Структурообразование бетона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структурообразование бетона

1. Структурообразование 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 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 затвирения 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, вновь образующиеся гидратные фазы, получившие название цементного геля, характеризуются очень тонкой гранулометрией, размер зерен цемента уменьшается незначительно. Новообразования в первую очередь появляются на поверхности цементных зерен. С увеличением количества новообразований и плстности их упаковки пограничный спой становится малопроницаем для воды примерно в течение 2 ,6ч. 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 обьяснено следующим образом. 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 цементное 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 гидросиликатов кальция и эттрингита в виде длинных волокон, которые образуются одновременно. Волокна новообразований проходят через поры, разделяют их на более мелкие и создают пространственную связь, усиливая сцепления между гидратными фазами и зернами цемента. С увеличением содержания гидратных фаз между ними возникают непосредственные контакты, по 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 гид ратные фазы Объем пор и их размеры уменьшаются, возраст зет количество контактов между новообразованиями, утолщаются и уплотняются оболочки на зернах цемента, срастающиеся в сплошной цементный гель, с включениями непрореагировавших центров цементных зерен. В результате возрастает прочность цементного камин и бетона.

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 oi условии твердения бетон может либо увеличиваться, либо уменьшаться в объеме; последнее происходит чаще и носит название усадки. Все эти изменения более значительны па первоначальном этапе формирования структуры и особенно в период превращения псевдожидкой структуры бетонной смеси в твердую структуру бетона и постепенно затухают с возрастом бетона. Изменения свойств бетона определяются главным образом гидратацией цемента, поэтому свойства последнего оказывают на эти закономерности решающее влияние.

1.1 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 мы подразумеваем 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. 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. 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 3-я 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, образуя цементный камень.

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 .

В процессе гидратации размеры пор в цементном камне уменьшаются, что, с одной 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, называемые порами геля (15Ч10-8ё40Ч10-8 см), в которых уже невозможно образование зародышей, и они остаются незаросшими новообразованиями.

Пористость геля составляет 28 %. Если пористость выше, значит, в геле еще имеются крупные поры, которые постепенно зарастут за счет развития в них новообразований.

Изменение состава цементного камня с минеральными наполнителем после полной гидратации цемента в зависимости от В/Ц:

1 - минеральный наполнитель;

2 - негидратированный цемент;

3 - цементный гель;

4 - капиллярная вода (поры)

Наряду с порами геля в цементном камне сохраняются крупные капиллярные поры, образовавшиеся во время приготовления цементного теста. Однако их размеры и объем также постепенно уменьшаются в ходе гидратации. Также постепенно происходит перераспределение жидкой фазы: уменьшается количество свободной или капиллярной воды, увеличивается количество химически и физико-химически связанной воды.

При полной гидратации цемента в химическую связь с его минералами вступает 20-25 % воды от массы цемента. Количество химически связанной воды определяют по массе «неиспаряющейся» воды при сушке по специальной методике, при этом используется обобщенное понятие «гидратированный цемент» и еще ряд усредненных показателей. Гидратированный цемент представляет собой в основном коллоидно-кристаллиза-ционное вещество независимо от различий в химическом составе.

Цемент гидратируется длительное время (десятки, иногда сотни лет). Степень его гидратации к определенному времени a определяют как отношение воды, связанной к этому моменту wt, к количеству воды, связанной при полной гидратации w_полн:

a = w_t /w_полн .

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



Изменение объема твердой и жидкой фазы в системе цемент-вода при гидратации цемента (В/Ц < 0,5):

1 - объем негидратированного цемента;

2 - первоначальный объем воды;

3 - объем твердой фазы гидратированного цемента;

4 - объем гелевой воды;

5 - объем контракционных пор;

6 - объем цементного геля вместе с порами.

Если цемент твердеет в водных условиях, то через капиллярные и контракционные поры он может впитывать воду, требуемую для полной гидратации, но необходимо, чтобы объем этих пор был достаточен для размещения продуктов гидратации. Это возможно при В/Ц = 0,38, при меньших В/Ц полная гидратация цемента невозможна.

