КРАСОВСКИЙ_УП

ных данных. Если применяют мелкий песок с водопотребностью свыше 7,5 %, то расход воды увеличивают на 5 л на каждый процент увеличения водопотребности; при применении крупного песка с водопотребностью ниже 7 % расход воды уменьшают на 5 л на каждый процент уменьшения водопотребности. При применении щебня расход воды увеличивают на 10 л, а при использовании пуццолановых цементов расход воды увеличивают на 15…20 л. Когда расход цемента начинает превышать 400 кг/м3, расход воды увеличивают на 10 л на каждые 100 кг цемента. Допустимо колебание водопотребности около 10 л. Окончательная водопотребность устанавливается в пробных замесах.

Рис. 4.10. График водопотребности В пластичной (а) и жесткой (б) бетонной смеси, изготовленной с применением портландцемента, песка средней крупности (водопотребность 7 %) и гравия наибольшей крупности: 1 – 70 мм; 2 –

40 мм; 3 – 20 мм; 4 – 10 мм

Повышение точности технологических расчетов без их заметного усложнения может быть получено при применении интегральных характеристик заполнителей – их водопотребности, которые более точно учитывают влияние заполнителей на свойства бетонных смесей и структурных характеристик бетонной смеси: эффективного или истинного В/Ц и объемной концентрации цементного теста. Однако и для этого нужны определенные приборы и методики.

Подвижность бетонной смеси с течением времени постепенно уменьшается за счет физико-химического взаимодействия цемента и воды. Особенно сильно снижается удобоукладываемость жесткой смеси, поэтому такую смесь необходимо укладывать в форму как можно быстрее. Заметно снижается удобоукладываемость при нагревании и использовании добавок-ускорителей схватывания. Для лучшего сохранения подвижности во времени используют добавкизамедлители схватывания и твердения.

Понижение подвижности бетонной смеси учитывают при выборе технологии производства бетонных работ или производства железобетонных изделий, назначая подвижность в соответствии с видом конструкции, опалубки, сроков и условий укладки и др.

51

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Таблица 4.2

Классификация бетонных смесей

Стандарт для удобства подразделяет все бетонные смеси на марки по удобоукладываемости (табл. 4.2).

Контрольные вопросы

1.Чем определяется структура бетонной смеси?

2.Как изменяются свойства смеси с измельчением ее компонентов?

3.Изменение свойств воды в оболочках и ее влияние на свойства смеси.

4.Что такое тиксотропия и чем она проявляется в бетонной смеси?

5.Как со временем меняется содержание свободной воды в смеси?

6.Каковы типы структур бетонной смеси и как меняются их свойства?

7.Как проявляется расслоение бетонной смеси и отчего оно зависит?

8.Назовите главные реологические свойства бетонной смеси.

9.Какова роль цементного теста в формировании свойств бетонной смеси?

10.Как изменяются свойства структурированных систем под действием внешних сил (тиксотропия)?

11.Какими приборами можно определить реологические свойства бетонной смеси?

12.От чего зависят реологические свойства бетонной смеси?

13.Что такое удобоукладываемость смеси?

14.Как определить удобоукладываемость пластичных смесей?

52

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

15.Назовите способы определения удобоукладываемости жестких смесей.

16.В чем суть закона постоянства водопотребности?

17.Как регулируется подвижность бетонной смеси?

18.Опишите процесс определения расхода воды по графику водопотребности.

5. СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ БЕТОНА

5.1. 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.

Под структурой бетона подразумевают сумму параметров, характеризующих расположение в пространстве элементов каркаса цементного камня и частиц заполнителей, вид и свойства контактов кристаллов и коллоидных частиц в составе каркаса, а также данные о форме, размере и количестве пор или промежутков между частицами твердой фазы.

По современным воззрениям, в начальный период при смешивании цемента с водой в процессе гидролиза трехкальциевого силиката выделяется гидрооксид кальция, образуя перенасыщенный раствор. В этом растворе также находятся ионы сульфата, гидрооксида, щелочей, а также небольшое количество кремнезема, глинозема и железа. Высокая концентрация гидрооксидов и сульфатов наблюдается непродолжительное время, так как уже через несколько минут из перенасыщенного раствора начинают выделяться новообразования – гидрооксид Ca – Ca(OH)2 и эттрингит 3CaOAl2O33CaSO431H2O или гидросульфоалюминат кальция (ГСАК).

