ПОЛУЧЕНИЕ ФОРМУЛЬНОЙ ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ УСАДКОЙ БЕТОНА И ПОТЕРЕЙ ВЛАГИ

Аннотация: В бетоне трещинообразование может происходить в результате усадочных деформаций. Как показывает практика, усадка бетона незначительна и редко превышает один процент. Но даже этого достаточно для того, чтобы внести существенные изменения в проект строительства. Наилучшим вариантом является полное отсутствие усадки, но это не считается возможным. Именно по этой причине, данный показатель должен быть минимальным. От этого неблагоприятного явления в значительной степени зависит ряд важных характеристик бетона - микроплотность и стойкость в различных средах, прочность, сопротивляемость образованию трещин и т. д. При строительстве зданий (где усадка достигает глобальных показателей) с усадкой борются с помощью добавления минеральных добавок. При затвердевании бетона с применением таких добавок, происходит увеличение кристаллов цемента, а именно увеличиваются линейные размеры.

При проектировании бетона всегда стараются подобрать состав с наименьшей усадкой. Но создать одинаковые условия всем образцам достаточно сложно. Два образца в одной камере уже в значительной степени влияют на конечный результат усадки друг друга. На данный момент прогнозирование усадки бетонной смеси производится только экспериментально по графикам от сроков твердения, т. е. чертят кривую, как развивается усадка во времени.

Предлагается идея характеризовать усадку не в зависимости от сроков твердения, а в зависимости от потери влаги.

Целью данной статьи является получение формульной зависимости между усадкой бетонного камня и потерей влаги.

Из поставленной цели вытекают следующие задачи:

- Изучить механизм усадки бетона.

- Произвести опыты с образцами различных классов прочности.

- Обработать экспериментальные данные.

- Описать получившиеся результаты.

- Попытаться вывести формульную зависимость между усадкой бетонного камня и потерей влаги.

Механизм усадки бетона обусловлено химическими и физико-химическими процессами, протекающими при взаимодействии цементных зерен с водой, при изменении влажности и под действием атмосферной карбонизации. Суммарная величина деформаций усадки складывается из ряда составляющих, из которых наиболее существенное значение имеют влажностная, контракционная и карбонизационная деформации, названные так по виду определяющего фактора.

1. Влажностная усадка вызывается изменением распределения, перемещением и испарением влаги в образовавшемся скелете цементного камня. Эта составляющая играет ведущую роль в суммарной усадке бетона.

2. Контракционная усадка вызывается тем, что объем новообразований цементного камня меньше объема, занимаемого веществами, вступающими в реакцию. Эта усадка развивается в период интенсивного протекания химических реакций между цементом и водой и не столько изменяет внешние размеры образца, сколько способствует изменениям в поровой структуре материала: уменьшается объем пор, занимаемых водой, возникают воздушные поры. Обычно эта усадка развивается в период затвердения бетона, когда он еще достаточно пластичен, и поэтому не сопровождается заметным растрескиванием материала.

3. Карбонизационная усадка вызывается карбонизацией гидроксида кальция и развивается постепенно с поверхности бетона в глубину.

Усадка бетона, особенно влажностная и карбонизационная, происходящая в уже затвердевшем материале, может привести к возникновению трещин в бетоне, например, вдоль предварительно напряженной арматуры, или в изделия с большой открытой поверхностью, что ухудшает качество конструкций и сооружений и их долговечность (в некоторых случаях может потребоваться ремонт конструкции).

Рассмотрим факторы, обусловливающие усадку бетона [2]:

- минералогический состав цемента;

- содержание цементного теста: чем жирнее раствор или бетон, тем выше их влажностная усадка;

- внешняя среда: влажность и температура;

- гранулометрический состав заполнителей;

- водоцементное отношение;

Для проведения лабораторных испытаний были взяты образцы бетонов непосредственно с строительного объекта. Из представленных видов бетона были выбраны 3 с различным классом прочности, после чего сделаны по 3 балочки размерами 40х40х60 мм (табл.1). Затем образцы были помещены в камеру с постоянной влажностью.

Методика изготовления образцов не оказывает практического влияния на величину усадки [4, с. 36].

Таблица 1.

