2 Исходные материалы для бетона и их характеристика

Исходными сырьевыми материалами для бетона являются вяжущие вещества (цемент, реже известь и строительный гипс), заполнители различного вида, добавки и вода. Необходимо правильно подобрать сырьевые материалы для бетона, чтобы обеспечить необходимые свойства, без перерасхода компонентов.

Материалы для приготовления бетона должны отвечать всем требованиям, изложенным в государственных и отраслевых стандартах на эти материалы.

В качестве вяжущего для приготовления керамзитобетона применяется: портландцемент марки М400 с содержанием трехкальциевого силиката не менее 50 % и трехкальциевого алюмината не более 6 %. Начало схватывания должно наступать не позднее 2 ч, а конец схватывания — не позднее 4 ч после затворения. Удельная поверхность цемента должна быть 2500—3000 см²/г для конструктивно-теплоизоляционного керамзитобетона. По свойствам цемент должен удовлетворять требованиям ГОСТ 10178—76.

Также применяются цементы более высоких марок, так как это способствует снижению расхода цемента.

В качестве крупного заполнителя применяется искусственный заполнитель – керамзит.

Существуют следующие фракции керамзитового гравия: 5-10, 10-20 и 20-40 мм. В каждой фракции допускается до 5 % мелких и до 5 % более крупных зерен по сравнению с номинальными размерами.

По насыпной плотности керамзитовый гравий подразделяется на 8 марок: от 250 до 600, причем к марке 250 относится керамзитовый гравий с насыпной плотностью до 250 кг/м³, к марке 300 - до 300 кг/м³ и т.д (Допускается по согласованию изготовителя с потребителем для приготовления конструкционных легких бетонов классов В20 и выше изготовление керамзитового гравия и щебня марок 700 и 800).

При приготовления керамзитобетона плотной структуры, для каждой марки по насыпной плотности устанавливаются требования к прочности керамзитового гравия при сдавливании в цилиндре и соответствующие им марки по прочности (таблица 3).

Таблица 3. Требования к прочности керамзитового гравия

	Высшая категория качества			Первая категория качества
Марка по насыпной плотности	Марка по прочности	Предел прочности при сдавливании в цилинд­ре, МПа, не менее		Марка по прочности	Предел прочности при сдавливании в цилиндре, МПа, не менее
250	П35	0,8	П25		0,6
300	П50	1	П35		0,8
350	П75	1,5	П50		1
400	П75	1,8	П50		1,2
450	П100	2,1	П75		1,5
500	П125	2,5	П75		1,8
550	П150	3,3	П100		2,1
600	П150	3,5	П125		2,5
700	П200	4,5	П150		3,3
800	П250	5,5	П200		4,5

При проектировании состава поризованного керамзитобетона, выбор марки керамзита по плотности и виду песка можно ориентировочно сделать по таблице 4, в которой показана зависимость плотности керамзитобетона от вида керамзита, песка и требуемой прочности бетона.

Таблица 4. Плотность керамзитобетона, поризованного воздухововлекающими добавками

Насыпная плотность керамзита, кг/м3	Плотность керамзитобетона, кг/м3, при его прочности, МПа
	5			7,5		10
	на песке
	керамзитовом	кварцевом	керамзитовом		кварцевом	керамзитовом	кварцевом
300	800	900	900		950	-	-
400	850	950	950		1000	1000	1100
500	900	1000	1000		1050	1050	1050
600	1000	1100	1050		1150	1100	1200
700	1100	1200	1150		1250	1200	1300

Зерна керамзитового гравия могут иметь шарообразную или вытянутую форму, что зависит от формы сырцовых гранул. По стандарту среднее значение коэффициента формы должно быть не более 1,5, а зерен с коэффициентом формы более 2,5 допускается до 20 % при использовании в бетонах с пределом прочности менее 20 МПа и до 10 % - в бетонах с пределом прочности 20 МПа и выше.

Керамзитовый гравий должен выдерживать не менее 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии с потерей массы данной фракции не более 5 или 8 % в зависимости от категории качества.

При испытании кипячением потеря массы не должна превышать 5 %. Таким испытанием выявляется наличие опасных известковых включений («дутик»).