Приблизительно через час наступает вторая стадия гидратации, для которой характерно образование мелких гидросиликатов кальция CSH. Так как в реакции участвуют только поверхностные слои частиц цемента, то размер частичек уменьшается незначительно. Вновь образовавшиеся гидратные фазы, называющиеся цементным гелем (гидросиликатным), характеризуются чрезвычайно тонкой гранулометрией. Но в первую очередь они появляются также на поверхности частиц. С увеличением количества новообразований и плотности их упаковки пограничный слой становится малопроницаемым для воды (2…6 часов).

Вторую стадию медленной гидратации называют «скрытым, или индукционным, периодом» гидратации цемента. В течение этого периода цементное тесто представляет собой плотную суспензию, стабилизированную действием флоккулообразующих сил, но силы притяжения между цементными частицами малы. Тесто приобретает связность и подвижность.

В течение скрытого периода происходит постепенное поглощение поверхностными оболочками цементных зерен воды, толщина прослоек между зернами уменьшается, постепенно понижается подвижность теста и бетонной смеси.

53

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

В гелевых оболочках появляется осмотическое давление. Внутренние слои цементных зерен, реагируя с водой, стремятся расшириться. В результате наступает разрушение гелевых оболочек, отмечается доступ воды к внутренним слоям цементных зерен, ускоряется процесс гидратации.

Наступает третья стадия, характеризуемая началом кристаллизации Ca(OH)2 из раствора. Процесс этот происходит интенсивно, так как в свободном пространстве между частицами цемента, заполненном первоначально только водой, происходит свободный рост частичек Ca(OH)2 и ГСАК в виде длинных волокон, которые образуются одновременно и как бы делят крупную пору на более тонкие с помощью волокнистых «мостков». Возникают пространственные связи, усиливающие сцепление между гидратными фазами и зернами цемента. С увеличением количества гидратных фаз между ними возникают непосредственные контакты, число их множится – цементное тесто схватывается и затвердевает.

Образующаяся жесткая структура сначала очень рыхлая, но постепенно она уплотняется: в заполненных водой порах непрерывно появляются новые гидратные фазы. Объем пор и их размеры уменьшаются, возрастает количество контактов кристаллов и коллоидных частиц, утолщаются и уплотняются гелевые оболочки на зернах цемента, срастающиеся в сплошной цементный гель с включением непрореагировавших частиц цемента. В результате возрастает прочность цементного камня и бетона (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема процесса преобразований в структуре цементного теста и камня при гидратации цемента: а – цементные зерна в начальный период гидратации; б – образование гелевой оболочки на цементных зернах – скрытый период гидратации; в – вторичный рост гелевой оболочки после осмотического разрушения первоначальной оболочки, образование волокнистых и столбчатых структур на поверхности зерен и в порах цементного камня – третий период гидратации; г – уплотнение структуры цементного камня при последующей гидратации цемента

Процесс гидратации развивается на границах зерен, и цементный гель растет одновременно внутрь и наружу, причем каждое зерно оказывается как бы упакованным в гелевую оболочку. Вода с трудом проникает через нее внутрь зерна, а часть компонентов гидратированного цемента диффундирует в противоположном направлении к внешним границам слоя геля, где эти компоненты присоединяются к существующим кристаллам или образуют новые. Приблизительно 55 % новообразований появляются снаружи, а 45 % остается внутри первоначальной границы зерна [1].

54

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Впроцессе гидратации размеры пор в цементном камне уменьшаются, что,

содной стороны, приводит к затруднению доступа воды к еще непрореагировавшему цементу и замедлению процесса гидратации, а с другой – к уменьшению размера частиц гидратных фаз, которые начинают формироваться в таких порах. В конце гидратации размеры волокон гидросиликатов кальция могут быть в 10…100 раз меньше размеров первоначальных волокон. В итоге в геле полностью гидратированного цемента остаются внутренние пустоты, называе-

мые порами геля (15×10-8¸40×10-8 см), в которых уже невозможно образование зародышей, и они остаются незаросшими новообразованиями.

По степени гидратации судят об объемах различных структурных составляющих цементного камня и его микроструктуре в определенные сроки твердения.

Гидратированный цемент занимает объем в 2,1…2,2 раза больший, чем негидратированный, но меньший, чем суммарно объем цемента и связанной воды (на 0,254 от объема воды).

Уменьшение объема системы вода–цемент в процессе гидратации называется контракцией. Величина контракции зависит от минералогического состава цемента, его помола, В/Ц, содержания добавок и др. По величине контракции при прочих равных условиях можно судить о протекании процесса гидратации и структурообразования бетона. В среднем она составляет 7…9 мл на 100 г цемента.

