Бетоны

Технология бетона

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Структура бетона образуется в результате затвердевания (схватывания) бетонной смеси и последующего твердения бетона. Определяющее влияние на ее формирование оказывают гидратация цемента, его схватывание и твердение.

По современным воззрениям, в начальный период при смешивании цемента с водой ь процессе гидролиза трехкальциевого силиката выделяется гидроксид кальция, образуя пересыщенный раствор. В этом растворе находятся ионы сульфата, гидроксида и щелочей, а также небольшое количество кремнезема, глинозема и железа Высокая концентрация ионов кальция и сульфат-ионов наблюдается непродолжительное время после затвирения цемента водой, так как в течение нескольких минут из раствора начинают осаждаться первые новообразования — гидроксид кальция и эт- трингит.

Приблизительно через час наступает вторая стадия гидратации, для которой характерно образование очень мелких гидросиликатов кальция Вследствие того что в реакции принимают участие лишь поверхностные слои зерен цемента, вновь образующиеся гидратные фазы, получившие название цементного геля, характеризуются очень тонкой гранулометрией, размер зерен цемента уменьшается незначительно. Новообразования в первую очередь появляются на поверхности цементных зерен. С увеличением количества новообразований и плстности их упаковки пограничный спой становится малопроницаем для воды примерно в течение 2 ,6ч. Вторую стадию замедленной гидратации принято называть «скрытым или индукционным периодом» гидратации цемента.

В течение скрытого периода цементное тесто представляет собой плотную суспензию, стабилизированную действием флокуло- образующих сил. Однако силы притяжения между цементными частицами в воде относительно слабы, что может быть обьяснено следующим образом. Совместное действие сольватного слоя и электрического заряда препятствует непосредственному контакту между соприкасающимися зернами. Вместе с тем эти зерна испытывают межчастичное притяжение, по крайней мере на некоторь--: пограничных участках. Силы отталкивания и притяжения уравновешиваются на некотором расстоянии от поверхности раздела, где потенциальная энергия частиц минимальна Цементное тесто под действием этих сил приобретает связанность и подвижность.

В течение скрытого периода происходит постепенное поглощение поверхностными оболочками цементное зерен воды, толщина водных прослоек между зернами уменьшается, постепенно понижается подвижность теста и бетонной смеси. В гелевых оболочках появляется осмотическое давление. Внутренние слои цементных зерен, реагируя с водой, стремятся расшириться. В результате наступает разрушение гелевых оболочек, облегчается доступ воды в глубь цементных зерен, ускоряется процесс гидратации цемента.

Наступает третья стадия процесса гидратации. Она характеризуется началом кристаллизации гидроксида капьция из раствора. Этот процесс происходит очень интенсивно. Так как на этом этапе количество гидратных фаз относительно мало, то в пространстве между частицами цемента происходит свободный рост тонких пластинок гидроксида кальция и гидросиликатов кальция и эттрингита в виде длинных аолокои, которые образуются одновременно. Волокна новообразований проходят через поры, разделяют их на более мелкие и создают пространственную связь, усиливая сцепления между гидратными Фазами и зернами цемента С увеличением содержания гидратных фаз между ними возникают непосрецствечные контакты, по которых увеличивается — цементное тесто схватывается, затвердевает, образуется цементный камень.

Образовавшаяся жесткая структура сначала является очень рыхлой, но постепенно она уплотняется: в заполненных водой порах этой структуры непрерывно появляются новые гид ратные фазы Объем пор и их размеры уменьшаются, возраст зет количество контактов между новообразованиями, утолщаются и услот нлются гелеьые оболочки на зернах цемента, срастающиеся в сплошной цементный гель, с включениями не- прореагироваЕших центров цементных зерен. Б результате ьозрастает прочность цементного камин и бетона.

Процесс гидратации развивается на границах зерен и цементный гель растет одновременно внутрь и наружу, причем каждое зерно оказывается как бы упакованным в гель. Вода проникает через гелевую оболочку внутрь зерна, а часть компонентов гидрати- рованного цемента диффундирует в противоположном направлении к внешним границам слоя геля, где эти компоненты присоединяются к существующим кристаллам или начинают образовывать новые. Приблизительно 55% новообразований появляется снаружи, а 45% остается внутри первоначальной границы цементного зерна.

