книги из ГПНТБ / Черкасов, Г. И. Введение в технологию бетона

{рис. 14). При необходимости приведенные на графике за­ висимости могут быть облечены в аналитическую форму.

По графику для требуемой прочности бетона Rr> находят цементоводное отношение, обеспечивающее эту прочность, и на вертикали найденного (Ц/В)х определяют (П/Щ)х и В, по которым несложно вычислить состав бетона.

Из графика (рис. 14) можно установить формулу проч­ ности бетонов R6= 0,4 Rn-Ц/В и критическое значение П/В, равное 2,25.

ВК, см

Установленные зависимости Rc и П/Щ от Ц/В для наибо­ лее употребительных бетонов из подвижных и малоподвиж­ ных смесей не зависят от их удобоукладываемости, которая

однозначно будет определяться только водосодержанием сме­ сей.

Водопотребность бетонных смесей различной удобоукла­ дываемости могла бы быть представлена на графике семейст­ вом параллельных линий. Проще построить отдельный график изменения водопотребности в зависимости от требуемой удо­ боукладываемости бетонной смеси (рис. 16), тем более что

Rj, кГ/см2

.данные для построения такого графика накапливаются уже в процессе подбора (пункт 5).

Полевой состав и коэффициент выхода бетона

Составы бетонов подбирают в лаборатории на сухих ма­ териалах. Эти составы называются номинальными.

Поскольку заполнители обычно имеют некоторую влаж­ ность, номинальные составы на производстве пересчитывают на полевые, учитывая влажность заполнителей. Допустим, что щебень и песок, используемые для бетона в вышеприведен­ ном примере расчета состава бетона, имеют текущую влаж­ ность по весу 1 и 3%; тогда песок содержит воды 585X0,03 =

ды при приготовлении бетонной смеси необходимо уменьшить на 30 л, а вес заполнителей соответственно увеличить

(табл. 10).

52

к

Рис. 15. Зависимость водопотребвости бетонной смеси от требуемой удобоукладываемости. К — коэффициент, на который нужно умножить зна­ чение водопотребности, определенное по графику-, изображенному на рис. И.

При расчете расхода материалов на замес в бетономешал­ ке следует учитывать, что геометрический объем бетономеша­ лок позволяет вмещать сумму естественных объемов материа­ лов, которые после перемешивания дадут меньший объем бетонной смеси.

53

Отношение объема бетонной смеси к сумме объемов сухих материалов носит название коэффициента выхода бетона. В нашем примере для получения одного кубометра бетонной смеси объем бетономешалки должен бы быть

То.ц 1 То.п То.щ

При расчете материалов на замес бетономешалки необхо­ димо расход материалов на 1 мг -бетона умножить на емкость бетономешалки и коэффициент выхода1.

V.ПРОЦЕССЫ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ

ИОТВЕРДЕВАНИЯ БЕТОНА

Взаимодействие цемента с водой

При затворении в бетонной смеси сразу начинаются слож­ ные физические и химические процессы -взаимодействия це­ ментных зерен с водой. Вода, проникая в микротрещины зе­ рен, вызывает их диспергирование, что значительно увеличи­ вает реакционноспособную поверхность цемента.

Взаимодействие клинкерных 'минералов с водой происходит по вскрытой поверхности зерен, которая непрерывно меняется как по величине, так и по минералогическому составу (за счет вскрытых минералов), что вызывает необходимость рассмат­ ривать процессы твердения в зависимости не от расчетного, а от «действующего» в данный момент минералогического со­ става цемента.

В результате взаимодействия воды с клинкерными мине­ ралами (C3S, C2S, СзА, C4AF)12 происходят гидролиз и гидра-

2 В химии цемента принято при написании формул обозначать наибо­ лее часто встречающиеся окислы одной первой буквой их химической фор­ мулы и молекулярное содержание окисла в соединении — малой цифрой, проставляемой оправа внизу буквы. Т-ак, обозначения .минералов -портланд­ цемента примут вид: 3C a0-Si02—C3S; 2CaO-Si02—C2S; ЗСаО • A120 3—C3A; 4Ca0-Al20 3-F20 3—C4AF. Гидросиликат кальция 2Ca0-S i02-2H20 обозна­ чается C2SH2 и т. д.

54

1ация последних с образованием соответствующих гидратных соединений в виде субмикрокристаллических коллоидных час­ тиц, а жидкая фаза насыщается описью кальция и щелочами.

