1.2. Структура бетону

Розглянемо схему фізико-хімічного процесу утворення бетону.

При переміщуванні бетонної суміші, що складається з заповнювачів, цементу та води, починається хімічна реакція з’єднання мінералів цементу з водою. В результаті цієї реакції утворюється гель — студнеподібна пориста маса, до складу якої входять мінеральні частинки цементу, що ще не вступили в реакцію, та незначні з’єднання у вигляді кристалів. Під час перемішування бетонної суміші гель обволікає окремі зерна заповнювачів, поступово тужавіє, його кристали об’єднуються між собою і збільшуються. Твердіючий гель перетворюється на цементний камінь, що скріплює зерна крупного та дрібного заповнювачів у монолітний твердий матеріал — бетон.

На структуру та міцність бетону суттєво впливає кількість води, що оцінюється водоцементним відношенням В/Ц.

Для хімічного з’єднання із цементом достатнім є відношення В/Ц = 0,2, але з технологічних міркувань В/Ц приймають 0,3...0,6.

Надлишкова вода частково вступає потім у хімічну реакцію із менш активними частинками цементу, а частково заповнює численні пори та капіляри в цементному камені і щілини між зернами заповнювачів та арматурою.

З пор і щілин вода поступово випаровується і в готовому бетоні за рахунок цього утворюються повітряні пори та щілини. За даними досліджень пори займають приблизно третину об’єму цементного каменю.

Із зменшенням В/Ц пористість цементного каменю зменшується, а міцність бетону зростає.

Таким чином, структура бетону дуже неоднорідна і являє собою просторову гратку з цементного каменю, заповнену зернами піску та щебеню і пронизану великою кількістю мікропор та капілярів. У ній міститься також хімічно незв’язана вода, водяна пара і повітря.

З фізичної точки зору бетон — це капілярно-пористий матеріал, у якому одночасно присутні три фази речовини — тверда, рідка та газоподібна. Цементний камінь в свою чергу також має неоднорідну структуру і складається з пружного кристалічного матеріалу і в’язкої маси — гелю.

З часом під впливом зовнішніх факторів водний баланс в бетоні змінюється, зменшується об’єм твердіючого гелю і збільшується кількість пружного кристалічного матеріалу, що впливає на міцність і характер деформування бетону під навантаженням.

1.3. Усадка бетону

Властивість бетону зменшуватися в об’ємі при тужавленні на повітрі називається усадкою.

Усадка залежить:

• від кількості цементу (чим більше цементу – тим більша усадка;

• від виду цементу (високоактивні цементи дають більшу усадку);

• крупності заповнювача (при дрібнозернистих пісках усадка більша);

• водоцементного відношення В/Ц (чим більше В/Ц — тим більша усадка);

• хімічних добавок (прискорювачі тужавлення бетону збільшують усадку);

• пористості (чим менша пористість – тим менша усадка).

Найінтенсивніше усадка бетону протікає в початковий період тужавлення і з часом припиняється.

Швидкість усадки, в першу чергу, залежить від вологості — чим менша вологість, тим більші усадочні деформації і більша швидкість їх зростання.

Усадка бетону під навантаженням при стисканні прискорюється, а при розтяганні — сповільнюється.

Усадка бетону пов’язана з фізико-хімічним процесом тужавлення та зменшенням при цьому об’єму цементного гелю.

На неї впливає також надлишкова вода, яка випаровується і йде на гідратацію з малоактивними частинками цементу.

З часом тужавлення гелю припиняється і припиняється усадка.

Крупний та дрібний заповнювачі, які мають більший модуль пружності, протистоять вільному зменшенню об’єму цементного каменю.

Нерівномірне висихання бетону веде до нерівномірності його усадки і викликає початкові усадочні напруження. Відкриті поверхні бетону висихають швидше, а внутрішні об’єми залишаються більш вологими. Отже, у поверхневих шарах бетону буде виникати розтяг, а у його внутрішніх шарах — стиск. Як наслідок такого явища — поява усадочних тріщин у бетоні.

Початкові напруження від усадки бетону безпосередньо в розрахунках ЗБК не враховують. Розтягувальні зусилля від усадки сприймає конструктивна та монтажна арматури.

Зменшити усадку можна за допомогою технологічних мір — зволожування бетону, термообробки тощо. У великорозмірних ЗБК передбачають усадочні шви, які як правило співпадають з температурними.