Структурообразование бетона Формирование структуры бетона

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 Н₂О в процессе гидролиза С₃S выделяется Са(ОН)₂, образуя пересыщенный раствор, В этом растворе находятся ионы сульфата, гидрооксида и щелочей; Из раствора начинают осаждаться первые новообразования. Через 1 час наступает вторая стадия гидратации, которой характерно образование очень мелких гидросиликатов Са. Новообразования в первую очередь появляются на поверхности цементных зерен, с увеличением их количества и плотности их упаковки пограничный слой становится малопроницаемым для воды в течение 2-6 часов. Внутренние слои цементных зерен, реагируя с Н₂О, стремятся расщепиться, ускоряется процесс гидратации. Наступает третья стадия процесса гидратации. Она характеризуется началом кристаллизации.

Этот процесс происходит очень интенсивно, т.к. на этом этапе количество гидратных фаз относительно мало, что в пространстве между частицами цемента происходит свободный рост тонких пластинок Cа(OH)₂, гидросиликата Cа и эттрингита в виде длинных волокон, которые образуются одновременно. Волокна новообразований проходят через поры, разделяют их на более мелкие и создают пространственную сетку, усиливая сцепления между гидратными фазами и зернами цемента. С увеличением содержания гидратных фаз между ними возникают непосредственные контакты, число которых увеличивается - цементное тесто схватывается, затвердевает, образуется цементный камень.

Образовавшаяся жёсткая структура сначала является очень рыхлой, но постепенно она уплотняется: в заполненных водой порах этой структуры непрерывно появляются новые гидратные фазы. Объём пор и их размеры уменьшаются, возрастает количество контактов между новообразованиями, утолщаются и уплотняются гелевые оболочки на зернах цемента, срастающиеся в сплошной цементный гель, с включениями непрореагировавших центров цементных зерен. В результате возрастает прочность цементного камня и бетона.

При полной гидратации цемента в химическую связь с его минералами вступает приблизительно 20-25% Н₂О от массы цемента.

Гидратация цемента сопровождается изменением относительного объёма его разных фаз.

В процессе гидратации вода, вступая в реакцию с цементом, приобретает регулярную структуру и общий объём системы «цемент-вода» уменьшается, в то время, как объём твёрдой фазы за счет присоединения Н₂О увеличивается. Гидратированный цемент занимает V в 2,1 – 2,2 раза больший, чем объём цемента до гидратации.

Уменьшение объёма системы «цемент-вода» в процессе гидратации получило название «контракции». В среднем величина контракции составляет 7-9 мл на 100 г цемента.

В процессе гидратации размеры пор в цементном камне уменьшаются. Пористость геля составляет 28%. Наряду с порами геля в цементном камне сохраняются более крупные капиллярные поры, образовавшиеся приготовлением цементного теста.

При полной гидратации цемента пористость уменьшается при понижение В⁄Ц.

На пористость влияет также степень уплотнения цементного теста. При низких значениях В⁄Ц увеличивается флокуляция цементных частиц и объёмом вовлечения воздуха. В результате возрастает общая пористость цементного камня и понижается его R.

При низких В/Ц возрастает роль условий выдерживания. При твердении в Н₂О увеличивается степень гидратации цемента, уменьшается пористость цементного камня, что обеспечивает повышение его R.

В обычных бетонах цемент редко гидратируется полностью, поэтому остаются непрогидратировавшие зерна и значительное количество капиллярных пор.

В бетоне цементный камень в результате введения заполнителя занимает только часть объёма, в результате изменяется и пористость.

Для практических целей часто требуется знать сроки схватывания бетонной смеси.

Время от начала затвердения до момента резкого возрастания прочности называется пределом формирования структуры.

К концу периода формирования структуры цементное тесто превращается в камень, совершается резкий переход от пластической прочности цементного теста к хрупкой прочности затвердевшего цементного камня.

В бетонной смеси на сроки схватывания существенное влияние оказывает заполнитель. Введенный в цементное тесто заполнитель вследствие проявления поверхностных сил сокращает период формирования структуры, причем, чем выше содержание заполнителя и его удельной поверхности, тем больше его влияние.

Заполнитель оказывает заметное влияние на структурообразование бетона после затвердения бетонной смеси формируя жёсткий каркас, упрочняющий структуру бетона. Заполнитель повышает водоудерживающею способность цементного теста, ограничивает усадочные деформации, способствует образованию кристаллического каркаса, влияет на изменение температуры и влажности твердеющего бетона.

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; второй, во время которого структура бетона постепенно упрочняется, и третий, когда структура стабилизируется и почти не изменяется во времени.