Структура бетонной смеси и бетона проектируемого состава

 

Структура бетона образуется в результате затвердевания (схватывания) бетонной смеси и последующего твердения бетона. Структура бетона определяет его свойства.

После приготовления и уплотнения бетонной смеси в результате гидратации цемента происходит медленное упрочнение свежеуплотнённой смеси, однако какое-то время она ещё сохраняет способность к значительным пластическим деформациям. После образования значительного количества новообразований их частицы сближаются и начинается переход коагуляционной структуры в кристаллизационную с резким возрастанием прочности [2]. Бетонная смесь затвердевает, возникает твёрдая структура бетона.

Продолжительность периода формирования структуры бетона и её свойства зависят от состава бетона и применяемых материалов. Определяющее значение имеют вид цемента и химические добавки. Применение быстротвердеющих цементов, добавок-ускорителей твердения, уменьшение водоцементного отношения и повышение жёсткости или температуры бетонной смеси ускоряют формирование структуры бетона. Это имеет важное значение при заводском производстве железобетонных изделий. Схватывание бетонной смеси ускоряется также при увеличении содержания заполнителя и уменьшении его крупности.

В процессе изготовления и твердения бетона можно выделить два периода [10], когда материал характеризуется различными свойствами и состоянием: 1) до схватывания цемента и превращения бетона в твёрдое тело – бетонная смесь и 2) период твердения и эксплуатации материала, обладающего всеми свойствами твёрдого тела – бетон.

Бетонную смесь, представляющую собой сложную многокомпонентную полидисперсную систему, получают при затворении водой смеси цемента с заполнителями. В неё также могут входить специальные добавки и вовлечённый в процессе приготовления смеси воздух. Бетонную смесь получают и при затворении смесь заполняют органическими и другими жидкими связующими [10].

Вследствие наличия внутренних сил взаимодействия между частицами твёрдой фазы и воды бетонная смесь приобретает связанность и определённые свойства, характерные для структурированной вязкой жидкости. По своим свойствам бетонные смеси занимают промежуточное положение между вязкими жидкостями и твёрдыми телами. От истинной вязкой жидкости они отличаются наличием некоторой прочности структуры или структурной вязкостью, возникающей благодаря силам вязкого трения. От твёрдых тел – отсутствием достаточной упругости формы и способности к значительным необратимым пластическим деформациям течения даже при незначительных нагрузках.

Образовавшаяся после затвердевания бетонной смеси структура тяжёлого бетона [2] представляет собой цементный камень с втопленными в него зёрнами заполнителя, имеющий множество пор и пустот разных размеров и происхождения. В бетоне различают макроструктуру, представленную системой щебень-цемент-песчаный раствор; мезоструктуру, показывающую строение системы песок-цементный камень, и микроструктуру – тонкое строение цементного камня и заполнителя.

Макро- и мезоструктуру бетона можно разделить на три вида [2] в зависимости от величины раздвижки зёрен заполнителя цементным камнем; первый – зёрна заполнителя значительно раздвинуты цементным камнем и как бы «плавают» в нём; второй – цементный камень заполняет поры между зёрнами заполнителя и лишь незначительно раздвигает их, покрывая тонким слоем; третий – зёрна заполнителя контактируют друг с другом через тонкую прослойку цементного камня, который лишь частично заполняет пустоты между его зёрнами. Наиболее оптимальной является структура второго вида, которая обеспечивает высокую плотность и заданную прочность бетона при минимальном расходе цемента.

Микроструктура цементного камня в бетоне состоит из новообразований и непрореагировавших зёрен цемента и микропор различных размеров. С увеличением возраста бетона его микроструктура в результате продолжительной гидратации цемента изменяется: возрастает количество новообразований цементного камня, уменьшается его пористость, изменяется распределение пор по размерам [2]. Изменение структуры бетона сопровождается изменением его свойств: бетон становится прочнее, он твердеет.