Ограничивается водопоглощение (не более 15—25 % по массе за 1 ч в зависимости от марки), содержание расколотых зерен (не более 15 %), водорастворимых сернистых и сернокислых соединений. Эти и другие требования стандарта обеспечивают стойкость и долговечность керамзита, а также легких бетонов на его основе.

Вода, применяемая для производства керамзитобетона, должна удовлетворять требованиям ГОСТ 23732—79.

В качестве мелкого заполнителя при приготовлении легких бетонов, для конструкционно-теплоизоляционного бетона используются - пористые пески, золы ТЭС, золошлаковые смеси.

Зерновой состав пористых песков должен соответствовать требованиям ГОСТ 9757-82.

Марка пористого песка по насыпной плотности в зависимости от назначения легкого бетона должна соответствовать требованиям таблицы 5

Таблица 5 Марка пористого песка по насыпной плотности

Назначение бетона	Марка песка по насыпной плотности, кг/м3, не более
	минимальная	максимальная
Конструкционно-теплоизоляционный	200	1000

Прочность пористых песков колеблется в пределах 15...50 МПа; модуль крупности 1,8...2,5.

3 Структура бетона и физико-химические процессы, происходящие при ее формировании

Структура бетона образуется в результате затвердевания (схватывания) бетонной смеси и последующего твердения бетона. Определяющее влияние на ее формирование оказывают гидратация цемента, его схватывание и твердение.

По современным воззрениям, в начальный период при смешивании цемента с водой в процессе гидролиза трехкальциевого силиката выделяется гидроксид кальция, образуя пересыщенный раствор. В этом растворе находятся ионы сульфата, гидроксида и щелочей, а также небольшое количество кремнезема, глинозема и железа. Высокая концентрация ионов кальция и сульфат-ионов наблюдается непродолжительное время после затворения цемента водой, так как в течение нескольких минут из раствора начинают осаждаться первые новообразования - гидроксид кальция и эттрингит.

Приблизительно через час наступает вторая стадия гидратации, для которой характерно образование очень мелких гидросиликатов кальция.

Вследствие того, что в реакции принимают участие лишь поверхностные слои зерен цемента, размер зерен цемента уменьшается незначительно.

Вновь образующиеся гидратные фазы, получившие название цементного геля, характеризуются очень тонкой гранулометрией.

Новообразования в первую очередь появляются на поверхности цементных зерен. С увеличением количества новообразований и плотности их упаковки пограничный слой становится малопроницаем для воды примерно в течение 2 – 6 ч.

Вторую стадию замедленной гидратации принято называть «скрытым или индукционным периодом» гидратации цемента.

В течение скрытого периода цементное тесто представляет собой плотную суспензию, стабилизированную действием флокулообразующих сил. Однако силы притяжения между цементными частицами в воде относительно слабы, что может быть объяснено следующим образом. Покрытые гелем зерна цемента образуют вокруг себя сольватный слой и имеют положительный потенциал. Совместное действие сольватного слоя и электрического заряда препятствует непосредственному контакту между соприкасающимися зернами. Вместе с тем эти зерна испытывают межчастичное притяжение, по крайней мере на некоторых пограничных участках. Силы отталкивания и притяжения уравновешиваются на некотором расстоянии от поверхности раздела, где потенциальная энергия частиц минимальна. Цементное тесто под действием этих сил приобретает связанность и подвижность. В течение скрытого периода происходит постепенное поглощение поверхностными оболочками цементных зерен воды, толщина водных прослоек между зернами уменьшается, постепенно понижается подвижность теста и бетонной смеси.

В гелевых оболочках появляется осмотическое давление. Внутренние слои цементных зерен, реагируя с водой, стремятся расшириться. В результате наступает разрушение гелевых оболочек, облегчается доступ воды вглубь цементных зерен, ускоряется процесс гидратации цемента.

