При схватывании и твердении портландцемента происходит уменьшение объема тела гидратирующегося вяжущего.

Для того чтобы уяснить причины и условия появления усадки цементного камня, рассмотрим процесс твердения цемента, затворенного на оптимальном количестве воды.

На рис. 3.4.1-1 приведена схема структуры цемента в процессе твердения (Ц - частицы клинкера, еще не до конца гидратированные, в момент, когда объ­ем этих частиц значительно уменьшился по отношению к начальному объему, показанному пунктиром). Частицы Ц окружены диффузным слоем чистой воды (свободным от растворимых солей). Через этот слой в процессе растворения непрерывно выбрасываются гидрагированные ионы и молекулы клинкерных солей, которые переходят в область твердеющего цементного камня и оседают на ближайшем из растущих кристаллических новообразований последнего.

Те кристаллы новообразований, которые расположены дальше от частицы Ц клинкера, вскоре перестают расти вследствие недостаточного притока но­вых ионов. Эти кристаллы образуют поверхностный слой цементного камня, играющий роль защитной корки вокруг продолжающих гидратироваться зерен клинкера; корка прорезана тонкими капиллярными каналами (рис. 3.4.1-2).

Кристаллы новообразований связаны между собой водой кольцевых контактов, которая осуществляет весьма интенсивное капиллярное сжатие частиц. Вследствие малых размеров отдельных кристаллов это сжатие очень велико. Оно еще больше увеличивается постоянно действующим отсасываю­щим осмотическим давлением диффузной зоны вокруг гидратируемых зерен клинкера.

Нужно иметь в виду, что в процессе схватывания и твердения цемента об­щий объем реагирующих веществ уменьшается, так как молекулы воды, вхо­дящие в состав гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, расположены значительно плотнее, чем в свободном состоянии. Поэтому начальный объем цементного теста, равный

Ц + В + в

В процессе гидратации уменьшается до

Ц-Ц + (Ц + В)К + В-В+в = Ц + В + в - (1-К)(Ц + В)

Где:

Цг - объем цемента, гидратированного к рассматриваемому моменту;

Вг - вода гидратации этого цемента;

В - воздух;

К - коэфициент меньший единицы, характеризующий увеличение удельного веса новообразований по отношению к среднему удельному весу образо­вавших их материалов

Таким образом, процесс схватывания, а затем твердения цемента сопровож­дается непрекращающимся сжатием зерен новообразований, создающим общее уменьшение объема цементного камня. Это уменьшение называется усадкой бетона и может происходить по двум совершенно различным причинам:

1) из-за уменьшения действительного объема новообразований по сравне­нию с исходными материалами (химическая усадка);

2) из-за уменьшения объема цементного камня вследствие потери влаги в атмосферу и капиллярного сжатия частиц новообразований в результате от­соса (физическая усадка).

Первая причина проявляется особенно сильно в первые дни, вторая - в те­чение нескольких месяцев.

Итак, усадка бетона является непосредственным следствием самого про­цесса схватывания и твердения бетона. Однако размеры физической усадки су­щественно зависят от влажностных условий среды, в которой протекает твер­дение бетона. Среда не меняет процесса нормальной усадки, если ее влажность находится в постоянном равновесии с жидкостью, имеющейся в цементном камне; это равновесие регулируется формой свободной поверхности жидкости, то есть ее кривизной в порах новообразований (Рис.34.1-3).

Из предыдущего видно, что изменение размеров кольцевого контакта вследствие отсоса воды в диффузный слой и сжатия зерен цементного камня капиллярными силами происходит непрерывно, следовательно, так же непре­рывно меняется в сторону увеличения среднее значение кривизны поверхности жидкости в порах системы.

Если в какой-то начальный момент влажность среды и содержание воды в цементном камне определялись состоянием равновесия, то в следующие мо­менты равновесие нарушается, и должна происходить конденсация влаги, что задерживает увеличение капиллярного сжатия частиц и тем самым уменьшает размеры усадки. Если приток влаги из воздуха среды обеспечен, то может иметь место непрерывная и при этом полная компенсация усадочного сжатия.

При хранении образцов твердеющего бетона в воде неограниченный приток воды может компенсировать усадку и даже вызвать разбухание бетона, но при этом неминуемо увеличатся размеры пор и каналов системы, которые заполнят­ся водой. Если такую систему поместить в среду с малой влажностью, то бетон быстро отдаст свою воду (вследствие наличия широких каналов) и получит усад­ку большую, чем это могло бы быть при нормальных условиях твердения.

Наоборот, если сразу с момента начала схватывания и твердения нет рав­новесия между влагой среды и влагой бетона (причем влажность среды мала), то бетон будет отдавать влагу в среду тем энергичнее, чем крупнее поры ново­образований. В этом случае будет происходить интенсивная усадка, связанная с уменьшением содержания влаги у контактов. Если среда очень сухая, а поры широкие, то обезвоживание бетона произойдет настолько быстро, что воды ока­жется недостаточно для снабжения диффузного слоя гидратируемых частиц клинкера, и схватывание бетона вовсе прекратится.