Изменение пористости бетона в процессе твердения:

1 - общая пористость;

2 - контракционная пористость;

3 - пористость геля;

4 - капиллярная пористость



Таким образом, при В/Ц > 0,5 в этом бетоне будут присутствовать капиллярные поры, при В/Ц = 0,38ё0,5 в цементном камне могут сохраниться капиллярные и контракционные поры, при В/Ц < 0,38 в цементном камне отсутствуют капиллярные поры, он весь состоит из геля, но в нем обязательно сохраняются непрореагировавшие частицы цемента, способствующие уплотнению материала и повышению его прочности.

Определение объема составных частей цементного камня в процессе гидратации всегда можно определить по формулам:

- негидратированный цемент

- количество связанной воды

- твердые продукты гидратации

- поры геля

Объем воды в порах геля

Цементный гель вместе с порами:

Уменьшение объема вещества контракции:

Объем капиллярных пор:

При одинаковом В/Ц в цементном камне с минеральным наполнителем по сравнению с чисто клинкерным цементным камнем содержится меньше новообразований и выше пористость структуры.

Структура цементного камня определяет его пористость. Расчетная пористость хорошо уплотненного при изготовлении цементного камня может быть определена:

- капиллярная



- контракционная

- геля

- общая

Оптимальное уменьшение пористости бетона можно получить, если при определении его состава использовать наиболее плотную упаковку твердой фазы, причем сделать это в каждой группе частиц соответствующих размеров. Весь состав разбивается на группы:

1. щебень-песок,

2. заполнитель-цемент,

3. цемент-супертонкий наполнитель.

Располагая мелкий компонент в межзерновых пустотах крупного, получают пониженную пустотность твердой фазы. Если пустотность щебня и песка составляет 40-45 % (до 50 %), то пустотность их смеси 20-25 %, пустотность группы цемент-заполнитель 12-14 %, то при ведении микронаполнителя в смесь - 7-10 %.

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 определением 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 незначительным 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 продолжительность 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 третьему 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.



Расчетные периоды структурообразования:

I - период образования первоначальной структуры;

II - период упрочнения структуры;

III - период стабилизации структуры.

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.

1.2 Структура бетона

Структуру бетонной смеси 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.

Однако на свойства бетона определяющие влияние оказывают его плотность и пористость. Объем и характер пористости , а также отношение отдельных составляющих бетона определяют его основные технические свойства, долговечность, стойкость в различных условиях. В этой связи целесообразно классифицировать структуру бетона с учетом ее плотности.

Существуют основные типы структур:

- плотная;

- с пористым заполнителем;

- ячеистая;

- зернистая.

Плотная структура в свою очередь может иметь контактное и «плавающее» расположение зерен заполнителя, когда они достаточно удалены друг от друга. Она представляет из себя 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 рассматривать 2-компонентную систему: крупный заполнитель + раствор.

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



Зависимость прочности бетона Rб от относительной плотности сI/с:

1 - ячеистой структуры;

2 - зернистой структуры.

Структура бетона, как правило, изотропна, т.е ее свойства по всем направлениям (приблизительно)одинаковы. Однако путем особых приемов формования или введения специальных структурообразующих элементов структуре бетона может быть придана анизотропность. Для различных видов бетона характерна своя структура. Для тяжелых бетонов характерна плотная структура, для легких конструктивных - плотная структура с пористыми включениями, ячеистые бетоны имеют ячеистую структуру, крупнопористые - зернистую.

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 цементного камня неоднородна, содержит дефекты, микротрещины, непрореагировавшие зерна и др., снижающие однородность материала.



Элементарная ячейка структуры бетона:

1 - зерна заполнителя;

2 - контактная зона;

3 - зона ослабленной структуры вследствие седиментации;

4 - воздушные пузырьки;

5 - зона уплотненной структуры;

6 - крупные седиментационные поры.

Неоднородность структуры по объему приводит к неоднородности свойств по объему. Кроме того структура и свойства могут колебаться в незначительных пределах в разных изделиях и образцах, изготовленных из одного и того же бетона. И возникает это часто уже при распределении жидкой и газообразной фазы в первоначально сформированной структуре бетона (в момент окончания схватывания). При расслоении бетонной смеси при высоких В/Ц или при ее недоуплотнении при более низких В/Ц в бетоне возникают дефекты, которые практически невозможно залечить в процессе последующей гидратации цемента. Неоднородность структуры и свойств бетона требует применения к оценке бетона вероятно-статистических методов и должна учитываться при проектировании и организации производства бетонных и железобетонных конструкций.

