Структура цементного камня

Отвердевший цементный камень представляет собой микроскопически неоднородную систему, состоящую из кристаллических сростков и гелеобразных масс, представленных частицами коллоидных размеров. Неоднородность структуры цементного камня усиливается и тем, что в нем имеется непрореагировавшая часть клинкерных зерен, содержание которых с течением времени уменьшается. По аналогии с обычным бетоном такую неоднородную систему цементного камня. В. Н. Юнг назвал «микробетоном».Существенно влияют на структуру цементного камня гипс и гидравлические добавки, так как их зерновой состав разнообразен, и образуются новые продукты в результате их реакции с клинкерными компонентами цементного камня. Рационально подбирая минералогический состав клинкера и состав цемента с необходимым содержанием отдельных клинкерных минералов, дающих при твердении цементного камня то кристаллические сростки, то гелевую структурную составляющую, можно воздействовать на структуру и физикомеханические свойства цементного камня и бетона в необходимом направлении.Различие в физикомеханических свойствах кристаллического и коллоидного гелеобразного вещества является одной из причин влияния минералогического состава клинкера на некоторые основные строительные свойства цемента: деформативность, стойкость при переменном замораживании и оттаивании, увлажнении и высушивании. Это позволяет путем рационального подбора минералогического состава клинкера регулировать свойства портландцемента и получать цемент, по качеству удовлетворяющий конкретным эксплуатационным условиям.На структуру бетона оказывает значительное влияние пористость цементного камня, связанная с начальным содержанием воды в бетонной смеси и воздухововлечением при ее приготовлении. Для получения удобоукладываемой бетонной смеси в нее вводят в 2—3 раза больше воды, чем химически связывается цементом в процессе твердения. Количество воды, вступающее в химическую реакцию с цементом, при благоприятных условиях твердения составляет 15—20% веса цемента, а для получения удобоукладываемой смеси требуется 40—60% воды. Таким образом, большая часть воды затворения оказывается в свободном состоянии и образует в затвердевшем камне множество мелких пор. Поэтому всегда стремятся применять бетонные смеси с минимальным содержанием воды с целью получения наиболее плотной структуры цементного камня, что также повышает его прочность и морозостойкость.Структура цементного камня, а именно наличие пор и гелеобразного вещества, обусловливает склонность его к влажностным деформациям: при увлажнении он разбухает, а при высушивании дает усадку. Знакопеременные сжимающие и растягивающие напряжения, вызываемые изменением влажности окружающей среды, расшатывают структуру цементного камня и понижают прочность бетона. Степень влажностных деформаций зависит от соотношения гелеобразных и кристаллических фаз в цементном камне: с увеличением последней стойкость камня в таких условиях (называемая воздухостойкостью) повышается. В отличие от рассмотренных далее пуццолановых портландцементов обыкновенный портландцемент отличается высокой воздухостойкостью.

ВЛИЯНИЕ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ БЕТОНА

Общие закономерности, показывающие зависимость прочности бетона от различных факторов, были рассмотрены в предыдущих главах. Однако на практике составы и структура бетона могут изменяться в широких пределах и в ряде случаев это необходимо учитывать и вносить определенные коррективы в основные зависимости при проектировании состава бетона.

Материалы (цемент, песок, гравий) могут по-разному влиять на свойства бетонов, различающихся по составу и структуре. В одних составах наилучшим образом проявляются их положительные свойства, в других—материалы используются нерационально. Неодинаково сказываются на бетонах различных составов и структуры и особенности технологии.

Предполагая условия приготовления и формования бетона одинаковыми, рассмотрим возможное изменение структуры и свойств бетона в двух случаях: при изменении цементно-водного отношения при постоянных соотношениях содержания цемента и заполнителя в бетоне и при изменении соотношения цемента и заполнителя при постоянном значении подвижности бетонной смеси или цементно-водного отношения.

Смесь цемента и заполнителя может связывать и удерживать строго определенное количество воды, находящейся на поверхности частиц твердой фазы, в ее порах и капиллярах.

