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

этому моменту дефекты в структуре бетона уже не могут быть исправлены и остаются в твердеющем изделии.

Начало основного периода структурообразования прибли­ женно определяется началом схватывания по Вика, конец схватывания по Вика соответствует определенной пластиче­ ской прочности цементного теста перед концом периода. В конце периода пластическая прочность теряет свое значение, и поэтому понятие пластической прочности должно быть за­

иоагулационная ИоагуАяциошю -ирис- Мристашзацион-

струитура ташзаиионнаа ная струитура струитура

Рис. 18. Кинетика гидратации цемента.

61

цементного камня и бетона, связанный с дальнейшей гидрата­ цией цемента, увеличением и еще большим уплотнением кол­ лоидных новообразований гидросиликатов, основных носите­ лей прочности цементного камня.

При этом между частицами гидросиликатов развиваются химические связи, что дает возможность говорить о постепен­ ном развитии кристаллизационных процессов в геле. Кинети­ ка процессов структурообразования показана на рис. 18.

Структурообразование и превращение цементного теста з камень протекают фактически гораздо сложнее из-за полимияеральности и полидисперсности цемента. Уже в ранние сроки гидратации появляется некоторое количество кристалличе­ ских новообразований, и в поздние сроки твердения на зернах будут образовываться коагуляционные структуры; замедление гидратации зерен за счет образования пленок сменяется пе­ риодами бурного ее протекания, разрывом и уплотнением гелевых оболочек.

Изложенный выше порядок течения процессов только ста­ тистически характерен для основной массы зерен цемента л выражает внешние наблюдаемые физические процессы при структурообразовании и отвердевании бетона.

Несмотря на то что процессы гидратации идут в бетонах в течение нескольких лет, наиболее интенсивно твердение проходит в первый месяц, что и используется при определе­ нии марочной прочности в возрасте 28 суток.

Гелеобразные новообразования в основном накапливаются на поверхности зерен цемента и, увеличивая их толщину, все больше и больше препятствуют проникновению воды к реак­ ционноспособной поверхности зерен. Поэтому затвердевший цементный камень в 28-суточном возрасте имеет в своем со­ ставе'до 30—50% негидратированных частиц цементного клинкера, играющего как бы роль микрозаполнителя и могу­ щего служить материалом для залечивания микротрещин, образующихся от внутренних напряжений в цементном камне. Затвердевший цементный камень является микропористым веществом, так как между переплетенными частицами гидро­ силикатов остаются пустоты, соизмеримые по размерам с час-

О

тицами геля,— примерно 25—50 А. Эти пустоты заполнены во­ дой, которая находится в состоянии мономолекулярных ад­ сорбционных пленок и имеет особые свойства. Она не может быть вытеснена при гидростатических давлениях ниже 16 атм

ипереходит в лед при температурах от —40 до —75°. Твердаяфаза новообразований цементного камня состоит

62

из основной массы волокнистых тоберморитоподобных гидро­ силикатов с разной степенью уплотнения и закристаллизо­ ванное™. Масса силикатных новообразований пронизана крупными пластинчатыми кристаллами Са(ОН)2, гексаго­ нальными и кубическими ’ кристаллами гидроалюминатов и игольчатыми кристаллами эттрингита.

В дальнейшем при наличии жидкой фазы идет медленный процесс перекристаллизации новообразований, растворение более мелких из них и рост более крупных. Развивающееся кристаллизационное давление может приводить к образова­ нию микротрещин, которые залечиваются новыми новообра­ зованиями. Течение этих процессов -подтверждается некото­ рыми спадами и повышениями прочности бетона в течение длительного времени.

Контракция (химическая усадка) цементного теста-камня

Все процессы гидратации цемента связаны с проявлением контракции — стяжения системы из цемента и воды.

При гидратации минералов цементного клинкера абсо­ лютный объем новообразований несколько больше объема исходных минералов, но меньше суммы абсолютных объемов минералов и воды до реакции, что связано с вхождением воды в кристаллическую решетку твердого вещества.

Рассмотрим гидратацию трехкальциевого алюмината по реакции

ЗСаО • А120 3+6Н 2О —ЗСаО • А12Оз • 6Н20.

Молекулярные веса веществ, указанных в реакции, равны: алюмината кальция 270,18; воды 108,1, гидроалюмината каль­ ция 378,28; удельные веса их соответственно 3,04, 1, 2,52.