Структура бетонной смеси, образовавшаяся в процессе ее приготовления и укладки, в последующем до момента затвердевания может претерпевать изменения, вызывающиеся гидратацией цемента и осаждением твердых частиц под действием сил тяжести. Перераспределение твердых частиц по объему бетонной смеси называется расслоением или седиментацией. При этом можно различить два процесса: в первом происходит осаждение крупных тяжелых зерен, в результате чего несколько уплотняется смесь в нижний частях формы или конструкции, а лишняя вода отжимается наверх или скапливается под крупными зернами заполнителя; во втором подобное явление происходит с цементными зернами (вследствие их малой величины) с меньшей скоростью причем оно обычно развивается в порах между заполнителями.

При применении легких заполнителей может наблюдаться обратная картина- зерна заполнителя всплывают, а раствор скапливается в нижних частях формы или изделия. При этом чем заметнее разница в плотности отдельных видов твердых зерен и жидкости, тем больше вероятность расслоения бетонной смеси.

2. Структура бетонной смеси

В процессе изготовления и твердения бетона можно выделить два периода, когда материал характеризуется различными свойствами и состоянием:

1) до схватывания цемента и превращения бетона в твердое тело -- бетонная смесь;

2) период твердения и эксплуатации материала, обладающего всеми свойствами твердого тела -- бетон.

Бетонную смесь, представляющую собой сложную многокомпонентную полидисперсную систему, получают при затворении водой смеси цемента с заполнителем. В нее также в ряде случаев могут входить специальные добавки и вовлеченный в процессе приготовления смеси воздух.

Бетонную смесь получают и при затворении смеси заполнителей органическими и другими жидкими связующими. В настоящем разделе рассматриваются обычные цементные бетоны.

Вследствие наличия внутренних сил взаимодействия между частицами твердой фазы и воды бетонная смесь приобретает связанность и определенные свойства, характерные для структурированных вязких жидкостей. По своим свойствам бетонные смеси занимают промежуточное положение между вязкими жидкостями и твердыми телами От истинно вязких жидкостей они отличаются наличием некоторой прочности структуры или структурной вязкостью, возникающей благодаря силам вязкого трения; от твердых тел -- отсутствием достаточной упругости формы и способностью к значительным необратимым пластическим деформациям течения даже при незначительных нагрузках.

Свойства бетонных смесей зависят от их структуры и свойств составляющих и обладают рядом особенностей, из которых существенное значение имеют: способность смеси как бы псевдоразжижаться или становиться более подвижной под влиянием механических воздействий; постоянное изменение свойств (потеря подвижности) под влиянием физико-химических процессов взаимодействия цемента и воды вплоть до схватывания системы и превращения в твердое тело.

Свойства бетонных смесей и их поведение в процессе приготовления, укладки и уплотнения определяются характером и значением сил, действующих между частицами твердой фазы и жидкостью (вода с растворенными в ней веществами, появляющимися в процессе гидратации или введенными в смесь).

Взаимодействие между твердыми частицами в бетонной смеси определяется наличием жидкой среды: только при добавлении к сухой смеси цемента и заполнителя воды эта смесь приобретает структуру и свойства, присущие бетонной смеси.

В зависимости от соотношения между цементным тестом и заполнителем можно выделить три основные структуры бетонной смеси:

- в первой структуре зерна заполнителя раздвинуты на значительное расстояние и практически между собой не взаимодействуют, они оказывают влияние лишь на прилегающую зону цементного теста, а суммарное действие их прямо пропорционально содержанию зерна заполнителя и их удельной поверхности

- во второй структуре цементного теста меньше и оно лишь заполняет поры между зернами заполнителя с незначительной раздвижкой самих зерен слоем обмазки, толщина которого в местах контакта зерен заполнителя равна 1...3 средним диаметрам частиц цемента. В этих условиях зоны воздействия отдельных зерен заполнителя начинают перекрывать друг друга -- возникает трение между зернами заполнителя. Для придания смеси той же подвижности, что и в структуре первого типа, требуются более интенсивные воздействия или увеличение подвижности цементного теста за счет изменения В/Ц в большей мере, чем это было свойственно структурам первого типа.