В процессе гидратации размеры пор в цементном камне уменьшаются, что, с одной стороны, приводит к затруднению доступа воды к еще не прореагировавшим объемам цемента и замедлению процесса гидратации, а с другой—к уменьшению размера частиц гидратных фаз, развивающихся в этих порах. Волокна гидросиликата кальция, образующиеся в начале гидратации, могут иметь длину 5 ... 10 нм и диаметр 0,1 ... 0,2 нм, а в конце гидратации новообразования имеют размер в 10 ... 100 раз меньше. Однако в геле полностью гидратированного цемента остаются внутренние пустоты, называемые порами геля. Размер этих пор очень мал (15-10-8 ... 40-Ю-8), в них невозможно образование зародышей гидратных фаз, и поэтому они не могут зарасти новообразованиями.

Пористость геля составляет 28%. Если пористость выше, то это значит, что в геле еще имеются более крупные поры, в которых могут развиваться новообразования, постепенно снижая пористость геля до 28%. Наряду с порами геля в цементном камне сохраняются более крупные капиллярные поры, образовавшиеся при приготовлении цементного теста. Однако размеры и объем пор постепенно уменьшаются. В процессе гидратации происходит постепенное перераспределение жидкой фазы: уменьшается количество свободной, или капиллярной, воды, увеличивается количество химически и физико-химически связанной воды.

При полной гидратации цемента в химическую связь с его минералами вступает приблизительно 20 ... 25 °/с воды от массы цемента (это количество незначительно колеблется в зависимости от минералогического состава цемента и наличия в нем активных минеральных добавок) Так как точные химические составы для многих компонентов цемента еще не установлены, то количество химически связанной воды определяют не мслекулярными расчетами, а по массе «неиспарившейся воды» при сушке по специальной методике. Соответственно используют обобщенное понятие «гидратированный цемент» и ряд усредненных показателей характеризующих физические превращения цементього теста в процессе гидратации. Гидратированный цемент представляет собой в основном коллоидное вещество, и эта общая черга всех цементов в известной мере позволяет не учитывать различия в химическом составе каждого из них при рассмотрении физических свойств цементного теста и камня.

Гидратация цемента сопровождается изменением относительного объема его разных фаг. В процессе гидратации вода, ьступгя в реакцию с цементом, приобретает регулярную структуру и общий объем системы цемент—вода уменьшается, в то время как обьем твердой фазы за счет присоединения воды увеличирается. Гидратированный цемент занимает объем в 2,1 ... 2,2 раза больший, чем объем цемента до гидратации, но меньший на 0,254 от объема воды, чем суммарный объем цемента и связанной воды. Среднее значение истинной плотности продуктов гидратации (включая г. ры геля) в насыщенном водой состоянии приблизительно составляет 2,1 ... 2,2.

Уменьшение объема системы цемент—вода в процессе гидратации получило название контракции. Величина контракции зависит от многих факторов: состава и тонкости помола цемента, В/Ц, вида и содержания добавок и др. По величине контракции при прочих равных условиях можно следить за протеканием процесса гидратации цемента и структурообразования бетона. В среднем ьеличина контракции составляет 7 . 9 мл на 100 г цемента.

По степени гидратации судят об объемах различных структурных составляющих цементного камня и его микроструктуре в определенные сроки твердения.

Так как большинство новообразований цементного камня имеют коллоидные размеры, то в процессе гидратации поверхность твердой фазы значительно увеличивается. Удельная поверхность геля достигает величины 5,5-106 см2/см3 или около 2-106 см2/г, в то время как удельная поверхность негндратированного цемента в среднем равна 3000 см2/г.

На поверхности геля адсорбируется большое количество воды, отсасываемой из более крупных пор. Вода в порах геля прочно удерживается поверхностными силами и поэтому не может быть использована для гидратации еще не гидратированного цемента. Истинная плотность воды в порах геля составляет 1,1 ... 1,15. Объем воды, физико-химически связанной поверхностью геля, приблизительно равен объему химически связанной воды. По данным Т. Пауэрса и С. Брунаура, общее количество химически и физико- химически связанной воды при полной гидратации цемента (в цементном геле) составляет 47 ... 52 % от массы цемента (в среднем 50 %.). Поэтому если при твердении бетона не имеется доступа воды извне, то для полной гидратации цемента необходимо, чтобы В/Ц было больше 0,5.

