Гипотезы объясняющие усадку бетона

Среди причин влажностных деформаций цементного камня (физическая природа усадки) исследователями рассматривались действие капиллярных сил; испарение адсорбционно связанной воды из гелевой составляющей цементного камня; межмолекулярное взаимодействие вследствие удаления межкристаллической воды; удаление воды из межслоевых зазоров кристаллической структуры гидросиликатов кальция. Построение единой теории влажностных деформаций еще не завершено. Известные гипотезы можно свести в группы: термодинамическая; сорбционно-десорбционная; поверхностного натяжения; капиллярная. Кратко представления о природе усадки отражены в некоторых нижеприведенных гипотезах.

Гипотеза Фрейсине (1938) — первая гипотеза на основе капиллярной теории. Бетон рассматривается как псевдотвердое тело, пронизанное сеткой очень малых пор, заполненных водой и воздухом. Объемные деформации такого тела развиваются вследствие изменения величины капиллярного давления в порах при образовании менисков в капиллярах с меньшим радиусом при уменьшении относительной влажности воздуха.

Гипотеза Виттмана (1958). Причина усадки при высокой относительной влажности — капиллярное давление, а при понижении влажности — изменение поверхностного натяжения (поверхностной энергии) частицы. При относительной влажности воздуха 2—40% изменение поверхностной энергии твердого тела (рассчитанное через изменение длины) линейно, что соответствует уравнению Бингама и подтверждается экспериментально.

Гипотеза З.Н. Цилосани (1963). Механизм усадки меняется в зависимости от вида испаряемой воды, поскольку в зависимости от формы ее связи с твердой фазой меняется природа действующих сил. Испарение механически связанной воды из крупных пор не сопровождается усадкой. Начало интенсивного развития усадки наблюдается при образовании менисков в капиллярах сечением 35—53 мкм, т.е. при относительной влажности воздуха 98—40%. Усадка интенсифицируется за счет капиллярных сил с образованием менисков во все более мелких капиллярах. При уменьшении водосодержания цементного камня до предела, когда капиллярные силы уже не могут играть существенную роль, усадка происходит вследствие удаления межкристаллической и межслоевой воды по мере межмолекулярного взаимодействия между поверхностями твердых частиц.

Гипотеза Пауэрса (1968). Деформации цементного камня обусловлены изменением термодинамического равновесия внутри образца по трем причинам: изменение поверхностного натяжения твердого тела, изменение расклинивающего действия (адсорбция воды в пространствах, где адсорбция ограничена) и действие капиллярных сил. Последние существенны при относительной влажности воздуха более 45%. Усадка связана с диффузией воды из областей затрудненной адсорбции.

Гипотеза Бажана (1970). Развитие термодинамической теории усадки. Основной элемент модели — представление о «затрудненной адсорбции» — адсорбция в пространстве, где образование адсорбционного пятимолекулярного слоя воды (толщина такого слоя примерно 13 х 10-7 мм) невозможна. Физическая причина усадки бетона — нагрузка, созданная растягивающим напряжением в адсорбированных пленках вследствие давления растяжения.

Гипотеза Фельдмана и Середы (1970). Объемные изменения цементного камня связаны с капиллярным эффектом, изменением свободной поверхностной энергии и процессом гидратации. Деформация на 18% обусловлена поверхностной водой (физически адсорбированная, удерживается силами Ван-дер-Ваальса) и на 82% — межслоевой (химически связанная).

Гипотеза А.Е. Шейнина (1971). Цементный камень — микропористая гетерогенная система, состоящая из кристаллического сростка и тоберморитового геля. Начальная усадка при высокой влажности воздуха вызывается преимущественно действием капиллярных сил. При относительной влажности менее 60% начинает удаляться адсорб-ционно связанная вода, в связи с чем по мере сближения субмикрокристаллов гидросиликатов кальция между ними проявляются Ван-дер-Ваальсовы силы дисперсного взаимодействия, а в дальнейшем возникают водородные связи. При относительной влажности менее 45% удаляется влага, находящаяся между слоями кристаллической структуры гидросиликатов кальция (межплоскостная вода), что сопровождается значительной усадкой.

Гипотеза К.Г. Красильникова и Н.Н. Скоблииской (1974). Цементный камень рассматривается как пористый поликристаллический сросток кристаллов тоберморита. Причина усадки бетона — изменение размеров кристаллов тоберморита. Внешнее изменение объема всей системы составляет только 10—20% изменения объема кристаллов. Деформация усадки равна сумме деформации усадки от уменьшения размера кристаллов вследствие десорбции воды с их поверхности и нарастания растяжения воды в порах при изменении относительного парциального давления от 100 до 35%. При более низком давлении усадка происходит вследствие уменьшения размера кристаллов тоберморита при десорбции воды с их поверхности и из межслоевых пространств.