Таким образом, при В/Ц > 0,5 в этом бетоне будут присутствовать капиллярные поры, при В/Ц = 0,38…0,5 в цементном камне могут сохраниться капиллярные и контракционные поры, при В/Ц < 0,38 в цементном камне отсут-

55

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

величины меньше. По данным Ю.М. Баженова, если при В/Ц = 0,5 капиллярная пористость в цементном камне достигает 61 %, то в бетоне при расходе воды 170 л и цемента 340 кг она уменьшается до 17 %, т. е. для уменьшения капиллярной пористости на 1 % необходимо уменьшить расход воды на 10 л/м3 или увеличить расход цемента на 20…35 кг/м3.

При подборе состава для конкретной конструкции и технологии, учитывая свойства местных заполнителей, можно добиться и более высоких результатов, сохранив закономерность уменьшения пустот в крупном компоненте за счет мелкого. Правда, в очень мелких компонентах, способных к агрегированию, структура может быть рыхлой, но это устраняется за счет технологии: введения добавок, активации смеси. Можно использовать уплотнение с пригрузом, под давлением и др.

Часто встает вопрос о сроках схватывания бетонной смеси, так как после этого перерабатывать смесь не рекомендуется. Их можно определить либо по скорости прохождения ультразвука, либо вычислением предельного напряжения сдвига, либо по кривым тепловыделения и т. д. Обычно процесс изменения этих характеристик имеет вид кривой с двумя характерными участками: первый участок совпадает со скрытым периодом гидратации и характеризуется не-

значительным повышением структурной прочности. Бетонная смесь сохраняет еще свойства структурированной жидкости. Затем наступает второй период гидратации, бетонная смесь схватывается, что вызывает резкое увеличение структурной прочности, скорости ультразвука и тепловыделения.

Время от момента затворения бетонной смеси до момента резкого возрастания прочности называют периодом формирования структуры. Его продолжи-

56

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

тельность зависит от минералогического состава цемента, его количества, В/Ц, температуры. Плотность и пористость структуры твердой матрицы, создающейся к концу периода формирования, также определяются В/Ц. Это собственно первоначальный каркас из первичных продуктов гидратации, значительно влияющий на будущую структуру цементного камня и бетона. В дальнейшем упрочнение этой системы (после точки перегиба на кривой) идет за счет роста новообразований внутри матрицы, но процесс этот соответствует уже треть- ему периоду гидратации. К «узловой» точке перегиба А (концу периода формирования структуры) тесто превращается в камень, совершается переход от пластической прочности теста к хрупкой прочности камня.

Заполнитель оказывает заметное влияние на структурообразование бетона в момент формирования структуры, оттягивая часть воды затворения на себя, и после затвердевания смеси, создавая жесткий каркас, упрочняющий структуру, ограничивающий усадочные деформации, регулирующий влажность в твердеющем цементном камне, и потому для более четкого прогнозирования и расчетов процесс формирования структуры можно также разбить на три периода.

Первоначальный период, в течение которого бетонная смесь превращается в бетон, последующий, когда бетон постепенно упрочняется, и третий, когда структура стабилизируется, незаметно меняясь во времени (рис. 5.4).

Границей между первым и вторым участками является точка А. В бетоне ее можно определить визуально по потере блеска поверхности. Это говорит о том, что первоначальная структура сформировалась, смесь загустела (схватилась), далее следует только упрочнение системы. После точки А прочность бетона нарастает, подчиняясь логарифмическому закону.

Мы чаще всего везде говорим о прочности. Вероятно, правильнее было бы говорить о плотности структуры, так как следствием этого являются и прочность (хотя здесь играют роль и виды связей, возникающих при гидратации), и водонепроницаемость, и морозостойкость, и усадка. Словом, все изменения свойств практически связаны с характером пористости, которая значительно меняется в раннем возрасте при активной гидратации цемента. Именно этот процесс в изменениях структуры является ведущим. Другие факторы (состав бетона, свойства заполнителей и др.) хотя и влияют на изменения структуры во времени, но их влияние вторично. Постепенное затухание изменений структуры и свойств бетона, стабилизация их со временем объясняются процессами затухания гидратации цемента.

57

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

5.2. Структура бетона

Структура бетонной смеси сохраняется и при затвердевании. В связи с этим ее классифицируют по содержанию цементного камня и его размещению в бетоне. Однако свойства бетона при прочих равных условиях зависят от объема и характера сформировавшейся пористости и процессов ее изменения во времени.

На рис. 5.5 показаны основные типы структур: плотная, с пористым заполнителем, ячеистая и зернистая.

