Главная > Основы ФИЗИКИ БЕТОНА > ЗАВИСИМОСТЬ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ БЕТОНА ПРИ СЖАТИИ ОТ АКТИВНОСТИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

ЗАВИСИМОСТЬ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ БЕТОНА ПРИ СЖАТИИ ОТ АКТИВНОСТИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

Предел прочности бетона при сжатии принято выра­жать в функции от активности портландцемента, кото­рую определяют по прочности растворных образцов, из­готовленных и испытанных по юстированным методикам. Исходя из этого активность цемента можно считать кос­венной характеристикой прочности цементного камня в образцах из раствора условно принятого состава.

В соответствии с самим термином, активность порт­ландцемента должна была выражать его потенциальную реакционную способность, предопределяемую химичес­кой энергией составляющих его минералов при макси­мальной плотности упаковки частиц твердой фазы в це­ментном камне. Под активностью цемента следовало бы подразумевать предельную прочность цементного камня на разрыв, так как она непосредственно зависит от проч­ности связей в его кристаллогидратной структуре.

Допустим, что структура цементного камня состоит из кристаллогидратных образований шарообразной фор­мы с точечными контактами между ними площадью в один ион. Полагаем, что избыточная вода равномерно распределена по объему и образует на кристаллогидрат­ных частицах адсорбционный слой определенной толщи­ны. Если исходить из такого предположения, то струк­турная прочность цементного камня на разрыв будет зависеть от сил взаимодействия между частицами крис­таллогидратов, которые в первом приближении равны средней силе связи двух взаимодействующих ионов на поверхности кристаллогидратов и могут быть определе­ны по формуле Кулона[20]:

Лф- Qiq , (ИЛ)

4Я80 8! Г0

Где Qi и <72 — заряды взаимодействующих ионов на поверхности кристаллогидратных образований; Ei — относительная диэлектриче­ская проницаемость жидкой фазы между кристаллогидратными об­разованиями; 8I = F(R0); Го — расстояние между центрами ионов, рас­положенных на поверхности кристаллогидратных образований.

Если Г и Г2— радиусы поверхностных ионов в месте их контактного взаимодействия; H — толщина прослоек жидкой фазы между ними, тогда

R0 = ri + r«+ft. (11.2)

Толщину прослойки H можно рассчитать по зависи­мости

/ Уотн M

H =----------- —------------ • (11.3)

Где VB и Vr — объемы воды затворения и химически связанной с продуктами гидратации цемента соответственно; У0тн — относитель­ное количество воды, образующей сферические гидратные слои тол­щиной H/2 от общего

Ее количества в цементном геле: котн — 0,876; &=1,02—1,10 — поправочный коэффициент на сферичность слоя во­ды; SH0 — удельная поверхность кристаллогидратных образований.

Прочность связей на разрыв в структуре цементного камня, зависящую от его плотности и химической актив­ности цемента, можно выразить в виде

Яцр^срЛГ, (Н.4)

Где N — количество частиц и соответственно контактов между ними, приходящееся на единицу площади по­перечного сечения образца. Оно может быть определено по зависимости

• (11-5)

Где гср — средний радиус кристаллогидратных образований.

Внося в (11.3) значения из (11.1) и (11.2), а также принимая k= 1,06 и FOTh=0,876, получим аналитическое выражение для активности портландцемента при растя­жении [68]:

4яе0 Ej

НО

1.65--------------- B/i+ га

S,


Энергию взаимодействия между двумя ионами опре­деляют по формуле

Подставив (11.7) в формулу (11.6) и полагая, что Т 1 ~г2=гср и ri+r2=2rCp, получим окончательно:

4яе0 11,65 —-------- — + 2гср

Яцр = F ' Vr ~' (l 1 '8)

Е0[м

Зависимости энергии взаимодействия между двумя ио­нами (Ei_i — однозарядными, Е2-2 — двухзарядными и EI_2 — однозарядного с двухзарядным) от их значения и средней диэлектрической проницаемости ei = sCp, по данным работы [68], приведены в табл. 11.1.