Абсолютный объем ЗСаОА12Оз

Абсолютный объем ЗСаО • А120 + 6 Н 20 88,88+108,1 = 196,98 см3.

Абсолютный объем гидроалюмината кальция ЗСаО-А12Оз •6Н20, образовавшегося в результате реакции,

378,28

2,52 ' 150,11 см3.

63

Как видно из приведенного примера, грамм-молекула трехкальциевого алюмината и 6 грамм-молекул воды зани­ мали абсолютный, объем 196,98 см3, который после реакции уменьшился на 46,87 см3, хотя объем тверддй -фазы алюмина­ та возрос на 61,13 см3.

Трехкальциевый алюминат при гидратации проявляет контракцию в 2,5—3 раза большую, чем остальные минералы портландцементного клинкера. При гидратации же портланд­ цемента значения контракции в среднем характеризуются уменьшением абсолютного объема цемента и воды на 6—7 л на 100 кг цемента. Под действием контракции в цементном камне твердевшего бетона образуются закрытые микропоры

размером от 100 до 1000 А и возникают внутренние, растя­ гивающие напряжения. При образовании контракционных пор в них возникает вакуум, под влиянием которого они могут быть заполнены воздухом или водой, в зависимости от усло­ вий твердения бетона.

При твердении цементного камня на воздухе наряду с контракцией — химической усадкой происходит и физическая усадка вследствие испарения воды из полостей микроструктурных элементов. Величина физической усадки меньше контракционной, развивается она в основном уже в отвердевшем цементном камне, и ее действие проявляется в создании внут­ ренних растягивающих напряжений в бетоне (см. главу VIII).

Структура* затвердевшего бетона

60%- Остаток воды сосредоточивается в пространстве между зернами цемента и под зернами заполнителей в результате седиментационных явлений, образуя межзерновые капилляры и седиментационные полости. Размеры диаметров капилляр­ ных пор колеблются от долей микрона до десятков микрон, седиментационных полостей — до сотен микрон.

Капиллярные и седиментационные поры— основные де­ фекты в структуре затвердевшего бетона, снижающие его технические свойства — прочность и долговечность. В процес­

64

снижающие прочность бетона. Грубо можно считать, что на каждый 1 % защемленного воздуха .прочность бетона падает на 5—8%. Это снижение прочности вызвано ослаблением се­ чения, концентрацией напряжений у поверхности пузырьков и неоднородностью их размещения. Обычно количество во­ влеченного воздуха составляет 2—3%, но может доходить и до 5—6%.

Затвердевший бетон представляет собой сложное капил­ лярно-пористое тело, состоящее из трех фаз: твердого вещест­ ва, воздуха и воды. Твердая фаза представлена, заполните­ лями, осколками клинкера и новообразованиями цемента, причем она не сплошная, а пронизана макро- и микропустогами, заполненными либо воздухом, либо водой. В соответ­ ствии с размерами частиц твердой фазы и пустот можно рас­ сматривать макро- и микроструктуру бетона, которая схема­ тически представлена на рис. 19.

Вода в бетоне также находится в различных качественных состояниях: а) химически связанная в новообразованиях це­ мента; б) псевдотвердая в гелевых порах; в) сорбционная, осаждающаяся на твердых поверхностях за счет конденсации водяных паров, в виде пленок толщиной около 0,1 мк и запол­ няющая полностью открытыекапилляры размерами менее 0,2 мк1; г) капиллярная, насыщающая поры диаметром 0,2— 40 мк при непосредственном соприкосновении бетона с водой и удерживаемая в нем капиллярными силами; д) свободная, заполняющая иногда более крупные пустоты цементного камня под действием гравитационных сил или давления.

Изменение термовлажностных условий среды, в которой, находится бетон, изменяет и соотношение между разными ви­ дами воды'в нем, а следовательно, ведет к изменению физикомеханических свойств бетона.

Расчетный метод определения пористости бетона

Зная исходное водоцементное отношение и- степень гидра­ тации цемента в бетоне, можно расчетным путем установить микро- и макропористость бетона.

Степень гидратации цемента практически .может быть

1 В зависимости от сорбционного заполнения пустот водой А. В. Лыков разделяет их на микропоры с диаметром менее 0,2 мк и макропоры с диа­ метром более 0,2 мк.