Наступает третья стадия процесса гидратации. Она характеризуется началом кристаллизации гидроксида кальция из раствора. Этот процесс происходит очень интенсивно. Так как на этом этапе количество гидратных фаз относительно мало, то в пространстве между частицами цемента происходит свободный рост тонких пластинок гидроксида кальция и эттрингита в виде длинных волокон, которые образуются одновременно. Волокна новообразований проходят через поры, разделяют их на более мелкие и создают пространственную связь между гидратными фазами и зернами цемента. увеличением содержания гидратных фаз между ними возникают непосредственные контакты, число которых увеличивается - цементное тесто схватывается, затвердевает, образуется цементный камень.

Образовавшаяся жесткая структура сначала является очень рыхлой, но постепенно она уплотняется: в заполненных водой порах этой структуры непрерывно появляются новые гидратные фазы. Объем пор и их размеры уменьшаются, возрастает количество контактов между новообразованиями, утолщаются и уплотняются гелевые оболочки на зернах цемента, срастающиеся в сплошной цементный гель, с включением непрореагировавших центров цементных зерен. В результате возрастает прочность цементного камня и бетона. Схематически процесс преобразований, происходящих в системе цемент – вода в процессе гидратации цемента, показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема процесса преобразований в структуре цементного теста и камня при гидратации цемента: а - цементные зерна в воде -начальный период гидратации; б - образование гелиевой оболочки на цементных зернах - скрытый период гидратации; в - вторичный рост гелиевой оболочки после осмотического разрушения первоначальной оболочки, образование волнистых и столбчатых структур на поверхности зерен и в порах цементного камня - третий период гидратации; г - уплотнение структуры цементного камня при последующей гидратации цемента

Ф. Лохтер и В. Рихартц предложили обобщенную схему процесса гидротации цемента и структурообразования цементного камня, которая показывает изменения во времени объема различных новообразований и пористости цементного камня (рисунок 2). Схема учитывает возможный переход части образовавшегося эттрингита в моносульфат после того, как весь двуводный гипс, введенный в цемент для увеличения сроков схватывания, вступит в реакцию с трехкальциевым силикатом.

Процесс гидратации развивается на границах зерен и цементный гель растет одновременно внутрь и наружу, причем каждое зерно оказывается как бы упакованным в гель.

Периоды гидратации:

б) 6 7 8 9

Рисунок 2. Схемы процесса гидратации цемента (а) и структурообразования (б) цементного камня во времени: 1 -образование длинных кристаллов; 2 -эттрингит; 3 - изменение пористости; 4 -образование коротких волокон; 5 -моносульфат; 6 - неустойчивая структура; 7 -формирование основной структуры; 8 -уплотнение структуры; 9 - стабильная структура.

Вода проникает через гелиевую оболочку внутрь зерна, а часть компонентов гидратированного цемента диффундирует в противоположном направлении к внешним границам слоя геля, где эти компоненты присоединяются к существующим кристаллам или начинают образовывать новые.

Приблизительно 55 % новообразований появляется снаружи, а 45 % остается внутри первоначальной границы цементного зерна.

В процессе гидратации размеры пор в цементном камне уменьшаются что, с одной стороны, приводит к затруднению доступа воды к еще не прореагировавшим объемам цемента и замедлению процесса гидратации, а с другой - к уменьшению размера частиц гидратных фаз, развивающихся в их порах. Волокна гидросиликата кальция, образующиеся в начале гидратации, могут иметь длину 5 ... 10 нм и диаметр 0,1 ... 0,2 нм, а в конце гидратации новообразования имеют размер в 10 ... 100 раз меньше.

Однако в геле полностью гидратированного цемента остаются внутренние пустоты, называемые порами геля. Размер этих пор очень мал (1510^-8...40-10^-8 см), в них невозможно образование зародышей гидратных фаз, и поэтому они не могут зарасти новообразованиями.

Пористость геля составляет 28 %. Если пористость выше, то это значит, что в геле еще имеются более крупные поры, в которых могут развиваться новообразования, постепенно снижая пористость геля до 28 %. Наряду с порами геля в цементном камне сохраняются более крупные капиллярные поры, образовавшиеся при приготовлении цементного теста. Однако, размеры и объем пор постепенно уменьшаются. В процессе гидротации происходит перераспределение жидкой фазы.

