Вопрос 14. Опишите структуру и строение тяжелого бетона. Виды пор и причины их образования. Влияние пористости на свойства бетона.

Ответ: Затвердевший бетон относится к материалам конгломератного типа, так как состоит из заведомо разнородных зерен заполнителя, скрепленных цементным камнем. В структуре бетона выделяют три элемента: цементный камень, заполнитель и зону контакта между ними. Количественные соотношения и качественное различие этих элементов предопределяют характер структуры и свойства бетона. Различают макро- и микроструктуру бетона.

Макроструктура характеризует строение бетона как искусственного конгломерата и зависит от соотношения между компонентами бетона, а также однородности их распределения. Учитывают и воздушные пустоты, возникающие вследствие недоуплотнения бетонной смеси. Большое влияние на свойства бетона оказывают также усадочные трещины, образующиеся в процессе твердения в цементном камне и контактной зоне и нарушающие монолитность бетона.

Микроструктура затвердевшего бетона характеризуется составом и строением твердого вещества, размером и характером пор, а также строением контактной зоны между заполнителем и цементным камнем. Цементный камень скрепляет все компоненты бетона в единое целое. Поэтому к важнейшим свойствам, определяющим качество цементного камня, относятся прочность и адгезия, т.е. способность к сцеплению с зернами заполнителя. В состав цементного камня входят продукты гидратации цемента и многочисленные включения в виде негидротированных зерен клинкера и минеральных добавок. Продукты гидратации представлены в основном мельчайшими кристаллами гидросиликатов кальция и, кроме того, более крупными кристаллами гидроксида кальция.

Для каждой смеси существует минимальный объем пор, необходимый для обеспечения морозостойкости. Клигер считает, что этот объем составляет 9% объема растворной части, имея в виду воздух, содержащийся в цементном камне. Контролирующим фактором является расстояние между пузырьками воздуха, т. е. толщина цементного камня между соседними воздушными порами. Расстояние 0,025 см между порами достаточно для гарантии защиты от мороза. Так как общий объем пор в данном объеме бетона определяет прочность бетона, следовательно, воздушные поры должны быть возможно меньшего размера. Их размер в значительной степени определяется процессом пенообразования. На практике поры имеют разные размеры, и их размер обычно определяют удельной поверхностью.

Не следует забывать, что в бетоне всегда есть случайно защемленный воздух независимо от наличия воздухововлекающих добавок, следовательно, имеется два вида пор и удельная поверхность выражает общий объем   пор  в   цементном  камне.   В   хорошо   приготовленном    бетоне с воздухововлекающими добавками удельная поверхность пор составляет приблизительно от 1000 до 1500 см-1 но иногда может доходить до 2000 см-1. Удельная поверхность пор случайно защемленного воздуха составляет менее 760 см-1. Размер пор колеблется в пределах 0,005—0,13 см. При данном содержании воздуха в бетоне расстояние между воздушными порами зависит от В/Ц бетонной смеси. Хотя воздух содержится только в цементном камне, количество его выражается в процентах от объема бетона.

Как было указано выше, цель воздухововлечения — создание морозостойкости бетона. В начальный период замораживания поры воспринимают гидравлическое давление, возникающее в капиллярах цементного камня, а в последующий период замораживания поры препятствуют росту микроскопических кристалликов льда в цементном камне или ограничивают этот рост. Каждая пора защищает только свою тонкую стенку, поэтому при слишком большом расстоянии между порами происходит расширение цементного камня.

Если все стенки пор защищены, цементный камень устойчив к действию мороза, и вследствие поглощения порами свободной воды замерзающий цементный камень уменьшается в объеме при понижении температуры, как и любое твердое тело при охлаждении. При оттаивании вода возвращается из пор в цементный камень, поэтому защитное действие вовлеченного воздуха продолжается при попеременном замораживании и оттаивании. Воздухововлечение влияет и на другие свойства бетона. Наиболее важно его влияние на прочность бетона в любом возрасте. Следует напомнить,  что   прочность  бетона прямо пропорциональна плотности, а поры, образованные вовлеченным воздухом, снижают прочность, как и любые другие поры. При введении воздухововлекающей добавки в бетонную смесь без изменения ее состава снижается прочность бетона пропорционально объему воздуха в бетоне.

В рассматриваемой области при содержании воздуха до 8%, криволинейная зависимость прочности от пористости не проявляется. Испытания, проведенные для бетонов с В/Ц в интервале 0,45—0,72, показали, что потеря прочности, выражаемая как часть прочности бетона без воздухововлечения, не зависит от состава смеси.

Причины образования воздушных полостей в бетоне, влияющих на проницаемость, следующие. Во-первых, использование воздухововлекающих добавок. Превышение нормы таких добавок может явиться причиной повышенного содержания воздуха и соответственно повышенной проницаемости. Во-вторых, захват воздуха при замешивании и укладывании бетона. Чрезмерное перемешивание и чрезмерное формование бетона могут стать причиной увеличения количества вовлеченного воздуха и повышенной проницаемости. Проблема проницаемости бетона является немаловажной как при его производстве, так и при применении полимерных покрытий. Во-первых, из-за проницаемости бетона в него проникает влага, химикаты и различные загрязнения, что вызывает необходимость в использовании защитных покрытий. В свою очередь, выход влаги и загрязнений из бетона влияет на качество уже нанесенных покрытий.