БИЛЕТ № 1

13. Твердение бетона. Структура бетона.

Структура бе образуется в рез-те затвердевания (схватывания) бе см и послед-го тверд-ия бе. Определяющее влияние на её формирование оказывает гидратация ц-а, его схв-ие и тв-ие. Выделено 3 периода гидратации: 1. В начальный период при смешивании ц-а с H₂O в процессе гидролиза C₃S выделяется Cа(OH)₂, образуя пересыщенный р-р. В этом р-ре находятся ионы сульфата, гидрооксида и щелочей, неб кол-во кремнезема, глинозема и Fe. Высокая концентрация ионов Ca⁺⁺ и сульфат-ионов SO₂^— наблюдается непродолжительное время после затворения ц-а водой, т.к. в теч. нескольких минут из р-ра начинают осаждаться первые новообразования Ca(OH)₂ и эттрингит 3CaO*Al₂O₃*3CaSO₄*31H₂O. 2.Примерно через 1 час нач-ся образ. оч мелких гидросиликатов Ca, в реакции принимает участие лишь поверхностные слои зерен ц-а. Вновь образующиеся гидраты (цементный гель) в первую очередь появляются на пов-ти цем.зёрен. С ↑ кол-ва новообразований и ρ их упаковки, пограничный слой становится малопроницаем для H₂O в теч. 2-6 часов,- это скрытый (индукционный) период, в теч. кот. цем. тесто предст. собой плотную суспензию; поверхностные оболочки цем.зёрен постепенно поглащают H₂O, толщина водных прослоек ↓, постепенно ↓ подвижность теста и бе см. В гелевых оболочках появл. осмотическое давление (давление изнутри). Внутренние слои цем.зёрен, реагируя с H₂O, стремятся расшириться, в рез-те наступает разрушение гелевых оболочек, облегчается доступ H₂O вглубь цем.зёрен, ускоряется процесс гидратации ц-а. 3.Хар-ся началом кристаллизации Ca(OH)₂ из р-ра, кот.происходит очень интенсивно, одновременно образ. кристаллы гидросиликата Ca и длинные волокна эттрингита. Волокна новообразований проходят через поры, разделяют их на более мелкие и создают пространственную связь, усиливая сцепление м-ду гидратными фазами и зернами цемента. С ↑ содержания гидратных фаз м-ду ними возникают непосредственные контакты, число их ↑, цем.тесто схватывается, затвердевает, образ-ся цем.камень.

Со временем образовавщаяся жёсткая структура постепенно уплотняется, Ѵ пор и их размеры ↓, ↑ кол-во контактов м-ду новообразованиями, утолщаются и уплотняются гел.оболочки на зёрнах ц-а, сростаясь в сплошной цем.гель с включениями непрореагировавших цем.зёрен. В рез-те: ↑ прочность цем.камня и бе.

Рис. Схема процесса преобразований в стр-ре цем.теста и камня при гидратации цемента: а) цементные зёрна в H₂O (начальный период гидратации I); б) образование гелевой оболочки на цементных зёрнах (скрытый период гидратации II); в) вторичный рост гелевой оболочки после осмотического разрушения первоначальной оболочки; образование волокнистых и столбчатых структур на пов-ти зёрен и в порах цем.камня (IIIпериод гидратации); г) уплотнение стр-ры цем.камня при последующей гидратации цемента.

При твердении ПЦ в теч. 6 мес. химически связывается 10-14% H₂O,а при полной гидротации кол-во связанной H₂O (в лабор. условиях) сост. 20-25%.При расчетах состава бетона принимают 15% воды.

Р ис. Изменение объёма тв. и жидкой фазы в системе «цемент-вода» при гидратации цемента (при В/Ц < 0,5): 1.- Объем негидратированного цемента; 2 - первоначальный объем H₂O; 3- объем тв. фазы гидратированного цемента; 4- объем гелевой воды; 5- объем контракционных пор; 6- объм цем.геля вместе с порами.

Гидратация цем. сопровождается изменением относительного V его разных фаз. В процессе гидратации H₂O, вступая в реакцию с цементом приобретает определ. стр-ру и общий V системы ↓. В то время как V тв.фазы (3) за счёт присоединения H₂O ↑. Гидратированный цемент занимает V больший, чем V цемента до гидратации, но меньший чем суммарный V цемента и связанной H₂O.

Уменьшение V системы цемент-H₂O в проц гидратации получило название контракции. По величине контракции можно следить за протеканием процесса гидратации цемента и структурообразованием бетона. H₂O в порах крепко удерживается поверхностными силами и поэтому не может быть исп. для гидратации ещё негидратированного цемента. Истинная ρ H₂O в порах геля = 1,1-1,15. Объём H₂O, физико-хим. связанной поверхностью геля ≈V хим.связанной H₂O и составляет в среднем около 50% от массы цемента. поэтому если при твердении бетона не имеется доступа H₂O извне,то для полной гидратации цемента необходимо В/Ц>0,5.

Рис.2 Изменение состава цем камня после полной гидратации цемента в зависимости от В/Ц: 1-негидратированный цемент; 2-цементный гель; 3-капиллярная вода,поры.