Существенно влияет на структуру прогидратированного цемента введение в его состав активных минеральных компонентов (золы, молотого пака, кварцевого песка и др.), размеры частиц которого соизмеримы с размером частиц цемента (наполнитель-разбавитель). Объем, занимаемый частицами минерального компонента, при гидратации цемента практически не меняется или изменяется незначительно, за исключением специальных расширяющихся компонентов, вводимых в бетон для компенсации его усадки. Мало изменяется и их дисперсность, т.е. их частицы практически сохранит свои размеры и поэтому мало изменяется объем физико-химической связанной воды, достигнутый к началу схватывания цемента.

В отличие от формирования структуры чисто вяжущей части фор­мирование структуры вяжущего в бетоне происходит под влиянием заполнителя. Одновременно с развитием собственной структуры вя­жущего протекают процессы в зоне его контакт с поверхностью зерен заполнителя. Под их воздействием формируется структура омоноличивающих слоев вокруг зернистого заполнявшего материала.

Характер и полнота этих процессов зависит от многих факторов, в результате которых состав и структура контактных слоев может несколько отличаться от состава и структуры основного вяжущего вещества, затвердевшего в межзерновых порах и пустотах конгломерата.

Контактная зона является наиболее слабым и уязвимым звеном в структуре бетона и на этот структурный элемент следует обращать особое внимание.

Вяжущее вещество скрепляет компоненты бетона в единое целое, т.е. является минеральным или органическим клеем. Б.В.Дерягин считает, что прочность склеивания обусловливается двумя фак­торами: адгезией, или прочностью на отрыв твердых поверхностей от клеящей прослойки, и когезией, или прочностью самого клея. Адгезия зависит от природы заполнителя, его пористости, шероховатости и чистоты поверхности зерен вида вяжущего, его адгезионных свойств, а также oт условий твердения бетона.

Важным элементом структуры бетона является поровое пространство.

Общая пористость бетона складывается из:

1. пор в отвердевшем вяжущем (например, цементном камне), возникших под влиянием физико-химических процессов твердения;

2. пор заполнителя;

3. межзерновых пустот, не заполненных вяжущим веществом :

4. пор, образованных вовлеченным воздухом.

Кроме того, в некоторых случаях возникновение пор (пустот) может быть связано с усадочными трещинами, образующимися в про­цессе твердения в вяжущем веществе и контактной зоне.

Пористые заполнители вследствие своей способности к влагообмену с цементным тестом в большей мере, чем обычные плотные заполнители, влияют на процессы его структурообразования. На первом этапе пористые заполнители, отсасывая влагу, способствуют получению более плотного и прочного контактного слоя цементного камня.

На втором этапе, при уменьшении коли­чества воды в цементном камне вследствие гидратации цемента, пористые заполнители возвращают ранее поглощенную воду, создавая благоприятные условия для протекания гидратации цемента и уменьшая усадочные явления в цементном камне.

Для удобства расчетов и прогнозирования свойств бетона процесс формирования его структуры можно разбить на три периода: первоначаль­ный, в течение которого бетонная смесь превращается в бетон, последующий, во время которого структура бетона постепенно упрочняется, и трети, когда структура стабилизируется и почти не изменяется со временем (рисунок 3). Границей между первым и вторым периодами является точка А, определяющая момент, когда первоначальная структура бетона уже возникла и в дальнейшем происходит лишь ее упрочнение. В этом случае измене­ние прочности бетона в последующем периоде подчиняется логарифмическому закону, что позволяет более точно прогнозировать изменение свойств бетона во времени.

Рисунок 3. Расчетные периоды структурообразования: - период образования первоначальной структуры; - период упрочнения структуры; - период стабилизации структуры.

В процессе формирования структуры бетона и ее последующего твердения изменяется не только прочность бетона, но и другие свойства: пористость, тепловыделение, электропроводность и т. д. Процессы формирования структуры сопровождаются объемными изменениями: в зависимости от условий твердения бетон может либо увеличиваться, либо уменьшаться в объеме; последнее происходит чаще и носит название усадки.

Все эти изменения более значительны на первоначальном этапе формирования структуры и особенно в период превращения псевдожидкой структуры бетонной смеси в твердую структуру бетона и постепенно затухают с возрастом бетона.

