Ц 0,15—0,3В с содержанием в них исходного цемента в количестве 2 г/см3 и менее. Прессованные образцы с содержанием исходного цемента около 2,2 г/см3 имели пониженную прочность. С увеличением водоцементного отношения к году твердения в цементном камне повышается количество неиспаряемой воды (до 10—13%) вместо 8—8,5%. характерных для образцов, имевших около 2,2 г/см3 цемента.
Заслуживает внимания то обстоятельство, что увеличение количества неиспаряемой воды в образцах объемной массой около 2,2 г/см3 (по цементу) практически прекращается к 3 мес. твердения, а у образцов объемной массой около 2 г/см3 — к 6 мес. При этом все образцы содержали испаряемую влагу, что свидетельствует о прекращении в них взаимодействия цемента с водой. Такая заторможенная возможность образования гидратов, несомненно, сопровождается внутренними напряжениями в системе и понижением ее прочности.
Следует отметить, что при исходном содержании цемента в образцах около 2 и 2,2 г/см3 и неиспаряемой воды 12 и 8,5% через год твердения их пористость достигала 17—19%, а пористость геля 30—32%, что несколько больше теоретически предполагаемой (28% по Пауэрсу). В данном случае дальнейшая гидратация практически прекратилась.
Полученные результаты отличаются от данных других авторов, в частности, Байза, Франов и Скальни. Они в своей работе отмечают рост прочности прессованных образцов пропорционально увеличению их объемной массы от 2,5 до 2,75 г/см3 с 1400 до 2000 кгс/см2 (в 28- суточном возрасте).