Ползучесть газобетона

Все строительные материалы, в том числе и автоклавные ячеистые бетоны, обладают свойствами ползучести. Под ползучестью понимается явление изменения деформации в материале с течением времени при постоянной нагрузке. Ползучесть бетона является важной физико-технической характеристикой, от которой в значительной мере зависит деформированное состояние конструкции.

Деформации ползучести могут в несколько раз превышать первоначальные упругие или мгновенные. Это, в свою очередь, может привести к изменению схемы работы конструкции, появлению трещин и разрушению.

Вопросам изучения ползучести тяжелого бетона в России и за рубежом посвящен ряд работ. Имеются гипотезы, объясняющие физическую сущность причин ползучести и усадки бетона.

А.Е. Шейкин считает, что эти явления — следствие наличия двух структурных составляющих: кристаллического сростка и геля. Усадка бетона происходит вследствие высыхания геля. Протеканию усадочных деформаций препятствует кристаллический сросток. Ползучесть бетона по А.Е. Шейкину объясняется следующим образом. Нагрузка, действующая на бетон, воспринимается обеими структурными составляющими. Гелевая составляющая бетона, способная к вязкому течению, деформируясь со временем, постепенно разгружается и вызывает перегрузку кристаллического сростка. Это приводит к возрастанию деформаций цементного камня, что, в конечном счете, вызывает ползучесть материала. Теория А.Е. Шейкина нашла признание у ряда исследователей. По данным И.И. Улицкого и К.С. Карапетяна, ползучесть бетона не в полной мере может быть объяснена наличием гелевой составляющей цементного камня.

При величине напряжений для бетонов больше 0,3—0,6Rпр на развитие деформаций ползучести большое влияние оказывает образование микротрещин. При этом чем больше возраст бетона в момент приложения нагрузки, тем в большей мере ползучесть обусловливается появлением и развитием микротрещин и в меньшей степени вязкостью геля и капиллярными явлениями.

И.И. Улицкий отмечает, что, начиная с определенного момента, когда в основном заканчиваются физико-химические процессы твердения цементного камня, бетон можно рассматривать как упруго-пластичный материал.

Несколько иной взгляд на механизм ползучести бетона у С.В. Александровского. Ползучесть бетона объясняется им как следствие механического выдавливания влаги из структуры цементного камня. Выдавливание воды из цементного камня подтверждается, по мнению автора, большей ползучестью бетона при меньшей относительной влажности воздуха.

Р. Лермит отмечает, что ползучесть бетона представляет собой «... по-видимому, явление гидростатического сдавливания» и тесно связана с усадкой. Такой вывод был сделан на основании опытов, проведенных упомянутым автором: «...тот факт, что образец, находящийся длительное время под нагрузкой, поглощает при погружении в воду большее ее количество и набухает сильнее, чем контрольный образец, свидетельствует как будто о том, что вода эта поступает на замену вытесненной из образца под действием нагрузки».

Вместе с тем Р. Лермит отмечает, что теории ползучести противоречивы и что «... пока еще не дано такого приемлемого и достоверного объяснения ползучести, которое не вызвало бы споров».

По мнению Г. Рюша, ползучесть и усадка должны рассматриваться как частично взаимосвязанные процессы. Условия среды и величины нагрузки имеют большое значение на развитие деформаций.

Несколько отличная точка зрения на природу ползучести бетона встречается в работах А. К. Малмсйстера, который считает, что упругие и неупругие свойства бетона определяются главным образом его кристаллизационной структурой.

Исследования ползучести ячеистых бетонов начали проводить в ЦНИИСК с 1955 г. В НИИЖБ такие исследования ведутся с 1962 г. и имеют целью установить влияние па ползучесть газобетона различных технологических факторов. В опытах были использованы призмы размером 150х150x600 мм. Для равномерной передачи нагрузки по всему сечению на торцах призм в процессе их изготовления устанавливались строганые стальные пластинки толщиной 10 мм.

Испытания призм под действием длительной нагрузки производились в пружинных установках мощностью 30 г, предложенных в ЦНИИСК С.В. Поляковым. Пружинные установки находились в помещении, в котором колебания температуры и влажности были незначительны.

Деформации образцов в пружинных установках замерялись при помощи переносной мессуры с ценой деления 0,01 мм. Для ее крепления и снятия отсчетов при формовании призм закладывались металлические реперы.

Для испытаний изготовлялись призмы и контрольные кубы. Количество и размеры образцов в каждой серии приведены в табл. 51.

Вначале определялась призменная прочность ячеистого бетона по результатам испытаний двух эталонных призм. Затем основные призмы, предназначенные для длительных испытаний, устанавливались на опорные плиты. Установка основных призм производилась таким образом, чтобы при передаче нагрузки деформации по всем четырем граням были одинаковыми или близкими.

Величина нагрузки, передаваемая на призму, отсчитывалась по манометру и исчислялась по тарировочной кривой применяемого домкрата. Снятие отсчетов по деформациям производилось через 3, 7 и 14 суток после нагружения, а затем 1 раз в месяц на протяжении всего периода испытаний. Одновременно определялись деформации усадки контрольных призм и изменение влажности на призмах-близнецах, которые также хранились в аналогичных условиях.

Характеристика образцов, исследованных на ползучесть, приведена в табл. 52.

На рис. 98 приведены данные о ползучести образцов из газобетона на смешанном вяжущем объемным весом 1030 кг/м3. Образцы этой серии находились под воздействием сжимающей нагрузки 0,3 и 0,5 Rпр на протяжении около 3,5 лет. При нагрузке 0,5 Rпр деформации ползучести и усадки в неизолированных образцах составили 1,5 мм/м; при нагрузке 0,3Rпр0,8 мм/м. Деформации усадки за тот же период составили 0,3 мм/м. Следует отметить, что деформации усадки (см. рис. 98) на протяжении указанного времени в значительной мере колебались в зависимости от изменений относительной влажности воздуха (60—95%) и температуры в камере (12—25°С). Наибольшие деформации усадки составляли 0,6 мм/м. Непостоянные температурные условия и относительная влажность воздуха оказывали также известное влияние на изменение деформаций ползучести ячеистого бетона.

Важно отметить, что на протяжении всего времени испытаний деформации ползучести в неизолированных образцах при нагрузках 0,3 и 0,5 Rрп непрерывно возрастали. В изолированных образцах при этих же нагрузках деформации ползучести стабилизировались через 500—600 суток и в дальнейшем практически не увеличивались.

На рис. 99 представлены суммарные деформации ползучести образцов серии II. Они отличаются от образцов серии I тем, что в состав газобетона добавка немолотого песка не вводилась. В этом случае суммарные деформации ползучести и усадки через 800 суток при нагрузке 0,5 Rпр составили 1,1 мм/м. Примерно такие же значения ползучести и усадки за этот период имели образцы серии I.

На этом же рисунке приведены результаты испытаний на ползучесть образцов серии III при нагрузке 0,5Rпр. Эти образцы отличаются от образцов серии I тем, что в них содержание молотой извести-кипелки уменьшено на 10% и соответственно увеличено содержание портландцемента. Деформации ползучести этих образцов через 700 суток имеют примерно такие же значения, как образцов серии I (см. рис. 98).

Таким образом, для указанных составов газобетона объемным весом 1050 кг/м3 на смешанном вяжущем деформации ползучести и усадки имеют примерно одни и те же значения с тенденцией нарастания их во времени.

На рис. 100 представлены кривые ползучести и усадки газобетонных образцов серии IV на смешанном вяжущем, которые запаривались в автоклаве при давлении 9 ат по режиму 4+2+4 ч. На этом рисунке приведены также данные о ползучести образцов серии V, подвергнутых автоклавной обработке по режиму 5+8+4 ч.

Из сопоставления полученных данных видно, что наибольшие суммарные деформации ползучести и усадки наблюдаются у образцов, твердевших всего 2 ч при максимальной температуре и давлении пара.

Через 700 суток суммарные деформации ползучести составили 2,1 мм/м. Деформации ползучести без усадки составили 1,65 мм/м. При длительности изотермической выдержки 8 ч при 9 ат суммарные деформации ползучести через 700 суток составили 1,3 мм/м, а деформации ползучести без усадки — 0,9 мм/м.