Для практических целей структуру бетонной смеси удобно рассматривать как систему, состоящую из двух компонентов: цементного теста и заполнителя [10]. Основным структурообразовательным компонентом бетонной смеси является цементное тесто, в состав которого входят цемент, вода, в ряде случаев тонкомолотые минеральные добавки или золы. Частицы цемента и тонкомолотых добавок отличаются маленькими размерами и большой удельной поверхностью, в результате чего цементное тесто обладает высокоразвитой поверхностью раздела твёрдое тело-жид-кость и в нём сильнее проявляются силы адсорбционного, молекулярного и капиллярного взаимодействия, придающие системе связанность и подвижность.

Структура цементного теста с момента затворения водой находится в постоянных изменениях. Эти изменения вызываются как внешними силами, действующими при перемешивании и уплотнении бетонной смеси, так и внутренними физико-хими-ческими процессами, в первую очередь гидратацией цемента. Внешние силы, как правило, способствуют диспергации цементных зёрен, разрушению флокул, лучшему распределению воды на поверхности цемента и тем самым повышают подвижность бетонной смеси. При гидратации цемента образуются новообразования с высокой удельной поверхностью. На поверхности цементных зёрен появляется переходный слой, активно взаимодействующий с водой, удельная поверхность твёрдой фазы увеличивается. В результате возрастает количество связанной воды, а подвижность бетонной смеси уменьшается.

Вода в бетонной смеси находится в различных состояниях (таблица 3.1). Небольшая часть воды вступает в химическое взаимодействие с цементом и находится в химически связанном состоянии. Относительное количество этой воды постепенно увеличивается, однако к моменту схватывания не превышает 5%. Другая часть воды под действием адсорбционных сил оказывается физико-химически связанной на поверхности твёрдой фазы. Количество её также меняется процессе гидратации цемента, которая обычно сопровождается увеличением удельной поверхности твёрдой фазы. В свежеприготовленном цементном тесте относительное содержание этой воды составляет около 3-5%, увеличивается к моменту схватывания до 25% от общего содержания воды.

Таблица 3.1 Вода в бетонной смеси

Характер связи	Условия и причины образования связи	Ориентировочное относительное содержание воды, % от общего количества воды
		В свежеприготовленной смеси	В период схватывания цемента
Химическая (в точном количественном соотношении)	Гидратация и кристаллизация из раствора	1…2	4…5
Физико-химическая, адсорбционная	Адсорбция в зоне действия молекулярных силовых полей твёрдой фазы	3…5	20…25
Механическая, структурная	Захват воды в тонкие капилляры, поры, флокулы	93…95	70…75

 

Основное количество воды в цементном тесте находится в межзерновом пространстве, размеры отдельных пор и полостей которого могут изменяться от 1 до 50 мкм и более, что в десятки и сотни раз больше, чем толщина даже слабо связанных сольватных плёнок воды. Вследствие действия капиллярных сил и образования флокул и геля в процессе гидратации цемента вода в межзерновом пространстве механически связана со структурой цементного камня. По образному выражению Н. А. Мощанского, это вода, «запутанная в структуре». Часто её также называют свободной, подразумевая, что она не связана химически и не испытывает воздействия молекулярных сил твёрдой фазы. Относительное количество свободной воды от общего объёма воды составляет около 95% сразу после приготовления цементного теста и уменьшается до 65…70% к моменту схватывания. Свободная вода оказывает заметное влияние на подвижность цементного теста.

Введение заполнителей в цементное тесто существенно влияет на свойства материала. Поверхность заполнителей оказывает воздействие на прилегающие слои цементного теста. За счёт адсорбционных, молекулярных и капиллярных сил эти слои теряют подвижность подобно тому явлению, которое имеет место при адсорбции воды поверхностью твёрдого тела. Однако при этом взаимодействие охватывает мельчайшие частицы цемента и зона воздействия заполнителя на цементное тесто увеличивается (рисунок 3.1). Толщина зоны воздействия зависит от свойств заполнителей и цемента и в среднем составляет около 10…15 мкм. Влияние заполнителя возрастает с увеличением его содержания или удельной поверхности.