Структура бетонной смеси сохраняется и при затвердевании. Поэтому структуру бетона следует классифицировать по содержанию цементного камня и его размещению в бетоне. Однако на свойства бетона определяющее влияние оказывает его плотность или пористость. При прочих равных условиях объем и характер пористости, а также соотношение в свойствах отдельных составляющих бетона определяют его основные технические свойства, долговечность, стойкость в различных условиях. В этой связи целесообразно классифицировать структуру бетона с учетом ее плотности.

На рисунке 4 показаны основные типы структур: плотная, с пористым заполнителем, ячеистая и зернистая. Плотная структура, в свою очередь, может иметь контактное расположение заполнителя, когда его зерна сопри­касаются друг с другом через тонкую прослойку цементного камня, и «плавающее» расположение заполнителя, когда его зерна находятся на значи­тельном удалении друг от друга Ячеистая структура отличается тем, что в сплошной среде твердого материала распределены поры различных размеров в виде отдельных условно замкнутых ячеек. Зернистая структура представляет собой совокупность скрепленных между собой зерен твердого материала. Пористость зернистой структуры непрерывна и аналогична пустотности сыпучего материала.

Рисунок 4. Основные типы макроструктуры бетона: а - плотная; б- плотная с пористым заполнителем; в - ячеистая; г - зернистая: R_б - средняя прочность структуры; R₁ и R₂ - прочности составляющих бетона.

Наибольшей прочностью обладают материалы с плотной структурой, меньшей - с зернистой. Плотные материалы менее проницаемы, чем ячеистые, а те, в свою очередь, менее проницаемы, чем материалы зернистой структуры. Последние обладают, как правило, наибольшим водопоглощением.

Большое влияние на свойства материала оказывает размер зерен, пор или других структурных элементов. В этой связи в бетоне различают макротруктуру и микроструктуру. Под макроструктурой понимают структуру виидимую глазом или при небольшом увеличении. В качестве структурных элементов здесь различают крупный заполнитель, песок, цементный камень, воздушные поры. Микроструктурой называют структуру, видимую при большом увеличении под микроскопом. Дл бетона большое значение имеет микроструктура цементного камня, которая состоит из непрореагировавших зерен цемента, новообразовании и микропор различных размеров.

Цементный камень является основным компонентом бетона, определяющим его свойства и долговечность. Основной составляющей микроструктуры цементного камня являются гидросиликаты кальция.

Цементный камень содержит участки с различной структурой, сложенные разными минералами. Его строение отличается сложностью, многообразием и неоднородностью. Неоднородность строения обусловлена тем, что цементный камень состоит из глобул цементных зерен с постепенно убывающей к их поверхности плотностью, контактной зоны между глобула­ми, состоящей из различных новообразований, а также включает поры, неплотности и дефекты структуры. Необходимо учитывать и химическую неоднородность камня.

Для различных видов бетонов характерна своя структура. Для проектируемого бетона характерно наличие плотной (рисунок 4 а) или поризованной структуры (рисунок 5).

Плотная структура состоит из сплошной матрицы твердого материала (например, цементного камня), в которую вкраплены зерна другого твердого материала (заполнителя), достаточно прочно связанные с материалом матрицы. Материалы плотной структуры обладают высокими показателями плотности, прочности, морозостойкости и рядом других.

Рисунок 5. Бетон с поризованной структурой

В бетонах с поризованной структурой поризацию растворной части бетона производят для улучшения теплофизических свойств. Поризацию осуществляют либо предварительно приготовленной пеной, либо за счет введения газообразующих или воздухововлекающих добавок. В данном виде структуры пространство между инертными заполнителями заполнено вяжущим, затвердевшим в поризованном состоянии.

Каждая структура имеет свои закономерности, определяющие ее свойства и влияние на них различных факторов. Для плотной структуры решающее значение имеют свойства цемента( реологические свойства определяются в соответствии с зависимостями) характерными для вязких жидкостей, а также свойства заполнителя и трения между его зернами. Для поризованной структуры роли цементного камня и пористого заполнителя примерно сопоставимы [4].