Каждая структура имеет свои закономерности, определяющие ее свойства и влияние на них различных факторов. Так, для структуры первого типа, когда зерна заполнителя не соприкасаются друг с другом, решающее значение имеют свойства цемента; в структуре второго и особенно третьего типа, где заполнитель создает жесткий скелет, а его зерна находятся с контакте друг с другом (через тонкую цементную прослойку), на свойства бетона заметное влияние оказывают свойства не только цемента, но и заполнителя. Эти зависимости свойств бетона от структуры и качества материалов следует учитывать при проектировании его состава

Отдельные фракции заполнителя по разному влияют на свойства бетона. Крупный плотный заполнитель заметно влияет на прочность бетона при сжатии и в меньшей мере — на подвижность или водопотребность бетонной смеси.

 Мелкий заполнитель, наоборот, значительно изменяя водопотребность бетонной смеси, меньше влияет на прочность бетона, (в оптимальных составах)

Различное влияние заполнителя на свойства бетона объясняется их ролью в структуре. Крупный заполнитель создает каменный скелет в бетоне, заметно влияет на характер напряженного состояния, на деформации и трещинообразование при нагружении бетона. Мелкий заполнитель, располагаясь между зернами крупного, оказывает меньшее влияние на поведение бетона под нагрузкой и, следовательно, на его прочность.

Влияние крупного заполнителя в бетоне возрастает при уменьшении степени раздвижки его зерен раствором, каким бы путем это ни достигалось: повышением ли жесткости смеси и сокращением расхода цемента или уменьшением крупности песка. В бетоне крупный заполнитель содействует уплотнению прослоек раствора, как бы являясь своеобразным пригрузом, что имеет большое значение при использовании мелких песков. С другой стороны, регулируя влагообмен растворной части, в частности предохраняя ее от излишней потери влаги при выдерживании в неблагоприятных условиях, крупный заполнитель заметно влияет на условия твердения цементного камня. В результате свойства раствора в бетоне отличаются от его свойств в образцах из раствора Это также в определенной мере объясняет меньшее влияние качества песка на прочность бетона. Например, в наших опытах при замене крупного песка (Мор=2,79) мелким (/Vfop=0,69) прочность раствора 1:2 понизилась на 62%, а прочность бетона — всего на 5%- С другой стороны, водопотребность бетонной смеси сильно зависит от удельной поверхности заполнителей и на эту характеристику мелкий заполнитель, удельная поверхность которого в несколько раз больше, чем крупного, оказывает более заметное влияние

Таким образом, основные зависимости свойств бетона от различных факторов, которые используют в технологических расчетах, в частности при определении состава, носят средний статистический характер и от них возможны значительные отклонения. Поэтому технологические расчеты рекомендуется проверять опытами.

Наилучшими свойствами обладают бетоны оптимальных составов, в которых свойства материалов используются наиболее полно. Эти бетоны имеют повышенные плотность и прочность при сжатии (при заданном Ц/В), более высокое соотношение Яр/Ясж и т. д. Способы проектирования составов бетона, рассмотренные в последующих главах, обеспечивают получение оптимальных или близких к ним составов бетона.

Основные свойства бетонов также можно представить как функцию структурных характеристик— концентрации цементного камня в бетоне и его истинного водоцементного отношения. Эти характеристики учитывают влияние как цемента, так и заполнителя

Для более полной характеристики строения бетона необходимо оценить не только его макроструктуру, но и микроструктуру. Микроструктуру можно оценивать по характеру пористости цементного камня и заполнителя, а также пористости, получаемой за счет воздухововлечсния при введении химических добавок.

Особенностью данного критерия является то обстоятельство, что концентрация цементного камня определяется на основе истинного водоцементного отношения Тем самым учитывается влияние па структуру и свойства бетона заполнителя (через его водо- потребность) и процесса формирования структуры (схватывания цемента). Ведь твердение цемента после его схватывания происходит в рамках первоначально сложившейся структуры и от ее строения и свойств во многом будут зависеть окончательные свойства бетона. Если первоначальная структура слабая, с большим количеством пор и дефектов, то и прочность бетона даже после длительного твердения окажется невысокой, так как новообразований цементного камня не хватит для исправления дефектов первоначальной структуры.