При взаимодействии алита C3S с водой образуются гидро­ силикаты переменного состава, которые могут быть представ­ лены общей формулой CxSHy, где х изменяется от 0,8 до 2,4,

а у от 0,5 до 4.

При нормальных температурах образуются нерастворимые

C(i,7 +2) SH(2 +-4), обозначаемые по Боггу C2SH2. Кристаллохимическая структура гидросиликатов подробно

исследована Н. В. Беловым и может быть представлена в ви­ де цепочек элементарных кремнекислородных тетраэдров, связанных кальциевыми октаэдрами и призмами с укрепляю­ щими эту конструкцию группами гидроксилов.

Субмикрокристаллы гидросиликатов кальция характери­ зуются пластинчатой структурой, причем пластинки закруче­ ны в тонкие рулончики и представляют собой как бы волокна

разной длины, в среднем около 500 А. Кристаллохимически гидросиликаты .идентичны природному минералу тобермориту, поэтому их часто называют тоберморитоподобными.

Малые размеры частиц гидросиликатов и огромная удельная поверхность (250—350 м2/г) дают основание гово­ рить о гелевидном состоянии гидросиликатов в цементном камне. Структура гидросиликатного геля может быть упо­ доблена войлоку. Волокна новообразований имеют различ­ ную степень уплотнения и связи на разных стадиях тверде­ ния цемента (рис. 16).

При взаимодействии с водой белита C2S вид гидросилика­ тов не изменяется, но образование их идет гораздо медленнее.

Взаимодействие С3А е водой протекает с большой ско­ ростью при значительном выделении тепла. При этом при тем­ пературе до 25° образуется метастабильное соединение СзАН(п+ 12), в виде гексагональных пластинок, которое пере­ ходит в устойчивый кубический С3АНбПри этом гидроалюми­ наты кальция выделяются в виде субмикрокристаллов, прояв­ ляющих коллоидные свойства, но затем вследствие способ­ ности к кристаллизации частицы их укрупняются и становятся различимы в оптический микроскоп.

Как показано С. В. Шестоперовым, гидроалюминаты каль­ ция— водорастворимые соединения,^ минерал С3А в порт-

55

ландцементе обладает свойствами воздушного вяжущего ве­

щества.

В результате гидратации C4AF при температурах 20—25° образуются кубические гидроалюмоферриты кальция соста­ ва C3AFH6, являющиеся членами непрерывного ряда твердых растворов между С3АНб и С3РНб.

При гидратации стекловидной составляющей цементного клинкера возникают кристаллические образования из твер­ дых растворов C3AFH6 и гидрогранаты состава C3AFSxHy.

Гипс, вводимый в портландцемент для замедления схваты­ вания, взаимодействует с трехкальциевым алюминатом, обра­ зуя игольчатые кристаллы гидросульфоалюмината кальция (эттрингита) ЗСаО•A20 3-3CaS04-31H20. Эттрингит отлагает­ ся на алюминатах в виде экранирующих пленок, затрудняю­ щих доступ воды к этому минералу, (вызывающему при его гидратации мгновенное схватывание цементного теста. Схва­ тывание замедляется на время, необходимое для перевода гипса в гидросульфоалюминат кальция.

Эттрингит образуется с увеличением в объеме твердой фа­ зы более чем в 2,5 раза, что способствует хорошему закрытию поверхности алюминатов в цементном тесте. В затвердевшем цементном камне образование этого соединения уже крайне вредно, так как ведет к разрушению камня.

При пониженных концентрациях Са (ОН)2 и сульфата кальция в растворе возникает низкосульфатная форма гидросульфоалюмината кальция ЗСаО• Al20 3-3CaS04- 12Н20, кото­ рая образует гексагональные пластинчатые кристаллы без существенного изменения объема твердой фазы.

Кинетика структурообразования и твердения цемента и бетона

Уже в начальные сроки после затворения цементное тесто представляет собой водную суспензию клинкерных частиц с коллоидными новообразованиями, число которых увеличи­ вается со временем.

Как известно, коллоидные системы обладают устойчи­ востью вследствие существО(вания двойных -электрических слоев или сольватных оболочек на частицах дисперсной фазы. При устранении этих факторов устойчивости частицы под действием |Ван-дер-Ваальсовых сил слипаются, образуя ком­ пактные агрегаты, которые, достигнув определенной величи­ ны, теряют кинетическую устойчивость и седиментируют.

