Структура бетона

Структура бетона формируется после уплотнения бетонной смеси в результате гидратации цемента.

После уплотнения бетонной смеси в результате гидратации цемента формируется структура бетона. В начальный период, называемый периодом формирования структуры, происходит медленное упрочнение свежеуложенной бетонной смеси, обусловленное образованием пересыщенного раствора новообразований и выделением их из раствора. К концу периода формирования структуры количество новообразований возрастает, частицы продуктов реакций сближаются и создаются условия для перехода коагуляционной структуры в кристаллизационную, вызывающую резкое возрастание прочности.

По П. А. Ребиндеру, сначала образуется как бы каркас кристаллизационной структуры с возникновением контактов срастания между кристаллами новообразований, потом — обрастание кристалликов каркаса, вызывающее противоречивые явления: повышение прочности и вместе с этим возникновение внутренних растягивающих напряжений в кристаллическом сростке. Достигнув значительных величин, эти напряжения могут явиться причиной появления микротрещин в цементном камне и внезапного понижения (сброса) прочности. Поэтому экспериментальная кривая нарастания прочности бетона имеет пилообразный вид. Сбросы прочности бетона, если они имеют место, не должны быть большими и не должны отрицательно сказываться на проектной несущей способности конструкции.

Рисунок-1.Структура бетона:

Структура бетона

а-макроструктура растворной части бетона; в-микроструктура цементного камня в бетоне: крупные кристаллы эттрингита, мелкие частицы гидросиликата кальция (х 9690)

Продолжительность периода формирования структуры, а также пластическая прочность бетонной смеси зависят от ее состава, вида вяжущего и химических добавок. Жесткие и малоподвижные бетонные смеси, изготовляемые с небольшим В/Ц, после уплотнения имеют короткий период формирования структуры. Применение быстро-твердеющих цементов и добавок — ускорителей схватывания также ускоряет формирование структуры. Это имеет важное значение для технологии, в частности: при формовании изделий с немедленным снятием бортовой опалубки, при бетонировании конструкций в скользящей опалубке, для быстрой стабилизации ячеистой структуры газо- и пенобетона.

В случае надобности период формирования структуры можно продлить путем введения в бетонную смесь при ее изготовлении замедлителей схватывания. Они помогают сохранить удобоукладываемость бетонных смесей в случае перевозки на дальние расстояния и в жаркую погоду.

Наряду с химическими добавками широко используют температурный фактор.

 Макроструктуре бетона

Макроструктура определяет сложение бетона как искусственного конгломерата, подобно текстуре горных пород (рис. 1, а). Объем уплотненной бетонной смеси (примем его равным 1) слагается из объемов: зерен заполнителя Vз, цементного теста Vц.т и воздушных пор Vвозд, которые выразим в долях от 1, следовательно^

Vз+Vц.т+Vвозд=1.

При хорошем уплотнении воздушная пористость близка к нулю (Vвозд менее 2 — 3%), поэтому можно принять, что уплотненная смесь состоит в основном из двух составных частей — зерен заполнителя и цементного теста: Vз + Vц.т = 1.

Поскольку цементное тесто состоит из зерен цемента и воды, уравнение, выражающее объем плотно уложенной бетонной смеси, примет вид.

Vз + Ц/ρц + В = 1,

где ρц — плотность цемента, т/м³; Ц и В — соответственно количества цемента, т, и воды, м³, расходуемые на 1 м³ уплотненной бетонной смеси; Ц/ρц — абсолютный объем цемента.

Это уравнение называют уравнением абсолютных объемов, так как в него входят абсолютные объемы заполнителя и цемента.При расчете состава бетона оно служит для определения суммарного абсолютного объема мелкого и крупного заполнителей: Vз=1-Ц/ρц-В, или Vз=1-[1/ρц+B/Ц]Ц.

Рисунок-2. Номограмма структур бетонов

Номограмма структур бетонов

Зависимость структуры бетонов слитного строения от В/Ц расходов цемента и воды представлена в виде номограммы (рис. 2). По горизонтальной оси отложены значения В/Ц цементного теста, по вертикальной оси — расходы воды в м³ на 1 м³ бетона. В координатах ( В/Ц,В) каждая наклонная прямая соответствует определенному расходу цемента (в т/м³), так как тангенс угла наклона прямой численно равен расходу цемента tg α=В/(В/Ц)=Ц.