а

5

Рис. 19. Структура затвердевшего цементного камня и бетона:'

ного камня в бетоне с микропорами и переходными порами, менее вредно ска­

66

определена по количеству химически связанной воды или ко­

связанное цементным гелем химически и физически, по отно­ шению к весу прогидратированного цемента; в среднем W для портландцемента равно 0,5, причем половина количества

Рис. 20. Структура цементного теста и камня.

отношению к абсолютному объему прогидратированного це­ мента; примерное значение ш = 2,2.

Представим графически цементное тесто в микрообъеме бетона в виде сумм абсолютных объемов воды, В и дегидра­ тированного цемента Ц/уц (рис. 20,а) и цементный камень в этом же микрообъеме (рис. 20,6). Объем негидратированного цемента при степени гидратации а составит величину (.1—а) Ц/уц. Естественный объем цементного геля с гелевыми порами и водой равен т -а -Ц /у ц.

Объем гелевых пор при удельном объеме воды геля

0,8 см3/г составит 0,25-0,8 а Ц =0,2аЦ .

При образовании гель связал физически и химически коли­ чество воды, равное \УаЦ, следовательно, в межзерновых и седиментационных пространствах осталось воды В — \УаЦ или В — 0,5 а Ц, которая, испаряясь из камня, вызовет обра­

= „ u [w - i- b = ] .

Подставив числовые значения постоянных величин для портландцемента, получим

Ук = 0,1аЦ.

Переходя от цементного теста-камня к бетону и считая Ц и В весовыми количествами цемента и воды на кубометр свежеуложенного бетона, получим расчетные формулы для опре­ деления пористости бетона (табл. 11).

I

*С учетом 2% вовлеченного воздуха при укладке бетонной смеси.

Пористость бетона непрерывно меняется, в процессе гид­ ратации цемента капилляры и седиментационные полости

68

растает микропориетость, что улучшает свойства бетона. Из­ менение характера пористости бетона во времени, рассчитан­ ное по вышеуказанной методике, представлено на рис. 21. Приведенный метод расчета характеристик пористости бетона, предложенный Г. И. Горчаковым, позволяет ориентировочно судить о физико-механических свойствах бетона в разные сроки его твердения. '

69

Сцепление цементного камня с заполнителями

Свойства конгломератного материала—бетона зависят от сцепления цементного камня с поверхностью заполнителей. Желательно, чтобы прочность этого сцепления была (не менее прочности цементного камня.

Прочность сцепления при постоянном цементном клее обеспечивается физико-механическими факторами, зависящи­ ми от микрорельефа поверхности заполнителей, и физико­ химическими факторами, обусловленными минералогическим составом заполнителей. т

Адгезионные свойства цементов зависят от их минералоги­ ческого состава, тонкости помола и принятого цементоводно­ го отношения. Повышенной адгезией обладают цементы, даю­ щие наибольшее количество коллоидных частиц в период приготовления бетонной смеси и уплотнения бетона. Цементо­ водное отношение должно иметь оптимальное значение, o6ecj печивающее хороший расплыв цементного теста по заполни­ телю и в то же время достаточную плотность затвердевшего цементного камня.

Прочность сцепления цементного камня с заполнителями увеличивается во времени при твердении бетона, затем может иметь небольшие спады и повышения вследствие перекрис­ таллизации новообразований цемента в контактной зоне до приобретения ими наиболее устойчивого термодинамического состояния.

Влияние минералогического состава заполнителей на прочность сцепления их с цементным камнем в последнее время обстоятельно исследовалось Т. Ю. Любимовой и Э. Р. Пинусом, которые определяли микротвердость в кон­ тактных слоях. Исследованиями установлено, что заполните­ ли могут быть разделены, на две группы: 1 — химически не взаимодействующие с вяжущим изверженные горные породы (например, гранит); 2 — химически и физико-химически взаимодействующие с вяжущим породы (карбонатные породы и кварцевые пески). Контактный слой в заполнителях первой группы отсутствует, прочность адгезионного сцепления близ­ ка к нулю, контактные слои цементного камня имеют повы­ шенную прочность (рис. 22). В этом случае сцепление цемент­ ного камня с заполнителем обеспечивается в основном за счет физико-механических факторов— зацепления неровностей поверхности.

70