Если цементный камень твердеет в воде, то полная гидратация цемента происходит и при меньших В/Ц, так как вода может впитываться через капиллярные и контракционные поры, частично освобождающиеся от воды в результате гидратации. Однако необходимо, чтобы объем этих пор был достаточен для размещения продуктов гидратации. Это имеет место при В/Ц>0,38; при меньших В/Ц полная гидратация цемента при его твердении в воде невозможна.

Таким образом, при В/Ц>0,5 в бетоне всегда будут присутствовать капиллярные поры, доступные для миграции влаги, и стойкость его будет понижаться. При В/Ц= — 0,38 ... 0,5 в цементном камне могут сохраниться капиллярные и контракционные поры при отсутствии притока влаги извне за счет того, что не будет полностью проходить гидратация цемента. При водном твердении поры частично зарастают продуктами гидратации. При В/Ц<0,38 в цементном камне отсутствуют капиллярные поры.

В обыиных бетонах цемент редко гидратируется полностью При обычных сроках твердения успевает лрогидратироватьгя только часть цемента, поэтому даже при В/Ц= = 0,5 и выше в цементе сохраняются непрогидратировавшие зерна и значительное количество кэпилляркых пор.

В бетоне цементный камень в результате введения заполнителя занимает только часть объема, поэтому, хотя общий характер зависимостей сохраняется, относительные их величины меньше. Если первоначальная капиллярная пористость для цементного камня при В/Ц = 0,5 достигает 61 %, то в бетоне при расходе воды 170 л и цемента 340 кг она уменьшается до 17%- Изменение пористости бетона во времени показано на рис. 4.5 При изменении расхода цемента и воды пористость также изменяется; ориентировочно можно считать, что для понижения капиллярной пористости на 1 %. необходимо уменьшить расход воды на 10 л'м3 или на 20 ... 35 кт/м3 увеличить расход цемента. Понижение капилляоной пористости ведет к повышению прочности и стойкости бетона, поэтому на производстве стремятся готовить бетонную смесь с минимальным расходом волы, допустимым по условиям формования конструкции или изделия.

Дпя практичесшх целей часто требуется знать сроки схватывания бетонной смеси. Их определяют по изменению предельного напряжения сдвига (например, испытанием на выдергивание из бетонной смеси стержня с выступами) или по скорости прохождения ультразвука Кривые нарастания структурной прочности или скорости ультразвука имеют два характерных участка. Первый участок, по времени совпадающий со скрытым периодом гидратации, характеризуется незначительным повышением структурной прочности. Бетонная смесь сохраняет свойства структурированной жидкости. Затем наступает третий период гидратации, бетонная смесь схватывается, что вызывает резкое увеличение структурной прочности и скорости ультразвука.

Время от начала затворения до момента резкого возрастания прочности называется периодом формирования структуры. Его продолжительность (сроки схватывания) зависит для цементного теста от концентрации цемента, т е. от В/Ц теста; повышение концентрации сокращает сроки схватывания. Плотность и порисгость обоазуюшд нея ь концу периода формирования твердой матрицы также зависят от В/Ц. Эта матрица, образованная из первичных продуктов гидратации цемента, представляет собой «первоначальный каркас», оказывающий заметное влияние на будущую структуру цементного камня.

Дальнейшее   упрочнение структуры (после «узловой» точки перегиба) происходит за счет роста новообразований внутри сложившейся матрицы и соот ветствует третьей стадии гидратации. К концу периода формирования структуры цементное тесто превращается в к шень, совершается довольно резкий переход от пластической прочности цементного теста к хрупкой прочности затвердевшего цементного кг мня.

В бетонной смеси на сроки схватывания существенное влияние оказывает заполнитель. Введенный в цементное тесто заполнитель вследствие проявления поверхностных сил сокращает период формирования структуры, причем чем выше содержа ние заполнителя и его удельная поверхность, тем больше его влияние. Это аналогично у меньшению Е/Ц, поэтому для расчета условно мо» ло принять, что свойства бетонной смеси определяются несколько меншым В/Ц, чем затворения. Определить количество воды, как бы отвлекаемой заполнителем, можно путем сравнительного определения сроков шатывания цементного теста и бетонной смеси, например по результатам ультразвуковых испытаний Для того чтобы достигнуть тех же сроков (уватывания, какие имеет цементное тесто, необ одимо увеличить количество воды в растворе или бетоне Оказалось, что водопотребность песка или щебня, определенная из условия постоянства сроков схватывания, имеет те же значения, что водопотребность, определенная из условия равнопсдчижности Зетоьной смеси.