Номограмма имеет вид семейства кривых, встречающихся в начале осей координат. Верхняя огибающая кривая соответствует цементному тесту без заполнителя, и ее уравнение получается из уравнение абсолютных объемов при Vз=0;

В=(В/Ц) /(1/ρц+В/Ц).

Каждая точка номограммы, полученная при пересечении кривой и наклонной прямой, соответствует бетону определенного состава. Например, взятая на номограмме точка А определяет бетон с В/Ц = 0,6, расходами воды и цемента соответственно 0,18 м³/м³ и 0,3 т/м³; макроструктура бетона характеризуется содержанием заполнителя Vз = 0,72 и цементного теста Vц.т = 0,28 м³.

На номограмме выделена (пунктиром) область бетонов, наиболее широко применяемых в строительстве.

Микроструктура бетона

Микроструктура характеризует строение твердого вещества (рис. 1, в), величину и характер пористости каждого из компонентов бетона (цементного камня и заполнителя), а также строение пограничного (контактного) слоя между ними.

Заполнитель влияет на тесто вяжущего вещества в бетоне и формирование структуры. На смачивание зерен плотного заполнителя тратится часть воды затворения, и структура цементного камня формируется при меньшем значении В/Ц, чем исходное. Еще большее количество воды поглощает пористый заполнитель. При укладке подвижных смесей может происходить внутреннее водоотделение, и вода скапливается под зернами крупного заполнителя, при этом ослабляется связь между крупным заполнителем и растворной частью бетона (рис. 3). Вдоль слабой зоны развиваются внутренние усадочные трещины.

Рисунок-3. Влияние внутреннего водоотделения:

Влияние внутреннего водоотделения

а-на структуру бетона; б-на образование внутренних трещин; 1-крупный заполнитель; 2-слабая зона с повышенным содержанием воды; 3- растворная часть; 4-трещина

Внутреннее расслоение нарушает монолитность и однородность бетона, приводит к анизотропии механических свойств. Например, прочность бетона на растяжение в вертикальном направлении ( к поверхности бетона) оказалась в 1,7 раз меньше, чем в горизонтальном. Вода, смачивающая зерна заполнителя участвует в формировании контактного слоя.

Контакт между зернами заполнителя и цементным камнем влияет на совместную работу камневидной составляющей и минерального клея под нагрузкой, а также на монолитность и стойкость бетона. Ширина контактной зоны цементного камня колеблется от 30 до 60 мкм. По своему составу и свойствам контактная зона отличается от остального цементного камня.

Сращивание зерна заполнителя с цементным камнем связано с миграцией гидрата окиси кальция, получающегося при гидролизе трехкальциевого силиката, к поверхности зерна. В результате на поверхности заполнителя образуются кристаллы Са(ОН)2 и СаСОз. Возможно химическое взаимодействие некоторых видов заполнителя с продуктами гидратации цемента даже при нормальных условиях твердения, усиливающееся при тепловой обработке.

Например, установлено, что на поверхности зерен карбонатного щебня (из известняка) образуются соединения типа карбоалюминатов, которые упрочняют сцепление. Некоторые природные и искусственные пористые заполнители (пемза керамзит) содержат свободную аморфную двуокись кремния, реагирующую с Са(ОН)2 с образованием гидросиликатов. В условиях автоклавной обработки даже зерна кварцевого песка вступают во взаимодействие с Са(ОН)2.

Прочность сцепления между заполнителем и цементным камнем зависит от природы заполнителя, его пористости, шероховатости и чистоты поверхности зерен, а также от вида и активности цемента, водоцементного отношения и условий твердения бетона. У бетонов на плотных заполнителях она меньше прочности цементного камня на растяжение.

Поры бетона по местоположению делят на следующие виды:

1) поры в цементном камне Пц.к, подразделяемые на поры геля Пг) капиллярные Пк и образованные вовлеченным воздухом Пвозд;

2) поры в заполнителе Пз;

3) межзерновые пустоты Пмз — пространство между зернами заполнителя, не заполненное цементным тестом.

Общая пористость бетона(Пб) может быть представлена в виде суммы составных ее частей:

Пб = Пг + Пк + Пвозд + Пз + Пмз.

Пористость бетона прямо пропорциональна объему цементного’ камня в бетоне и, следовательно, равна произведению пористости цементного камня на Vцт. Этим путем получим формулы для вычисления пористости бетона, изготовленного на плотном заполнителе (Пз=0) при плотной укладке бетонной смеси (Пмз=0); воздушная пористость принята равной 2 — 6%.