Результаты одного из опытов, показывающие, насколько требуется увеличить В/Ц для получения растворов одинаковой подвижности (на встряхивающем столике) при повышении содержания песка. Четко виден перелом кривых, указывающих на переход от одного типа структуры к другому, причем при применении мелкого песка граница перехода сдвинута в зону составов с большим расходом цемента, что необходимо для заполнения увеличенного объема пустот и обмазки большей суммарной поверхности зерен мелкого песка.

- в третьей структуре бетонной смеси цементного теста мало, оно только обмазывает зерна заполнителя слоем небольшом толщины, а поры между зернами заполняет лишь частично.

Каждая структура имеет свои закономерности, определяющие ее свойства и влияние на них различных факторов. Для структуры первого типа решающее значение имеют свойства цемента, реологические свойства определяются в соответствии с зависимостями, характерными для вязких жидкостей.

В структуре второго типа возрастает роль заполнителя и трения между его зернами. Особенно сильно влияет заполнитель на свинства структур третьего типа, и реологические свойств., в этом случае должны описываться с учетом сил внутреннего (сухого) трения.

Переход от одного типа структуры к другому с увеличением содержания заполнителя совершается постепенно. В начале переход намечается в отдельных малы объема и постепенно охватывает весь объем бетонной смеси. При переходе от второго типа структуры к третьему сначала (при небольшой насыпке цементного теста для заполнения пустот в заполнителе) при перемешивании и укладке в бетонную смесь вовлекается большое количество мельчайших пузырьков воздуха, которые как бы увеличивают объем цементного теста и тем самым способствуют заполнению межзернового объема пустот в заполнителе. Такую структуру правильнее относить ко второму типу. При дальнейшем уменьшении содержания цементного теста увеличиваются объем вовлекаемого воздуха и размеры пузырьков воздуха, возникают сплошные большие разрывы и неплотности. Такая структура уже должна относиться к третьему типу.

Вследствие постепенного характера изменения структур бетонной смеси границы между структурами условно могут сдвигаться при изменении свойства цемента и заполнителя, подвижности бетонной смеси, методов формования и других факторов Обычные бетонные смеси относятся ко второму типу структур. Подобные структуры отличаются высокой эффективностью и позволяют получать нерасслаиваемые бетонные смеси заданной подвижности при минимальном расходе цемента. Примером смеси, имеющей структуру первого типа, является цементно-песчаная смесь с повышенными расходами вяжущего, применяемая для изготовления аромоцементных конструкций. Структуру третьего типа имеют беспесчаные бетонные смеси (для крупнопористого бетона) и некоторые тощие составы строительных растворов.

3. Структурообразование в модифицированных бетонах

Здесь исследованы этапы структурообразования в модифицированных бетонах, влияние технологических особенностей производства на морфологию структурных составляющих цементных кристаллогидратов, показаны пути разработки новых составов бетонов с повышенными физико-механическими характеристиками.

Развитие мировой строительной индустрии, совершенствование известных и создание новых строительных материалов способствует возникновению новых практических задач решаемых только благодаря использованию научных методик инженерного материаловедения. Существенного повышения свойств самых распространённых строительных материалов на цементной основе достигают путем изменения минералогического и фракционного состава цемента, с помощью технологических приёмов повышая его активность и дисперсность. Однако современные технологии проектирования составов бетонов не объясняют механизмы влияния известных факторов на структурообразование цементного камня. Управление физико-механическими свойствами осуществляются методами контроля механических и физических характеристик бетонов без анализа их физической основы.

Основной задачей является управление свойствами строительных материалов на основе цементов на базе исследования структурообразования и влияния модификаторов на морфологию и химический состав структурных составляющих бетонов, микро- и макроструктуру.

Исследование структурообразования на различных стадиях твердения бетонов проводили с помощью разработанной методики включающей фиксирование структуры на ранних стадиях гидратации цемента, изучение кристаллообразования с помощью электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа.

Конструирование композиций химических добавок эмпирическим методом без учета влияния их на дисперсность, морфологию и размеры структурных составляющих, адсорбционные процессы не позволяет эффективно управлять физико-механическими свойствами бетонов.

Исследование влияния модификаторов ПЛКП на структурообразование в бетонах осуществлялось поэтапно, начиная с изучения характеристик составных частей композиций, а затем проводилось исследование комплексной добавки.

В качестве основных компонентов добавок ПЛКП используются электролит из смеси солей роданида, тиосульфата и сульфата натрия, суперпластификаторов С-3 и амкироза, наиболее широко используемого гиперпластификатора поликарбоксилата.