В зависимости от соотношения между цементным тестом и заполнителем можно выделить три основных структуры бетонной смеси (рисунок 3.2).

В первой структуре зёрна заполнителя раздвинуты на значительное расстояние и практически между собой не взаимодействуют; они оказывают влияние лишь на прилегающую зону цементного теста, а суммарное действие их прямо пропорционально содержанию зёрен заполнителя и их удельной поверхности.

Во второй структуре цементного теста меньше и оно лишь заполняет поры между зёрнами заполнителя с незначительной раздвижкой самих зёрен слоем обмазки, толщина которой в местах контакта зёрен заполнителя равна 1…3 средним диаметрам частиц цемента. В этих условиях зоны воздействия отдельных зёрен заполнителя начинают перекрывать друг друга – возникает трение между зёрнами заполнителя. Для придания смеси той же подвижности, что и в структуре первого типа, требуется более интенсивное воздействие или увеличение подвижности цементного теста за счёт изменения водоцементного отношения в большей мере, чем это было свойственно структуре первого типа.

 

Рисунок 3.1. Влияние заполнителя на воду (а) и цементное тесто (б)

 

Рисунок 3.2. Типы структур бетонной смеси и влияние их на водопотребность равноподвижной смеси: І – смесь с плавающим заполнителем; ІІ – смесь с плотной упаковкой заполнителей; ІІІ – крупнопористая смесь с недостатком цементного теста

 

На рисунке 3.3 приведены результаты одного из опытов, показывающие, насколько требуется увеличить водоцементное отношение для получения раствора одинаковой подвижности (на встряхивающем столике) при повышении содержания песка. Чётко виден перелом кривых, указывающий на переход от одного типа структуры к другому, причём при применении мелкого песка граница перехода сдвинута в зону составов с большим расходом цемента, что необходимо для заполнения увеличившегося объёма пустот и обмазки большей суммарной поверхности зёрен мелкого песка.

 

Рисунок 3.3. Изменения , необходимые для получения равноподвижных цементно-песчаных смесей при различном соотношении цемента и песка: 1 – на песке средней крупности; 2 – на мелком песке

 

В третьей структуре бетонной смеси цементного теста мало, оно только обмазывает зёрна заполнителя слоем небольшой толщины, а поры между зёрнами заполнителя лишь частично.

Каждая структура имеет свои закономерности, определяющие её свойства и влияющие на них различные факторы [10]. Для структуры первого типа решающее значение имеют свойства цемента; реологические свойства определяются в соответствии с зависимостью, характерной для вязких жидкостей. В структуре второго типа возрастает роль заполнителя и трения между его зёрнами. Особенно сильно заполнитель влияет на свойства структуры третьего типа, и реологические свойства в этом случае должны описываться с учётом сил внутреннего (сухого) трения.

Переход от одного типа структуры к другому с увеличением содержания заполнителя совершается постепенно. Вначале переход намечается в отдельных малых объёмах и постепенно охватывает весь объём бетонной смеси.

При переходе от второго типа структуры к третьему сначала (при небольшой нехватке цементного теста для заполнения пустот в заполнителе) при перемешивании и укладке в бетонную смесь вовлекается большое количество мельчайших пузырьков воздуха, который как бы увеличивает объём цементного теста и тем самым способствует заполнению межзернового объёма пустот в заполнителе. Такую структуру правильнее относить ко второму типу. При дальнейшем уменьшении содержания цементного теста увеличивается объём вовлекаемого воздуха и размер пузырьков воздуха, возникают сплошные большие разрывы и неплотности. Такая структура уже должна относиться к третьему типу.