57'

В определенных условиях фактор устойчивости снимается только с некоторых участков частиц, в результате чего они слипаются на этих участках, образуя структуру в виде про­ странственной сетки — происходит гелеобразование. Гелеобразованию способствует анизодиаметричность частиц, нали­ чие у них концов, углов и ребер, где факторы устойчивости наименее развиты.

Новообразования цемента в щелочной среде склонны к коагуляционному структурообразованию, яри котором колло­ идные частицы располагаются в виде пространственных сеток со включением в них и грубодисперсных частиц; каждая ячей­ ка сетки состоит из частиц, связанных силами молекулярного притяжения через тонкие адсорбционные пленки воды. Внут­ ри ячеек может находиться значительное количество свобод­ ной воды.

Помимо коагуляционных новообразований, в цементном тесте могут образовываться условно коагуляционные и крис­ таллизационные структуры соответственно с непосредствен­ ными физическими и химическими связями между частицами. Виды различных структур дисперсных систем приведены на рис. 17.

Коагуляционные структуры обладают некоторыми свойст­ вами твердых тел, такими, как упругость и прочность.

При приложении внешнего силового воздействия коагуля­ ционная структура разрушается и цементное тесто вновь ста­ новится текучим, подчиняясь законам течения вязких жидкос­ тей1. При снятии силового воздействия структура системы снова восстанавливается; это свойство коагуляционных дис­ персных систем носит название тиксотропии. В бетонной сме­ си в коагуляционную структуру цементного теста включаются и заполнители, связанные с тестом силами адгезии. Подроб­ нее свойства коагуляционных структур бетонной смеси рас­ смотрены в главе VI.

Одновременно с процессом структурообразования прохо­ дит седиментация частиц цементной суспензии, вследствие чего в микрообъемах между заполнителями нижняя часть имеет повышенную концентрацию дисперсной фазы. Верхняя же часть (под заполнителем) может содержать почти чистую воду. Это явление, в результате которого в бетоне после испа­ рения воды создаются седиментационные пустоты, носит на-

1 Точнее говорить о коагуляционножристаллизационных структурах в цементном тесте, так как даже на ранних периодах гидратации между частицами, помимо физических, возникают и химические связи.

58

8

Рис. 17. Схематическое изображение структур дисперсных систем, состоящих из пластинчатых частиц (по В. Б. Ратинову):

а, б — коагуляционные структуры; в — условно коагуляционные; г — кристал­ лизационные.

59

звание блидинг. Аналогично этому явлению происходит рас­ слоение бетонной смеси, т. е. осаждение тяжелых заполните­ лей и выделение цементного молока на поверхности.

явлениям, с другой, ухудшает удобоукладываемость бетон­ ных смесей.

При взаимодействии цемента с водой основное количество гпдратных новообразований, главным образом гидросульфоалюминатов, вначале откладывается на поверхности зерен цемента, образуя полупроницаемые пленки, которые на опре­ деленный период затрудняют переход новообразований в меж­ зерновое пространство.

Кинетика реакций с водой характеризуется бурным на­ чальным периодом, продолжающимся 10—30 минут после затворения: происходит большое тепловыделение, насыщение жидкой фазы СаО, возрастает электропроводность, прояв­ ляется некоторая пластическая прочность теста.

С развитием пленок новообразований вокруг частиц це­ мента реакции замедляются и идут только под пленками. Наступает так называемый индукционный период, продол­ жающийся два-четыре часа. При этом наблюдается малое тепловыделение, пониженное содержание СаО в жидкой фазе

инезначительное нарастание пластической прочности. Затем вследствие ' развития осмотического давления под

пленками происходит их разрыв. Межзерновое пространство насыщается гидратными новообразованиями, вода имеет сво­ бодный доступ к открытым поверхностям цементных зерен, реакции получают дальнейшее развитие за счет образования гидроалюминатов и гидросиликатов кальция. В этот основной период структурообразования (схватывания), продолжаю­ щийся шесть-восемь часов, снова увеличивается тепловыде­ ление, резко возрастает пластическая прочность, в конце пе­ риода исчезает тиксотропия, что связано с сильным уплотне­ нием геля, в котором гидросиликаты переплетены между собой наподобие войлока, пронизанного кристаллами других новообразований.

Обычно укладку и уплотнение бетонной смеси производят в индукционный период. С применением больших уплотняю­ щих усилий уплотнять смесь можно и в данный период, пока она обладает тиксотропными свойствами. После потери тиксо­ тропии приложение силовых воздействий недопустимо, так как оно поведет только к разрушению бетона. Имеющиеся к

60