Реологические и физико-механические свойства бетонной смеси в значительной степени зависят от вида, крупности и формы песка и щебня, плотности их упаковки в единице объема. Чем тоньше цементная прослойка между указанными заполнителями, тем выше эксплуатационные характеристики бетона. Использование тонкодисперсных минеральных добавок в сочетании с приёмами расчета фракционного состава щебня разномодульного песка позволяет достигать толщин растворных прослоек соизмеримых с размерами диффузных слоев жидкости вокруг частиц. При этом структура указанных слоев в бетоне на ранних стадиях твердения представляет собой гелевые кристаллогидраты, обладающие высокой вязкостью и адгезией к заполнителям. (рис 1)



При размере частицы заполнителя в диаметре более 100 мкм (рис 1), толщина диффузного слоя кристаллогидратов достаточно велика и составляет порядка 1 мкм. Микроструктура слоя неоднородна. Её дисперсность увеличивается по направлению к поверхности частицы песка (заполнителя). Так, например, у поверхности частицы средний диаметр пор гелевых кристаллогидратов не превышает 100 нм, а на расстоянии 1 мкм диаметр пор увеличивается на порядок и составляет в среднем 1 мкм. В мелкодисперсном диффузном слое кристаллогидратов содержится в два раза большее количество натрия, магния, алюминия кремния и калия (рис. 1) относительно концентрации этих элементов в крупных пластинчатых кристаллах модифицированного эттрингита (рис. 2).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Наличие избыточных воды затворения и цемента при использовании современных гиперпластификаторов и тонкодисперсных минеральных добавок инициирует формирование грубой дендритной структуры искусственного камня (рис 3) которая снижает физико-механические характеристики бетонов и увеличивает количество гидратной составляющей в структуре цементного камня (рис 3 - 4).

Способом огрубления структуры цементного камня при увеличении водоцементного соотношения возможно досконально исследовать морфологию и химический состав кристаллов цементного камня, образующегося при использовании различных цементов, добавок и заполнителей. Так, например, модификатор поликарбоксилатного типа формирует дендритные кристаллы особой формы наличие которых или их фрагментов в структуре цементного камня идентифицирует использование данного гиперпластификатора.

Наиболее благополучными в этом отношении являются компоненты комплексных добавок: С-3, амкироз, электролиты солей. Применение каждой из этих добавок в отдельности не позволяет получать комплекс физико-механических характеристик бетонов сопоставимый с таковым при использовании гиперпластификаторов.

Добавка С-3 позволяет снизить водоцементное отношение при заданной пластичности, за счет этого повысить прочность бетона на сжатие, однако, формирующаяся при этом грубая пластинчатая структура цементного камня не способствует значительному повышению морозостойкости, водонепроницаемости, прочности материала на изгиб (рис 7).

Как видно из рисунков, игольчатые кристаллы относительно пластинчатых содержат в 1,84 раза больше атомных процента кальция и в 1,6 раз больше кремния. Повышение в 1,3 раза количества атомарного кислорода указывает на относительно большее количество гидрат-ионов в пластинчатых кристаллах. Особенности формирования игольчатых структур способствуют ускоренному получения заданной прочности, повышая структурную однородность цементного камня.

Совместное использование электролита, амкироза и добавки С-3 позволяет аккумулировать преимущества отдельных добавок при устранении недостатков каждой из них.

Как следует из рисунков, добавка ПЛКП обеспечивает высокие механические характеристики бетонам, сравнимые с таковыми при применении гиперпластификаторов, работает при использовании цементов любой активности.

Использование знаний о структурообразовании в цементных растворах позволяет надёжно контролировать соблюдение технологического режима при производстве изделий из бетонов и цементных растворов, идентифицировать химический состав используемых добавок и судить о точной регламентации компонентов смесей. Таким образом, фрактографические исследования изломов материалов позволяют определять все технологические особенности формирования данной структуры.

4.Das betonstrukturbildung in wasserundurchlдssige beton

Beton hдrtet durch Hydratation von Kalziumsilikaten aus. Dabei entstehen Risse und wassergefьllte Porenrдume.