При твердении в воде полная гидратация цемента происх. при В/Ц от 0,5 до 0,38,а при В/Ц<0,38 в цем.камне отсутствуют капиллярные поры (см. рис.2).

Цем. камень весь состоит из цем.геля, в кот. обязат-но сохр-ся остатки негидратированного цемента. Эти остатки способствуют уплотнению мат-ла и ↑ его прочности.

Влияние зап-ля на формирование структуры бе: зап-ль ↑ водоудерж-ую способность цем-го теста, ограничивает учадочные деформации, способствует образ-ию кристал-го каркаса цем-го камня, влияет на изменения t и W в твердеющем цем-ом камне.

Стр-ра бет.смеси сохр-ся и при затвердевании, поэтому структуру бетона классифицируют по содержанию цем. камня и его размещению в бетоне, но определяющее влияние на св-ва бетона оказывает его ρ или пористость.

Рис.Основные типы макроструктуры бетона : а)плотная; б)плотная с пористым заполнителем; в)ячеистая; г)зернистая. R_б – средняя прочность структуры (бетона); R₁ и R₂ – прочн составляющих бе.

а), б) – плотная структура может иметь: 1.«плавающее» расположение зап-ля (зерна находятся на значительном удалении др.др. 2.контактное (зерна соприкасаются др.с др.ч/з тонкую прослойку цем.камня). Плотная структура состоит из сплошной матрицы цем.камня, в кот.вкраплены зерна зап-ля, достаточно прочно связанные с материалом матрицы.

в) - ячеистая стр-ра - в сплошной среде тв. м-ла распределены поры разл. размеров в виде отдельных условно замкнутых ячеек.

г) - зернистая – сов-ть скрепленных между собой зерен тв. м-ла, пористость непрерывна.

Наиб. прочностью обладают мат. с плотной стр-рой, наименьшую – с зернистой. Проницаемость и водопоглащение наим. – у плотных, max - у зернистых. Большое влияне на св-ва бетона оказ-ет размер зерен зап-ля и пор. Поэтому различают макро- и микроструктуру. Макроструктура видима невооруженным глазом (крупный зап-ль, песок, цем.камень, поры) или более укрупненная (крупный зап-ль и раствор, в кот. объединяется цем камень и песок). Микроструктура видима под большим увеличением. Для бетона большое значение имеет микроструктура цем.камня, кот состоит из непрореагировавших зерен цемента, новообразований и микропор разл. размеров и по своему строению напоминающая бетон (заполнителем явл-ся непрореагир. зерна цемента). По Юнгу - микробетон. Цем. камень явл. основным компонентом бетона, определ. его св-ва и долговечность; а основной составляющей цем. камня явл. гидросиликаты Ca²⁺ .

Структура бе, как правило, изотропна, т.е. её св-ва по разным направлениям примерно одинаковы. М. придавать искусственно анизотропность, когда св-ва структуры в одном напр-ии будут заметно отличаться от св-в в др напр-ии (бетон на лещадке, игловидный, фибробетон). Для различных видов бетона хар-на СВОЯ структура. Подразделение на приведенные типы стр-р бетона условна, в действительности стр-ра отличается большей сложностью (в плотной структуре тяж. бе цем.камень имеет значительное кол-во пор, в легком бе – поры наблюдаютсяне тольков зап-ле, но и в цем. камне, а отдельные ячейки в ячеистом бе могут соед-ся м/у собой капилярами).

Зависимость прочности бетона от его ρ может быть представлена:

где R₁-прочность мат-ла при ρ_ср; n – показатель степени зависящей от стр-ры мат-ла (n=4).

Структура бетона неоднородна. Отдельные объёмы м-ла могут значительно отличаться по своим св-вам (вблизи зерен зап-ля в рез-те влияния его поверн.сил микроструктура цем.камня может несколько изменяться по сравнению со структурой основной массы). Поэтому часто рассматр-т особо микроструктуру и св-ва контактной зоны цем.камня и зап-ля, выделяя её в виде отдельного структурного элемента. Сама контактная зона неоднородна, в ней содержаться более или менее дефектные места, непрореагир-шие зерна, микротрещины и др. элементы, снижающие однородность м-ла.

На кач-во структуры мат-ла влияют различия в их структуре и св-вах и распределение по микро и макрообъёмам бе, в т.ч. равномерность распределения жидкой и воздушной массы в первоначальной структуре бе (в момент окончания схв-ия). При рассмотрении бе смеси при высоких значениях В/Ц, или при её недоуплотнении при низких В/Ц, в бе возникают дефекты, кот.практически невозможно залечить в проц послед-щей гидратации, что ведет к ↓ прочн и долговечности бе.

Определить границы изменения В/Ц, при кот. бе смесь и бе остаются доброкачественными и не наблюдается расслоение и недоуплотнение, можно, используя понятие истинного В/Ц: структура будет доброкачественной, если В/Ц_и=(0,68…1,65)НГ.

Структуру бе м. улучшить, применяя пластификаторы и СП, дисперсные наполнители (домен.шлак) и микронаполнители, влияющие на НГ ц-го теста. Изменяя сырьё, составы и технологию, м. получать разнообразные структуры и св-ва бе, в зав-ти от его предназначения.