Сцепление цементного камня с заполнителями
Величина сцепления цементного камня с заполнителями является важным, но трудноучитываемым фактором прочности бетона. На нее влияет как состояние поверхностей заполнителей, так и свойства контактной зоны — тонкого слоя цементного камня, прилегающего к этим поверхностям.
Зона контакта является более дефектной, чем цементный камень в объеме, по нескольким причинам.
Цементный камень в контактной зоне слагается преимущественно малопрочными кристаллами Са(ОН)2. С момента затворения бетона водой жидкая фаза представляет собой пересыщенный раствор СаО. Его кристаллизация происходит в первую очередь на твердых поверхностях заполнителей.
Контактная зона является более пористой, чем цементный камень в объеме. Оболочки воды, окружающие зерна цемента, заполняются продуктами их гидратации. Но водные оболочки вокруг зерен заполнителей заполняются ими в меньшей степени.
Внутреннее расслоение бетона также приводит к большей пористости цементного камня под нижними поверхностями заполнителей и, возможно, даже к образованию седиментационных пор.
Заполнители сдерживают усадку бетона, препятствуя уменьшению размеров окружающих их оболочек цементного камня. При этом в них возникают растягивающие напряжения и нередко — усадочные микротрещины. Вероятность их появления возрастает при увеличении крупности заполнителей и их модуля упругости.
Влияние поверхности заполнителей на контактную зону определяется ее шероховатостью, чистотой и их составом. Роль шероховатости поверхности была рассмотрена выше на примере гравия и щебня. При этом рост шероховатости улучшает сцепление по двум причинам: увеличивается поверхность сцепления и возникает механическое зацепление цементного камня в неровностях заполнителя.
Пылевидные и глинистые частицы, адсорбированные поверхностью заполнителей, ухудшают их сцепление с цементным камнем. На поверхности заполнителей при перемешивании смеси могут удерживаться не только трудноудаляемые пленки глины, но и высокодисперсная пыль.
Некоторые заполнители вступают в химическое взаимодействие с цементным камнем, что значительно улучшает сцепление. Это в первую очередь известняки. Несмотря на меньшую прочность, чем у заполнителей из магматических пород, они могут давать такую же и даже большую прочность бетона.
Прочность бетона также повышается при применении свежедробленых заполнителей, имеющих химически активную поверхность. Но активные центры сорбируют молекулы газов, и эта активность быстро теряется.
Влияние воздушных пор
Хотя воздушные поры содержатся в бетоне в относительно небольших количествах, их влияние может быть достаточно заметным.
Принято считать, что 1% воздушных пор снижает прочность бетона примерно на 5%. По видимому, эта величина несколько занижена.
Как видно из этих данных, прочностной эффект воздушных пор уменьшается с ростом их содержания. Поэтому следует принять его значение, реально возможное в бетонах, например 5%. Тогда снижение прочности составит 6,5% на 1 % воздушных пор.
Прочностной эффект воздушных пор зависит от состава бетона.
По данным, снижение прочности для бетонов разных составов колебалось от 5 до 7% на 1 % воздушных пор. Влияние состава усиливается, если учесть, что бетоны разной удобоукладываемости защемляют различное количество воздуха. Так, снижение прочности относительно возможной при полном уплотнении составит для бетона из подвижной смеси (при 2% воздуха) — 10%, а для бетона из более трудноуплотняемой жесткой смеси (при 4% воздуха) — уже 28%. Возможно, этим объясняются и ситуации, когда бетоны из жестких смесей имели прочность лишь незначительно большую, чем бетоны из подвижных смесей.
Влияние состава бетона на рассматриваемую зависимость связано с объемом в них цементного камня. Чем меньше был объем цементного камня в бетоне, тем в большей степени снижалась его прочность.
Воздушные поры принято относить к объему бетона, а не к объему цементного камня, как это делается для других видов пор (закон В/Ц). Но фактически они также располагаются в цементном камне и зоне его контакта с заполнителями. Чем меньше объем цементного камня, тем больше содержание в нем воздушных пор, при том же их количестве в бетоне. Если же относить воздушные поры к объему цементного камня, то каждый их 1% снижает прочность бетона примерно на 2%, независимо от состава бетона.
Как уже отмечалось выше, наибольшее снижение прочности, вызванное воздушной пористостью, наблюдается для бетонов из жестких смесей. Но и производственные бетоны из подвижных и даже высокоподвижных смесей могут содержать повышенное количество воздуха. Это еще раз показывает важность тщательного уплотнения бетонных смесей при их формовании.
Влияние расслоения смеси на прочность бетона
Прочностной эффект расслоения выявить достаточно трудно. Внешнее расслоение (водоотделение на поверхности) приводит к повышению плотности нижележащих слоев бетона. Внутреннее расслоение, напротив, увеличивает пористость цементного камня, прилегающего к нижним поверхностям заполнителей.
Считается, что ослабление структуры бетона вследствие внутреннего расслоения может быть выявлено при испытании образцов в положении, когда направление действующей нагрузки параллельно слоям укладки бетона. Прочность в этом случае может снижаться до 10% по сравнению с образцами, испытываемыми при приложении нагрузки перпендикулярно слоям укладки.
Но в ряде случаев снижения прочности не наблюдается. Это происходит, если эффект снижения В/Ц вследствие внешнего расслоения перекрывает ослабляющее действие внутреннего расслоения.
В образцах большей высоты, чем обычно применяемые у нас кубы с ребром 10 см, и, конечно, в конструкциях приобретает значение оседание крупного заполнителя и перемещение растворной составляющей в верхние слои бетона. В этом случае эффект расслоения выявить более просто. Для его оценки представляют интерес результаты экспериментов на образцах-цилиндрах диаметром 15 см и высотой 30 см. Они изготавливались из смеси с ОК = 8-10 см. Бетон разных составов имел прочность 18-28 МПа.
Цилиндры были разрезаны по высоте на три части, полученные образцы высотой 10 см испытаны на сжатие. Наибольшую прочность имели нижние части цилиндров, прочность средних частей была в среднем на 6%, а верхних — на 15% меньше. Соответственно снижалась и плотность бетона.
По-видимому, подобная картина распределения прочностей по толщине слоя укладываемой смеси может наблюдаться и в производственных условиях. Бетонная конструкция в этом случае будет обладать некоторой прочностной «слоистостью». Это еще раз показывает важность применения бетонных смесей с минимальной расслаиваемостью.