Betonkristallisationsmittel bilden in durchfeuchteten Poren und Kapillaren wasserunlцsliche Kristalle. Durch die Reaktion des Abdichtungsmittels mit dem im Betonbauteil vorhandenen Wasser, Aluminium- und Calcium-Ionen bildet sich ein nicht lцsliches Kristall, welches tief in das Kapillarsystem hineinwдchst. Solange Feuchtigkeit im Baustoff vorhanden ist, wдchst das Kristallgefьge der Feuchtigkeit quasi unbegrenzt entgegen.

Dieser Prozess findet sowohl mit als auch gegen den Wasserdruck statt, so dass der Betonbaustoff mit der Zeit eine so hohe Gefьgedichtigkeit erreicht, dass Wasser im flьssigen Aggregatzustand nicht mehr durchdringen kann.

Die im Wasser chemisch gelцsten Schadstoffe (z. B. Chloride, Salze, etc.) kцnnen nicht mehr in das Betonbauteil transportiert werden, was u. a. die Schдdigung der Betonbewehrung unterbindet. Nach abgeschlossener Umwandlung der Gesamtfeuchte kommt der Prozess zum Erliegen.

DURCHLДSSIGKEIT UND UNDURCHLДSSIGKEIT

Allgemein ist die Durchlдssigkeit die Eigenschaft von Materialien, Fluide (in dem untersuchten Fall Flьssigkeiten) durchzulassen, ohne dabei die eigene Struktur zu verдndern. Die Schnelligkeit, mit der ein Fluid durch einen Festkцrper dringt, hдngt vom Stofftyp des Kцrpers, vom Druck der Flьssigkeit und von der Temperatur ab. Um durchlдssig zu sein, muss das Material porцs sein, bzw. es muss ьber Leerrдume verfьgen, die Poren, welche Flьssigkeit aufnehmen kцnnen. Die Poren mьssen auЯerdem ьber ein Netz von Zwischenrдumen verbunden sein, das es dem Fluid ermцglicht, den Feststoff zu durchqueren. Um undurchlдssig zu sein, muss ein Material im Gegensatz dazu eine dichte und kompakte Struktur haben, die keine miteinander verbundene Hohlrдume aufweist.



DURCHLДSSIGKEIT UND UNDURCHLДSSIGKEIT DES BETONS

Die Undurchlдssigkeit des Betons ist eine der wichtigsten Voraussetzungen fьr die Dauerhaftigkeit der Strukturen im Laufe der Zeit. Das Zementgemisch oder der Zementstein, дhnelt in seiner Art einem kompakten Naturstein, weshalb die Wasserundurchlдssigkeit eines kompakten Marmors beispielsweise der eines Betons mit einem Wasserzementwert = 0,48 entspricht. Das dem Gemisch des Betons zugefьgte Wasser fьr das Befeuchten und die von der Verlegung erforderte Verarbeitung, hinterlдsst in der Matrix des Betons nach dessen Hдrten ein Netzwerk dichter Gдnge und bestimmt somit die Porositдt des Zementleims, bestehend aus den Poren des Gels und den Kapillarporen. Die "Kapillarporositдt", welche zum GroЯteil die Eigendurchlдssigkeit des Konglomerats bestimmt, hдngt von dem Wasserzementwert (Abb. 3), des Feuchtegehalt ab und kann von "0" bis 40% in Volumen bezogen auf das Volumen des Zementleims variieren. Mit einem Wasserzementwert von ьber 0,38 lдsst sich das Zurьckbleiben von Kapillarporen auch nach der kompletten Zementhydratation fast nicht vermeiden, es sei denn, es werden "reaktive Filler" zugesetzt. Die Kapillarporen sind nur mit dem Elektronenmikroskop zu sehen. Ihr Durchmesser liegt in Im-Bereich (zwischen 0,1 und 10 Im), sie haben eine variable Struktur und bilden eine durchgehende und miteinander verbundene Kanalisation im Rahmen der Matrix. Die Durchlдssigkeit des Betons ist also keine einfache Funktion dessen Porositдt, sondern hдngt auch von der GrцЯe, der Verteilung, der Kцrperlichkeit und Kontinuitдt der Poren ab.