Рис. 5.5. Основные типы макроструктуры бетона: I – плотная; II – плотная с пористым заполнителем; III – ячеистая; IV – зернистая; Rб – средняя прочность структуры; R1 и R2 – прочности составляющих бетона

Плотная структура в свою очередь может иметь контактное и «плавающее» расположение зерен заполнителя, когда они достаточно удалены друг от друга. Она представляет собой твердую матрицу (цементный камень), в которую вкраплены зерна другого твердого материала (заполнителя), достаточно прочно сросшиеся с матрицей.

Ячеистая структура отличается тем, что в сплошной среде твердого материала распределены поры в виде различных по размеру условно замкнутых ячеек.

Зернистая структура представляет собой совокупность закрепленных между собой зерен твердого материала: пористость ее непрерывна и аналогична пустотности сыпучего материала.

Большое влияние на свойства материала оказывает размер зерен твердой фазы и размер пор. В этой связи в бетоне различают макро- и микроструктуру.

Под макроструктурой понимают структуру, видимую глазом или при небольшом увеличении, и в качестве ее элементов различают заполнители, цементный камень, воздушные поры. Иногда упрощенно рассматривают 2-ком- понентную систему: крупный заполнитель + раствор.

Микроструктурой считают структуру, видимую только при большом увеличении под микроскопом. Для бетона большое значение имеет микроструктура цементного камня, состоящая из непрореагировавших частиц цемента и продуктов гидратации и микропор различного размера. Это позволило В. Юнгу назвать цементный камень «микробетоном».

58

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Структура бетона неоднородна. Отдельные объемы материала могут значительно отличаться друг от друга по свойствам, расположению и т. д. Могут различаться и цементный камень, и заполнитель, и даже отдельные зерна заполнителя, и отдельные микрообъемы цементного камня. Даже контактная зона (тоненькие прослойки цементного камня обычно уплотненные самим заполнителем) как основной массив цеметного камня неоднородна, содержит дефекты, микротрещины, непрореагировавшие зерна, снижающие однородность материала (рис. 5.6).

и не наблюдается расслоение или недоуплотнение можно, используя понятие истинного В/Ц, т. е. прогнозируя поведение цементного камня в бетоне. Структура будет доброкачественной, если В/Ц = (0,86÷1,65) НГ (нормальная густота).

Неоднородность структуры и свойств бетона требует применения к оценке бетона вероятностно-статистических методов и должна учитываться при проектировании и организации производства бетонных и железобетонных конструкций.

Контрольные вопросы

1.Что такое структура бетона?

2.Как формируется структура бетона?

3.Какие виды пор формируются в структуре бетона?

4.От чего зависит пористость цементного камня?

5.Как изменяется пористость в бетоне?

6.На какие периоды можно разбить процесс структурообразования бетона?

7.Какие виды структур складываются в бетонах?

8.Что такое макро- и микроструктура бетона?

59

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

6. ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА

6.1. Факторы, влияющие на прочность бетона

Под прочностью бетона понимают способность материала сопротивляться разрушению от действия внутренних напряжений, возникающих под действием внешней нагрузки или других факторов.

Материалы в сооружениях в зависимости от условий работы конструкции могут испытывать различные внутренние напряжения: сжатие, растяжение, изгиб, срез и кручение. Бетон как капиллярно-пористый материал хорошо сопротивляется сжатию и хуже срезу и значительно хуже растяжению (в 5–50 раз). Поэтому бетонные конструкции проектируют так, чтобы бетон воспринимал в них сжимающие нагрузки, а при необходимости восприятия растягивающих усилий его армируют. Однако в отдельных конструкциях бетон должен воспринимать и напряжение растяжения на изгибе.

Собственная прочность бетона как хрупкого материала определяется сопротивлением отрыву. Бетон в силу своего неоднородного строения характеризуется низким сопротивлением отрыву. Разрушение бетона при сжатии и растяжении происходит, когда деформации достигают предельной величины. Однако если прочность на растяжение определяется предельной растяжимостью бетона в направлении действия силы, то прочность при сжатии зависит от предельной растяжимости в направлении, нормальном к действию силы.

Если через εо обозначить предельную растяжимость бетона и полагать, что

до момента разрушения деформации ε связаны с напряжением линейным законом, то условия прочности можно представить следующими уравнениями [19]:

прочности при сжатии, кг/см2 (МН/м2); Е – модуль упругости, кг/см2 (МН/м2); μ – коэффициент Пуассона.

Так как μ для бетона примерно равен 0,2, а кубиковая прочность на сжатие при устранении трения на опорных плитах пресса понижается примерно в два раза, то

60

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com