Составы исследуемых образцов.

Первый и второй состав были затворены 27.11.2016, а третий состав 18.12.2016. Замеры длины и веса образцов производились перед началом экспериментов и на протяжении всего периода твердения. Замеры длины производились с помощью тензометров с точностью до мкм. Вес определялся на высокоточных весах. Результаты измерений сведены в таблицы 2-4.

Таблица 2.

Результаты измерений образцов 1 состава.

Таблица 3.

Результаты измерений образцов 2 состава.

Таблица 4.

Результаты измерений образцов 3 состава.

По полученным данным строим графики усадки бетона от потери влаги для каждого состава (рис. 1-3).

Рисунок 1. График усадки бетонной смеси от потери влаги (состав 1).

Рисунок 2. График усадки бетонной смеси от потери влаги (состав 2).

Рисунок 3. График усадки бетонной смеси от потери влаги (состав 3).

Результаты обработки экспериментальных данных подтверждают доводы Александровского С. В. [1] о линейном механизме усадки бетонной смеси. Полученные графики схожи с линейными зависимостями. Небольшие погрешности вызваны краткосрочными нарушениями влажностного режима периода высыхания, погрешностями проборов и человеческим фактором. Для дальнейшего выведения формульной зависимости ε=f(∆W) необходимо интерполировать график до линейной зависимости.

Для интерполированных графиков усадки бетонной смеси различного состава были получены уравнения вида y=kx+b, что соответствует линейной зависимости. Формулы были получены с помощью программного комплекса Mathcad.

Для первого состава уравнение (1) имеет вид:

где: k=0,0667, b=0.

 – разность потерь влаги (мл)

Дальнейший вывод зависимости сводится к определению коэффициента k.

Усадка всегда вызывает возникновение напряженного состояния в бетоне. Правильно подобранным составом бетона по количеству цементного клея, крупного заполнителя с его деформативными свойствами и фракционным составом и т.д. можно уменьшить напряжения в бетоне от усадки. Однако и в этом случае бетон может получить значительные нарушения в результате внешнего массообмена бетона со средой. Испарение влаги на ранней стадии интенсифицирует развитие сжимающих капиллярных сил, вызывающих значительную усадку бетона, находящегося в пластическом состоянии. Интенсивное испарение влаги вызывает неравномерное ее распределение по сечению изделия, что способствует развитию неравномерной усадки, возникновению напряженного состояния и нарушению бетона [4].

Отсюда можно представить зависимость усадки с помощью уравнения (2):

где: В - вода в кг/м³, Ц - цемент в кг/м³, П - песок в кг/м³, К_р - щебень в кг/м³  

Выведем уравнение для второго состава:

С помощью программного комплекса Mathcad для состава 2 имеем:

Формула была проверена так же на составах 1 и 3. Результаты погрешности менее 5%. Из выше сказанного можно сделать вывод, что формула справедлива для данных составов, но требует дальнейшей, более глобальной проверки.

Упрошенный вид полученной зависимости:

Усадка бетона - неблагоприятный процесс в строительных конструкциях, который тяжело поддается описанию, как с теоретической, так и с практической стороны.

В результате проделанной работы была предложена формула, позволяющая рассчитать усадку бетона от потери влаги. Следовательно, уже на этапе проектирования можно вычислить: какой бетон при одинаковых условиях даст большую усадку.

Был проиллюстрирован метод, позволяющий характеризовать усадку не в зависимости от сроков твердения, а в зависимости от потери влаги.

Список литературы:

1. Александровский С.В. Расчет бетонных и железобетонных конструкций на температурные и влажностные воздействия с учетом ползучести.
2. Шейкин А.Е., Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов. -М.: Стройиздат, 1979. -344 с., ил.
3. Alon F., Ferraris C.F., Wittmann F.H. Etude Experimentale du Retrait du Beton. Экспериментальные исследования усадки бетона. //Mater. and Struct. -1987. -№119. -pp.323-333
4. Hansen Will. Drying Shrinkage Mechanisms in Portland Cement Paste. Механизм усадки при высыхании портландцементного камня. //J. Amer. Ceram. Soc. -1987. -№5. -pp.323-328.