При рассмотрении затвердевшего цемента в электронном микроскопе между его зернами обнаруживаются мельчайшие частицы шарообразного и пластинчатого вида. Многие из этих частиц столь малы, что находятся в омывающей их воде во взвешенном состоянии и сообщают суспензии те коллоидальные свойства, которые долгое время приписывали затвердевшему цементу.
Более или менее быстрое протекание процесса твердения зависит от интенсивности кристаллизации, от образования твердого скелета в результате химического соединения частиц. Степень твердения измеряется обычно результатами испытаний на сжатие и растяжение. Но оценить твердение можно и другими способами, в частности измерением скорости звука. Этот последний метод, позволяющий определить динамический модуль упругости и коэффициент Пуассона, раскрывает некоторые интересные особенности и в этом процессе.
Динамический модуль упругости возрастает довольно быстро на протяжении одной-двух первых недель твердения, затем это нарастание прочности довольно резко замедляется, а по истечении 4-6 лет вовсе приостанавливается (в случае применения портландцемента). Кажется, что в тех же условиях среды и по истечении того же срока заканчивается твердение бетона, приходящего при этом в стабильное состояние. В течение первого срока модуль упругости портландцемента возрастает приблизительно на 30%, в течение второго срока – приблизительно на 70%.
Коэффициент Пуассона с возрастом бетона уменьшается. Если в возрасте одного дня обычными для бетона значениями этой характеристики бывает цифра 0,25-0,30, то по истечении длительного срока она падает ниже 0,15.
Твердение – результат растворения, химической реакции и кристаллизации – может происходить не иначе, как только в присутствии воды. В воде бетон твердеет в наилучших условиях. В сухом воздухе бетон твердеет не столь быстро, так как он должен в этом случае часть введенной воды отдавать внешней среде. В зависимости от условий хранения модуль упругости увеличивается или поддерживается на сравнительно низком уровне (рисунке).
Но если по истечении некоторого срока хранения в воздухе бетон поместить в воду, его модуль упругости вновь станет возрастать, не достигая, однако, того значения, к которому приводит непрерывное выдерживание в воде в течение всего срока с начала твердения. Напротив, бетон, выдержанный сначала в воде и помещенный затем в сухой воздух, почти сохраняет уже приобретенное значение модуля упругости без заметного снижения.
Хранение в воздухе, сообшает гидратизированному цементу иную структуру, чем хранение в воде. В первом случае кристаллизация может быть лишь в частях, омываемых водой; поэтому в цементе остаются ячейки в виде пор, наполненных воздухом. Цементный камень бетона, выдержанного на воздухе, имеет ячеистую структуру; его модуль упругости получается более низким, он более порист и, вероятно, более проницаем.
Процесс твердения ускоряется под воздействием высокой температуры. Кристаллизация, вызывающая твердение, обусловлена различиями в растворимости между веществами, которые вступают в химическую реакцию, чтобы исчезнуть в ней, и веществами, которые создаются в результате ее в присутствии воды. Этот процесс термодинамический, и потому температура играет в нем решающую роль. Например, в портландцементе при температуре 15° процесс схватывания, начавшись в 3 ч. 15 м., заканчивается в 7 час.; при температуре 50° он уложился в интервал от 1 ч. 15 м. до 2 ч. 0,5 м, при температуре же 100° – от 15 мин. до 55 мин., т. е. сократился с 4 час. до 40 мин.
Для одного и того же портландцемента влияние температуры на скорость твердения изменяется в зависимости от условий испарения, являющегося результатом подогрева.
Подогрев портландцементного бетона при 70-80° во влажной среде в течение 3 час. позволил получить почти такую же прочность, которой при 15° удается достигнуть лишь после двухдневной обработки; подобная же обработка в течение 24 час. дала прочность, равную 2/3 прочности бетона в возрасте 28 дней. Однако окончательная прочность при этом страдает и получается приблизительно на 10% ниже нормальной при влажном хранении. При сухом хранении снижение прочности может достигнуть 40 %.
Обработка бетона в горячей воде. представляется, на первый взгляд, более многообещающей, поскольку при этом сохраняется влажность. Опыт, однако, показывает, что этот процесс, вопреки ожиданиям, малоэффективен, если не опасен. Портландцемент и высокопрочный цемент (HRI) слабо на него реагируют. Что же касается сульфатно-шлаковых цементов и, разумеется, глиноземистых, то они обнаруживают при этом падение прочности.
Весьма эффективной, напротив, является обработка в автоклаве. Важным обстоятельством здесь является то, что твердение сопровождается здесь «кремнезем-известковым» эффектом, т. е. реакцией между известью, освобожденной в результате гидратации, и мелкозернистыми заполнителями, если они кремнеземного происхождения. Для портландцемента под давлением в 2 ати и температуре 133° можно легко получить прочность 115 кг/см2 после 2 час. обработки, 260 кг/см2 – после 8 час., с доведением ее до 300 кг/см2 с последующим выдерживанием в нормальных условиях при 18°.
Давление в 10 ати при 183° дает прочность 255 кг/см2 через 2 часа, 350 кг/см2 – через 8 час. Двухчасовая обработка с последующим нормальным выдерживанием в течение 28 дней обеспечивает прочность 300 кг/см2. Подобная же 8-часовая обработка дает после той же выдержки прочность в 480 кг/см2.
Кремнезем-известковый эффект можно усилить добавкой мелкого кварцевого песка. Обработка в течение 2 час. под давлением в 10 ати дает в этих условиях прочность 425 кг/см2 после запаривания и 580 кг/см2 по истечении 28 дней; обработка в течение 10 час. под тем же давлением дает прочность 660 кг/см2 после запаривания и 760 кг/см2 после 28 дней. Надо заметить, что здесь речь идет о растворе малой плотности, и потому в тщательно приготовленном бетоне, как легко понять, этим способом можно достигнуть весьма высоких прочностей (выше 1 000 кг/см2).
Нужно, однако, иметь в виду, что если портландцемент с успехом поддается автоклавной обработке, то этого нельзя сказать ни о шлаковых цементах, ни о глиноземистых и сульфатно-шлаковых.
Автоклавная техника требует применения дорогого и сложного оборудования. Более простое решение можно найти в пропаривании под атмосферным давлением, хотя результаты его и менее эффективны. Портландцемент, пропаренный в течение 2 час. при 80°, может обнаружить прочность на сжатие порядка 100 кг/см2, после 8-часового пропаривания – 140 кг/см2. Высокопрочный цемент (HRI) по истечении 2 час. может дать 120 кг/см2 и соответственно 225 кг/см2 – после 8 час.
В качестве общего требования нужно указать, что бетон, поступающий в подобную обработку, должен быть по возможности плотным, хорошо отвибрирован и тщательно уложен.
Обработка приносит тем больше выгоды, чем плотнее бетон. При пропаривании следует всячески избегать конденсации влаги на гранях бетонной детали: она часто приводит к вспучиваниям и ‘К разрушениям местного характера. Особые преимущества этот метод дает в применении к сборным изделиям в формах с хорошо укрепленной крышкой. Но, поскольку не все цементы в равной степени пригодны к термической обработке, представляется целесообразным поставить предварительные испытания, с тем чтобы получить ориентировку в выборе цемента, а также контрольные испытания, чтобы проверить его применимость. Для измерения расширения и прочности бетона вместе с обрабатываемыми деталями в автоклавы следует закладывать несколько контрольных образцов.