Если известны водоготребность песка и щебня, то можно определить эффективное (В/Ц), : оторое будет определять сроки схватывания бетонной смеси.

Бетонная смесь должна укладываться в дело до качала схватывания. Воздействие на нее после схватывания приводит к нарушению структуры и снижению прочности бетона.

Заполнитель оказывает заметное влияние на структурообразо ванне бетона госле затвердения бетонной смеси. Заполнитель мо жет создавать жесткий каркас, упрочняющий структуру на первой стадии ее формирования. Наличие заполнителя существенным образом злйяет и на условия твердения цементного камня. В бетоне взаимодействие цемента с водой н его твердение происходят в тонких прослой! ах между зернами зиполнителя при постоянном взаимодействии с ним. Заполнитель повышает водоудерживающую способность цементного теста, ограничивает усадочные деформации, способствует образованию кристаллического каркаса цементного камня, влияет на изменение температуры и влажности в твердеющем цементном камне. Таким образом, заполнитель оказывает существенное влияние на формирование структуры цементного камня и бетона. Это обычно учитывается при определении свойств и проеь гировании состава бетона.

Для удобства расчетов и прогнозирования свойств бетона процесс формнроьания его структуры можьо разбить на три периода: первоначальный, в течение которого бетонная смесь превращается в бетон, последующий, во время которого структура бетона постепенно упрочняется, и третий, когда структура стабилизируется и почти не изменяется со временем. Границей между первым и вторым периодами является точка А, определяющая момент, когда первоначальная структура бетона уже возникла и в дальнейшем происходит лишь ее упрочнение. В этом случае изменение прочности бетона в последующем периоде подчиняется логарифмическому закону, что позволяет более точно прогнозировать изменение свойств бетона во времени.

При очень слабой первоначальной структуре значением R(j можно пренебречь. Продолжительность первоначального твердения. составляющую несколы э часов, обычно не учитывают, когда определяют прочность бетона при нормальном твердении. Но при прогнозировании прочности бетона при тепловой обработке, сроки которой соизмеримы с продолжительностью первоначального твердения, последнюю необходимо учитывать в расчетах. В последующих главах приведены формулы, позволяющие определить прочность бетона в различном возрасте и при разных условиях твердения.

В процессе формирования структуры бетона и ее последующего твердения изменяется не только прочность бетона, но и другие свойства: пористость, тепловыделение, электропроводность и т д. Процессы формирования структуры сопровождаются объемными изменениями в зависимости oi условии твердения бетон может либо увеличиваться, либо уменьшаться в объеме; последнее происходит чаще и носит название усадки. Все эти изменения более значительны па первоначальном этапе формирования структуры и особенно в период превращения псевдожидкой структуры бетонной смеси в твердую структуру бетона и постепенно затухают с возрастом бетона.

Изменения свойств бетона определяются главным образом гидратацией цемента, поэтому свойства последнего оказывают на эти закономерности решающее влияние. Процесс гидратации является ведущим, и его протекание определяет изменение структуры и свойств бетона. Другие факторы (состав бетона, свойства заполнителя и т д ) хотя и влияют на изменение структуры и свойств бетона, но их влияние на кинетику изменения свойств бетона является вторичным и обусловливается в известной мере их воздействием на процессы гидратации цемента и структурообразованпе цементного камня. Постепенное затухание изменений свойств бетона во времени и их стабилизация объясняются постепенным затуханием процесса гидратации цемента.

Влияние отдельных факторов на свойства бетона в процессе изменения его структуры и при эксплуатации может изменяться.

  ИСПЫТАНИЕ ЗАПОЛНИТЕЛЯ В БЕТОНЕ. Исследование заполнителей в бетоне ...

  Тяжелый бетон. Свойства бетонной смеси и бетона

  ДОЛГОВЕЧНОСТЬ БЕТОНА - факторы долговечности бетона