Вследствие постепенного характера изменения структуры бетонной смеси границы между структурами условно могут сдвигаться при изменении свойств цемента и заполнителя, подвижности бетонной смеси, методов формования и других факторов. Обычно бетонная смесь относится ко второму типу структуры. Подобная структура отличается высокой эффективностью и позволяет получить нерасслаиваемую бетонную смесь заданной подвижности при минимальном расходе цемента. Примером смеси, имеющей структуру первого типа, является цементно-песчаная смесь с повышенным расходом вяжущего, применяемая для изготовления армоцементных конструкций. Структуру третьего типа имеют беспесчаные бетонные смеси (для крупнопористых бетонов) и некоторые тощие составы строительных растворов.

Структура бетонной смеси, образовавшаяся в процессе её приготовления и укладки, впоследствии до момента затвердевания может претерпевать изменения, вызывающие гидратацию цемента и осаждение твёрдых частиц по объёму бетонной смеси, называется расслоением или седигментацией. При этом можно различить два процесса: макро- и микрорасслоение: в первом происходит осаждение крупных тяжёлых зёрен, в результате чего несколько уплотняется смесь в нижних частях формы или конструкции, а лишняя вода отжимается наверх или скапливается под крупными зёрнами заполнителя; во втором подобное явление происходит с цементными зёрнами (вследствие их малой величины) с меньшей скоростью, причём оно обычно развивается в порах между заполнителем.

При применении лёгких заполнителей может наблюдаться обратная картина: зёрна заполнителя всплывают, а раствор скапливается в нижней части формы или изделия. При этом чем заметнее разница в плотностях отдельных видов твёрдых зёрен и жидкости, тем больше вероятность расслоения бетонной смеси.

Расслоение может возникать и в процессе укладки и уплотнения бетонной смеси. Длительное вибрирование, вызывая разжижение смеси, в некоторых случаях (в подвижных смесях) будет способствовать её расслоению. Склонность к расслоению зависит и от структуры бетонной смеси: большую склонность проявляют смеси первого тип структуры, меньшую – смеси, имеющие оптимальную структуру второго типа и содержащие достаточное количество мельчайших твёрдых частиц (цемента и при необходимости минеральных наполнителей). Склонность к расслоению увеличивается с повышением расхода воды и водоцементного отношения (в очень подвижных и литых смесях). Расслоение, вызываемое осаждением крупных частиц и выделением воды на верхней поверхности уложенного бетона, часто может наблюдаться визуально.

Расслоение, вызываемое постепенным осаждением цементных зёрен, обычно заметить трудно. При правильном подборе состава бетона оно не должно иметь место. И. Н. Ахвердов установил, что имеется определённый диапазон водоцементного отношения, при которых расслоения цементного теста не происходит. Для портландцемента это НГ, где НГ – нормальная густота цементного теста. Нижнее значение В/Ц определяет границу, выше которой образуется связанное цементное тесто, верхнее значение – водоудерживающую способность цементного теста. При вибрации верхнее значение , обеспечивающее достаточную водоудерживающую способность цементного теста, уменьшается до 1, 35…1, 4. При большем  начинается отделение лишней воды. Значение предельного  зависит от состава цемента, используемых добавок и других факторов.

Доброкачественная бетонная смесь, то есть сохранённая ею слитность структуры без расслоения, определяется на основе , которое должно находиться в пределах, указанных выше для цементного теста.

Склонность к расслоению можно уменьшить, применяя химические (гидрофобные вещества стабилизирующие и водоудерживающие добавки, например, этилцеллюлозу) или минеральные добавки с развитой удельной поверхностью (трепел, золы, микрокремнезём, бетонитовые глины и др.).

Рассмотренные в курсовой работе данные проектирования: бетонная смесь – подвижная, с высококачественными заполнителями и имеет плотную макроструктуру, то есть относится ко второму типу структур (рисунок 3.2.ІІ).

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: