За период схватывания и твердения практически любых видов цементов, объем тела вяжущего уменьшается и для того, чтобы выяснить причины усадки цемента необходимо рассмотреть сам процесс твердения.
Процесс твердения цемента
Для наглядного примера мы сразу же рассмотрим реальную схему процесса твердения цемента, который был затворен оптимальным количеством воды.
Рисунок 1: схема структуры цемента в процессе твердения.
На данной смехе обозначены области с пометкой «Ц», которая обозначает зоны с частицами клинкера, которые в том самый момент уменьшились в объеме, начальный объем данных частиц на рисунке показан тонкой линией за пределами многоугольника.
Области данных частиц окружены слоем чистой воды, в которой отсутствуют растворимые соли. И далее, в процессе растворения клинкерных солей, в данный слой воды выбрасываются гидратированные молекулы и ионы этих солей, которые впоследствии оседают на кристаллических новообразований цементного камня.
Кристаллические новообразования цементного камня, продолжают расти до тех пор, пока на них оседают ионы клинкера, поэтому те кристаллы, которые расположены дальше от зоны «Ц», в скором времени перестают расти из-за недостатков этих ионов.
Данные кристаллы образуют верхний слой цементного камня, который выполняет роль защитного покрытия, внутри которого зерна клинкера продолжают гидратироваться. Поверхность данного покрытия как бы разрезана очень тонкими капиллярными каналами.
Вода, которая связывает кристаллы между собой, так же способствует высокоинтенсивному капиллярному сжатию частиц. И из-за того, что многие кристаллы имеют малый размер, данное сжатие достаточно велико. И это сжатие может увеличиться еще больше под действием осмотического давления диффузной зоны, которая образуется вокруг зерен клинкера.
Объем цемента
Общий объем активных веществ цемента всегда уменьшается в процессе его схватывания и твердения. Это происходит из-за того, что входящие в состав гидроалюминатов и гидросиликатов кальция, молекулы воды располагаются значительно плотнее друг к другу, чем тогда, когда они находятся в свободном состоянии.
Изначальный объем цементного теста рассчитывается по формуле:
Ц + В + в.
После уменьшения данного объема в процессе гидратации, его следует рассчитывать по формуле:
Ц-Цг + (Цг + Вг)К + В-Вг+в =
= Ц + В + в — (1-К)(Цг + Вг),
где:
Цг – объем гидратированного цемента;
Вг – вода гидратации;
в – объем воздуха;
К – коэффициент, который должен быть меньше единицы, данный коэффициент это отношение увеличения удельного веса кристаллических новообразований к среднему удельному весу материалов, которые способствовали образованию данных кристаллов.
Учитывая всё вышесказанное можно сделать вывод, что весь процесс твердения заключается постоянным сжатием зерен кристаллических новообразований. Это сжатие создает общее уменьшение объема цемента, которое называют «усадкой бетона».
Причины усадки бетона
Усадка бетона может происходить по двум причинам:
- химическая усадка – проявляется как уменьшение объема кристаллических новообразований в сравнении с исходными материалами;
- физическая усадка – происходит из-за уменьшения объема цемента вследствие потери влаги под действием атмосферных явлений, а так же в результате капиллярного сжатия частиц.
Химическая усадка появляется в основном в первые дни твердения цемента, а физическая продолжается в течение следующих нескольких месяцев.
Итак, мы выяснили, что вследствие твердения бетона происходит его усадка и от этого никак нельзя избавиться. Но, например глубина физической усадки в первую очередь зависит от влажности воздуха, на котором происходит твердение бетонной смеси.
При этом атмосферные условия не меняют нормального процесса усадки бетона, если влажность воздуха всегда находится в равновесии с жидкостью, которая имеется в цементном камне, данное равновесие регулируется формой поверхности жидкости в порах кристальных новообразований.
Если в один момент содержание воды в цементе и влажность воздуха определяются состоянием равновесия, то в следующий момент равновесие обязательно нарушится вследствие чего, происходит конденсация влаги и тем самым величина усадки немного уменьшается. Используя данное физическое свойство цементного камня, можно искусственным путем полностью компенсировать усадочное сжатие путем обеспечения непрерывного притока влаги к поверхности цементного камня.
Если образец твердеющего бетона поместить в воду, то неограниченный приток влаги не только полностью компенсирует усадку, но и вызовет разбухание данного образца и увеличение размеров каналов и пор цементного камня, так как они полностью заполнятся водой.