При этом будет иметь место очень большая усадка бетона, происходящая пре­имущественно вследствие капиллярного сжатия, а не из-за интенсивного образо­вания цементного камня. Отсюда видно, насколько важно удержать в бетоне опти­мальное количество воды, особенно в начальные сроки схватывания и твердения.

Бетон даст большую усадку при его хранении в обычных условиях после длительного водного хранения по сравнению с таким же бетоном, с самого на­чала твердевшим в обычных условиях (рис. 3.4.1-4).

Уменьшение объема исходных материалов клинкера вследствие образова­ния гидросиликатов и гидроалюминатов кальция может быть оценено, по дан­
ным Ле Шателье (подтвержденным многочисленными последующими иссле­дованиями), в 4-5 см3 на 100 г цементного клинкера в продолжение месячного твердения. Если, учитывая водное хранение, предположить, что в течение этого времени цемент гидратировалея на 50 %, то полная возможная усадка бетона в результате химической реакции может составить 2-3 % от общего объема клинкерных материалов.

Такое чрезвычайно большое изменение действительного объема цемент­ного камня может быть обнаружено, если образец насыщенного водой теста (из которого удален воздух) поместить в герметическую форму. Под влиянием уменьшения действительного объема и сцепления со стенками формы возника­ют столь большие силы растяжения, что они могут разрушить форму.

Наблюдения за объемными изменениями цементного теста в течение пер­вых часов твердения показывают, что уменьшение линейных размеров образца из цементного теста достигает в суточном возрасте для силикатного цемента (портландцемента) 1 %, а для глиноземистого (алюминатного) цемента - 0,7 %.

Это подтверждает высказанные выше соображения, что химическая усадка во много раз превышает размеры возможной физической усадки в результате капиллярного стягивания частиц.

Ввиду того, что цементы обычно применяются в растворах или бетонах, внешнее проявление усадки этих систем существенно меньше усадки самого цемента в связи с тормозящим действием заполнителей. Однако размер усадки цемента, содержащегося в бетоне, остается на прежнем уровне, в силу чего в каждой пазухе между заполнителями возникают большие растягивающие на­пряжения в цементном камне, приводящие к появлению в нем микротрещин.

Существование таких внутренних разрывов ведет к тому, что вода при низ­ком давлении и даже под влиянием собственного веса легко проходит сквозь бетон.

Последствия усадки цемента можно наблюдать при заделке цементным те­стом фонтанирующих щелей и трещин. Вследствие усадки тело цементного кам­ня заделки либо пересекает новая трещина, либо такая трещина возникает в месте примыкания заделки. Невидимая на глаз щель легко обнаруживается при подаче к заделке воды, которая тотчас же просачивается в виде капель или струек.

Из-за неустранимости усадки все растворы и бетоны принято считать во­допроницаемыми.

Усадка бетона является отрицательным фактором для таких железобетон­ных сооружений (особенно гидротехнических, мостовых, дорожных), в кото­рых требуется водонепроницаемость и долговечность, а также для сооружений, работающих под динамической нагрузкой.

В железобетонных конструкциях усадка вызывает появление в растянутой зоне бетона больших напряжений и преждевременных трещин, которые в ги­дротехнических сооружениях приводят к фильтрации воды, а в резервуарах - к утечке помещенной в них жидкости. В мостах из-за усадки по причине вибра­ции происходит раскрытие трещин, увеличение прогибов и быстрое разрушение арматуры от коррозии. Явления усадки затрудняют замоноличиваиие сборных железобетонных конструкций в единую жесткую систему. Усадка бетона вместе с деформациями от температурных воздействий приводит к растрескиванию дорожных бетонных покрытий и быстрому изнашиванию дорог.

Усадка бетона лишает возможности полноценно закрепить машины на фундаментах; даже при тщательной подливке бетона под плиту машины и во­круг фундаментных болтов в результате усадки связь нарушается, и машина может быстро выйти из строя вследствие свободной вибрации.

Возникают большие затруднения в уплотнении и придании водонепрони­цаемости швам бетона и возникшим трещинам в бетонных сооружениях, так как после заделки их обычным цементом не достигается плотность из-за неми­нуемой усадки и отделения раствора от одной из примыкающих поверхностей. Заделка обычным цементом всяких каверн, трещин и щелей в подземных со­оружениях или в сооружениях, предназначенных для эксплуатации под давле­нием воды, особенно при интенсивном ее притоке, в большинстве случаев из-за усадки не будет полноценной. В связи с этим большие сложности возникают при гидроизоляции мокнущих (фильтрующих) поверхностей, поскольку в мо­кром состоянии они делают невозможной наклейку на них рулонных изоля­ционных материалов, а высушивание сопряжено с серьезными затруднениями.