Таблица-1. Значения пористости в зависимости от В/Ц, степени гидратации портландцемента и расхода вяжущего

Значения пористости в зависимости от В/Ц, степени гидратации цемента и расхода вяжущего

С помощью формул можно определить общую пористость бетона и расчленить ее на группы. Для этого нужно экспериментально определить степень гидратации цемента (количественным рентгеновским анализом либо при помощи автоматического прибора — дериватографа или другим способом). Поэтому данный метод определения групповой пористости бетона называется экспериментально-расчетным.

Например, бетон, изготовленный на плотных заполнителях при расходе воды В=0,18 м³ и цемента Ц=0,3 т на 1 м³ бетона с воздухововлекающей добавкой (Пвозд=2,5%) и твердевший 28 сут в нормальных условиях ( степень гидратации α=0,7), будет иметь следующие характеристики пористости:

общая пористость Пб=[90,6-0,5·0,7)+0,29·0,7]0,3+0,025=0,161(16,1%),

капилярная Пк=(0,6-0,5·0,7)0,3=0,075(7,5%);

пористость геля Пг=0,29·0,7·0,3=0,061(6,1%);

в том числе контракционный объем Vk=0,09·0,7·0,3=0,019(1,9%).

Рисунок-4. Графики, характеризующие распределение воды и изменение пористости бетона в зависимости от степени гидратации цемента а (для единичного расхода цемента 1 т/м³)

Графики, характеризующие распределение воды и изменение пористости бетона

На рис. 4 представлены графики приведенных формул для единичного расхода цемента (Ц=1 т/м³). Общее количество воды, связанной в цементном камне бетона, равное 0,5 αЦ, возрастает в прямой зависимости от степени гидратации цемента (рис. 4, а). Связанная вода разделяется примерно поровну: половина ее связана цементом химически и примерно столько же (0,25 αЦ) — физико-химически в порах цементного геля.

Объем пор геля также увеличивается в прямой зависимости от степени гидратации (рис. 4, б) и достигает максимума при α=1. Из всей гелевой пористости (0,29 αЦ) можно выделить контракционный объем, равный Пконтр=0,09 αЦ.

Объем капиллярных пор зависит не только от Ц и α, но и от начального В/Ц. Сразу после затворения и уплотнения бетонной смеси объем капиллярных пор равен объему воды затворения; по мере возрастания количества связанной воды капиллярная пористость бетона уменьшается и становится наименьшей при полной гидратации цемента.

Выше указывалось (см. разд. IV), что капиллярные поры, образованные несвязанной водой затворения, скапливающейся между агрегатами частиц геля, имеют большой размер (более 1000 А) и сообщаются с окружающей средой. Поэтому они ухудшают морозостойкость бетона, увеличивают его проницаемость.

Можно определить плотный бетон как монолитный бетон с однородной структурой и с минимальным объемом капиллярных пор (теоретически он должен быть равен нулю).

Капиллярная пористость бетона, изготовленного с начальным В/Ц≤0,5, будет равна нулю при достижении степени гидратации α=2 В/Ц (табл. 24, рис. 64,в). Бетоны с В/Ц>0,5 всегда имеют капиллярные поры, если даже α=1 (рис. 4,в). Вот почему значение В/Ц принимают не более 0,4 — 0,5, если бетон служит в суровых условиях (многократное замораживание при одновременном действии морской воды и т. п.).

На рис. 4,г общая пористость бетона представлена в виде суммы капиллярной и гелевой пористости. В бетоне с В/Ц<0,5 (например, В/Ц = 0,4) общая пористость достигает наименьшего значения при α=2 В/Ц (на ломаной АБВ); если же происходит дальнейшая гидратация цемента, то пористость бетона растет (линия БВ) вследствие увеличения количества геля и прироста гелевой пористости.

Снижение водоцементного отношения путем увеличения расхода цемента неэффективно, как по экономическим, так и по техническим соображениям. При возрастании количества цемента В/Ц уменьшается, но зато увеличивается объем цементного теста, поэтому капиллярная пористость убывает медленно, а усадка бетона сильно возрастает. Гораздо эффективнее уменьшать количество воды без ухудшения удобоукладываемости путем применения пластифицирующих добавок. Для уменьшения капиллярной пористости на 1 % надо снизить расход воды на 10 л/м³ или увеличить расход цемента на 25 — 33 кг/м³ в зависимости от степени гидратации цемента.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.