Таким образом, при изотермической выдержке, равной 2 ч, ползучесть газобетона примерно на 65% выше, чем при 8-часовой. Чем это можно объяснить?

Исследования показали, что для завершения физико-химических процессов в образцах сечением 150x150 мм продолжительность изотермической выдержки должна составлять не менее 6 ч. При недостаточной продолжительности твердения фазовый состав новообразований характеризуется меньшим количеством низкоосновных гидросиликатов кальция и менее выраженной кристаллической структурой. Аналогичное явление наблюдается в тяжелых бетонах, для которых установлено, что ползучесть их в раннем возрасте значительно выше. Таким образом, наши опыты подтвердили известное положение о том, что чем полнее прошли процессы гидратации вяжущего, тем в меньшей степени в бетоне развиваются деформации ползучести.

Кривые ползучести газобетона на портландцементе с удельной поверхностью молотого песка 1500 и 6000 см2/г (серии VI и VII) представлены на рис. 101.

Через 300 суток суммарные деформации ползучести и усадки как изолированных, так и неизолированных образцов имели примерно одинаковые значения.

За этот период деформации ползучести и усадки газобетона на цементе и смешанном вяжущем (см. рис. 100 и 101) имеют примерно одни и те же значения. Опыты также подтвердили, что при оптимальных составах физико-технические свойства газобетона на цементе и смешанном вяжущем равноценны.

Суммарные деформации ползучести и усадки газошлакобетона (серия VIII) и газозолошлакобетона (серии IX) представлены на рис. 102.

Через 400 суток деформации ползучести и усадки газошлакобетона в неизолированных образцах составляли 0,65 мм/м, а деформации ползучести в изолированных образцах — 0,3 мм/м. За это же время в образцах из газозолошлакобетона наблюдались деформации, примерно в 2 раза большие.

Следовательно, при использовании молотых доменных шлаков в качестве кремнеземистого компонента предпочтительнее применять кварцевые пески.

На рис. 103 представлены кривые деформаций ползучести и усадки газосиликата.

В неизолированных образцах серии X суммарные деформации ползучести и усадки через 700 суток составляли 2,8 мм/м, в изолированных — 1,7 мм/м. В аналогичных по объемному весу газобетонных образцах на смешанном вяжущем через такое же время ползучесть была в 2 с лишним раза меньше (см. рис. 100).

Таким образом, наиболее высокие деформации ползучести наблюдаются в образцах ячеистого бетона, изготовленных с применением молотой извести-кипелки.

По-видимому, причиной большей ползучести газосиликата по сравнению с газобетоном на цементе, смешанном и шлаковом вяжущем является наличие большего количества микротрещин, а также отсутствие новообразований, характерных для гидратации клинкерного вяжущего. Микротрещины при длительном воздействии нагрузки увеличиваются в размере, уменьшают сплошность сечения, что, в конечном счете, приводит к увеличению деформаций и снижению несущей способности.

Можно также предположить, что структура новообразований на основе извести и песка менее устойчива к длительному воздействию нагрузки. Следует также учитывать действие карбонизации, которая особенно интенсивно протекает в подобных композициях при наличии большой пористости.

Для выявления особенностей механизма ползучести ячеистых бетонов с, применением различных видов вяжущего и кремнеземистых компонентов требуются специальные исследования.

Обобщая данные о ползучести газобетона объемным весом 1000 и 700 кг/м3, необходимо ответить, что деформации ползучести в газобетоне объемным весом 700 кг/м3 развиваются примерно в 2 раза интенсивнее, чем в газобетоне объемным весом 1000 кг/м3.

Вместе с тем если в изолированных образцах газобетона объемным весом 1000 кг/м3 деформации ползучести через 500 суток практически затухают, то в аналогичных образцах из газобетона объемным весом 700 кг/м3 они продолжают возрастать.

Основными причинами повышенной ползучести ячеистого бетона при уменьшении его объемного веса являются большой диаметр пор, увеличение их количества, а также уменьшение толщины межпоровых перегородок.