ТАБЛИЦА 11.1. ЭНЕРГИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИОНОВ (Ег Ю20 Дж) В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РАССТОЯНИЯ (г01010, м) И 8СП

ГQ • Ю10, м

2

4

8

12

16

20

24

28

32

4 :

36

40

®СР

Ei-i Е2-2 El—2

1,8 64 257 123

1,89 29,7 119 59,4

2,66 11,7 45,2 22,6

9,66 1,99 7,96 3,98

16,87 0,85 3,42 1,71

24,5 0,45 1,80 0,90

31,4 0,31 1,23 0,61

37,4 0,22 0,88 0,44

43 0,17 0,67 0,33

50,1 0,13 0,51 0,25

57,3 0,10 0,40 0,20

Формула (11.8) показывает, что количество воды за­творения влияет при прочих равных условиях не только на образование макроструктурных пор в цементном кам­не, но и на плотность упаковки кристаллогидратов в нем, диэлектрическую проницаемость жидкой фазы и на дру­гие микроструктурные характеристики, определяющие в совокупности прочность цементного камня — потенци­альную активность портландцемента.

Формула (11.8) отражает также кинетику твердения цементного камня, нарастания его прочности, так как со­держит параметры, зависящие от времени гидратации цемента, к которым относятся разность (Ув—VT), умень­шающаяся с увеличением объема связанной воды Уг, количества кристаллогидратных образований N и их удельных поверхностей Suo. Аналогичную закономерность выражает формула (5.12) для определения прочности цементного камня при сжатии, описывающая кинетику его упрочнения с изменением количества свободных мо­лекул воды и центров кристаллизации, т. е. количества кристаллогидратных образований.

Расчет по формуле (11.8) дает вполне реальные зна­чения активности портландцемента при растяжении. Так, например, при N 1,1-1012, толщине водных прослоек

Л = 5,6 А и 2,8 А, соответствующих двум и одной молеку­ле воды (В/Ц=0,4 и 0,3), среднем расстоянии между однозарядными поверхностными ионами (в конце гидра - тационного твердения при В/Д=0,25), равном 1,2 А,

Гср= 1,4 А л 8СР = 3,36; 2,1 и 1,9 (по интерполяции дан­ных табл. 11.1), величина выражается значениями: 1,1; 3,8 и 8,5 МПа.

Максимальная активность портландцемента достига­ется при непосредственном контактном взаимодействии поверхностных ионов, т. е. —h—0 и ei = l. В этом слу-

О

Чае при среднем размере кристаллогидратов 95 А [163] ЯцР = 32 МПа.

При исследовании механических свойств горных по­род в работе [142] показано, что чем выше предел их прочности при сжатии, тем меньше отношение предела прочности на растяжение к пределу прочности при сжа­тии. Для большинства плотных каменных пород это от­ношение меняется в пределах от 0,1 до 0,05. Если /?цр= = 3,8 и 8,5 МПа, активность портландцемента при дефор­мации сжатия может быть ориентировочно определена по соотношениям /?ц=3,8 : 0,1 = 38 МПа и /?ц=8,5 : : 0,085=100 МПа. В предельном случае при /?цр = = 32 МПа величина /?ц»32 : 0,05=640 МПа, что согла­суется с данными, приведенными в работах [157, 159, 166, 167].

Такое значительное различие в величинах активности цемента при сжатии и растяжении объясняется тем, что силы связи между отдельными кристаллогидратами в последнем случае убывают с увеличением нагрузки, а при сжатии возрастают. Уменьшение сил взаимодейст­вия с увеличением нагрузки сопровождается постепен­ным снижением модуля упругости и соответствующим падением прочности на разрыв. При сжатии модуль уп­ругости увеличивается и вместе с этим должна расти и прочность.

Таким образом, можно заключить, что способы уплот­нения цементного геля влияют в равной мере как на прочность бетона, так и на функционально связанную с ней активность портландцемента, т. е. микро - и макро - структурную плотность упаковки твердой фазы в цемент­ном камне. Эта взаимозависимость лежит в основе всех формул прочности бетона, выражающих, по существу, прочность цементного камня в функции от Rn и В/Ц. По этой причине двухпараметровые аналитические зависи­мости не могут быть применены для легких бетонов, так
как кроме всего прочего значительное влияние на проч­ность бетона оказывают механические и деформацион­ные свойства пористых заполнителей.

Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

  1. Пока что нет комментариев.