logo

Бетон как псевдотвердое тело

Часть 1   Часть 2   Часть 3

Строение готового бетона можно представить себе в виде пространственной решетки из затвердевшего цементного раствора (цементного камня) с распределенными в ней каменными включениями из мелких зерен песка и более крупных зерен щебня или гравия.

В период длительного твердения бетона его скелет или вышеупомянутая пространственная решетка из цементного камня представляет с физической точки зрения не твердое тело в его обычном понимании, а тело, в массе которого одновременно присутствуют все три фазы: твердая, жидкая (вода) и газообразная (воздух).

Вода, содержащаяся в цементном камне, находится в трех различных состояниях: одна часть ее химически связана с кристаллическими продуктами гидратации цемента, другая часть находится в полусвязанном состоянии в геле и наконец третья, в начале твердения весьма значительная – в свободном состоянии. Последняя вместе с воздухом, попавшим в бетон во время его перемешивания и укладки в конструкцию, заполняет многочисленные микроскопические поры и каналы в твердеющем цементном камне и освобождает их лишь с крайней медленностью путем испарения при высыхании бетона. Наличие этих пор совершенно неизбежно, что может быть легко доказано элементарными соображениями.

Даже в том случае, когда в цементном растворе нет воздушных пузырьков (например в вакуум-бетоне), объем пор не равен нулю – свой вклад в пористость вносит избыток воды, внесенный при затворении бетона.

Итак, цементный камень, а стало быть, и бетон обладают определенной пористостью. Подобное тело, по внешнему виду сходное с твердым, но заключающее в себе решетку с пронизывающими ее мелкими порами, наполненными водой и воздухом, Фрейсинэ называет псевдотвердым. Наличие пор создает условия для приобретения бетоном особых свойств, отличных от свойств обыкновенного (т. е. плотного) твердого тела. Капиллярные явления, возникающие в микропорах, а вместе с тем и длительные процессы кристаллизации цементного геля в своей совокупности обусловливают изменяемость физического состояния твердеющего бетона во времени и как следствие этого — изменяемость его основных свойств — плотности и прочности.

В порах бетона находится определенное сочетание влаги и воздуха. На поверхности, отделяющей влагу от воздуха, возможны различные физические состояния: испарение влаги, конденсация ее паров и равновесие между давлениями паров воды вблизи и вне разделяющей поверхности. Наличие того или иного из этих состояний связано с поперечными размерами пор. Если эти размеры настолько велики, что жидкость, смачивающая стенки пор, не может образовать менисков, происходит испарение, и поры постепенно высыхают. Если, наоборот, поперечные размеры пор очень малы, они остаются заполненными водой. Если наконец размеры пор таковы, что жидкость в них образует мениск, устанавливается равновесное состояние, соответствующее определенной степени влажности (насыщенности парами воды) воздуха. В этом последнем случае стенки пор будут испытывать нормальное давление, вызываемое поверхностным натяжением мениска; величина его определяется по известной формуле Лапласа.

В то же время капиллярные давления в этих порах имеют весьма значительную величину; они возрастают с уменьшением толщины пор и могут легко превзойти собственную прочность самого материала. Но так как эти микропоры рассеяны по всей массе бетона в различных направлениях, то давления, взаимно уравновешиваясь, производят как бы всестороннее сжатие бетона, в результате чего бетон получает объемную деформацию, так называемую усадку. Пользуясь известными законами теории упругости, можно получить приближенное представление и о величине усадочной деформации. Если допустим, что тело бетона изотропно по отношению к порам, т. е. они распределены в его массе равномерно и по всем направлениям, то в любом сечении, равном единице, смоченные поры займут некоторую долю этого сечения.

Принимая, что смоченные поры занимают 5% в массе бетона, для влажности 60% можем высчитать величину усадки в 0,1 мм/м, что не противоречит наблюдениям.

Труды упоминаемого в этой статье Фрейсине можно почитать:

1. На языке оригинала: E. Freyssinet "Une révolution dans les techniques du béton", 1939

2. В переводе на русский: "Переворот в технике бетона" под ред. проф. Н.М.Беляева, 1938 г.