Die auf der Seite zu sehende empirische Formel (Abb. 6) liefert Anhaltspunkte zur Einschдtzung des Volumens der Kapillarporen in Abhдngigkeit von der Hydratation und der festgelegten Gesamtwassermenge des Gemischs. Die Abb. 7 zeigt die unterschiedlichen Porositдten des Betons und deren jeweiliger Einfluss auf die herkцmmlichen Prozesse der Verschlechterung des Zementgemischs. Als Beispiel : Die "Gelporen", die sich in den Festpartikeln befinden, die den Zementleim bilden und bis zu 28% des von den Partikeln selbst belegten Volumens ausmachen und deren GrцЯe ungefдhr bei 1/100 Im liegt und dabei nicht die "Motilitдt" der Flьssigkeiten zulassen, haben absolut keinen Einfluss. Zur Kapillarporositдt gesellt sich normalerweise - im Hinblick auf die Verbindung der Poren - die

weit verbreitete Prдsenz von Luftporen im frischem Beton, die durch ein korrektes Verdichten (Kompaktierung) des Konglomerats austreten sollten und die Makroleerstellen schaffen (von circa 1 mm bis zu einigen Dutzend mm).

Eine weitere Variable, die in der Lage ist, sowohl die Porositдt als auch die Verbindung der Poren zu steigern, liegt in dem "Ьbergangsbereich", also in dem Teil des Zementleims (hдufig einige Im oder um die Zehn Im) , der sich in direktem Kontakt mit dem Steinzuschlag befindet. Der Ьbergangsbereich kann deutlich porцser sein, als die anliegende Zementmatrix je nach abgesetztem Wasser (Wasser, das sich auf der Betonoberflдche ansammelt) und das beim Aufsteigen teilweise unter den grцЯeren Steinzuschlдgen eingesperrt bleibt. Die mehr oder weniger starke Prдsenz von miteinander verbundenen Leerrдumen (Kapillaren) zwischen den entgegengesetzten Betonoberflдchen, "durchgehende Porositдt", zwischen denen sich aufgrund der Differenz des Wasserdrucks ein Wasserfluss bilden kann, stellt die "Durchlдssigkeit" eines Betons dar und hдngt - wie bereits gesagt - ebenso sehr von den Betoneigenschaften als auch von der richtigen Vororthandhabung, der Pflege und der feuchten Hдrtung (Abb. 10,11,12 und 13) sowie von dem Auftreten von Mikro- oder Makrorissen durch den plastischen und hygroskopischen Schwund ab (Abb. 14). Wдhrend des Betonhдrtens kцnnen klimatische Ereignisse wie Temperatur (Abb. 10), die relative Feuchte (Abb. 11) und die Belьftung (Abb. 12) den mehr oder weniger schnellen Verlust des Mischwassers bestimmen. Wenn keine geeigneten MaЯnahmen der Pflege und der feuchten Hдrtung getroffen werden, kann es zu deutlichen Qualitдtsminderungen kommen, die auch die Durchlдssigkeit betreffen. Abb. 13 zeigt die qualitativen und leistungsbe-zogenen Unterschiede zwischen Probestьcken des gleichen Betons, die einer feuchten Hдrtung unterzogen werden oder nicht. Die GrцЯen im Spiel kцnnen Werte um die 50% erreichen. Die Volumenabmessung des plastischen und hygroskopischen Schwunds, lдsst leicht verstehen, wie sich die daraus entstehenden Spannungen in Mikro- und Makrorisse verwandeln kцnnen, welche die Wasserundurchlдssigkeit des Betons beeintrдchtigen kцnnen. In der betroffenen Abbildung ist auf der linken Seite der Zustand des Betons zu Beginn des Hдrtens dargestellt.



WASSERUNDURCHLДSSIGKEIT DES BETONS ERREICHEN

Wie erwдhnt, ist die Durchlдssigkeit von Beton eng mit der porцsen Mikrostruktur des gehдrteten Zements verbunden, die wiederum in enger Beziehung mit dem w/z-Verhдltnis steht. Daraus folgt, dass der Beton verschiedene Grade der Wasserundurchlдssigkeit aufweisen kann, je nachdem, wie er gefertigt und vor Ort verarbeitet wird. Die Faktoren, welche diese Eigenschaft beeinflussen, sind die gleichen, die die anderen Eigenschaften bestimmen: Zusammensetzung, Verarbeitung und anschlieЯende Behandlung. Theoretisch gibt es keine besonderen Schwierigkeiten, einen WU-Beton zu erhalten, aber praktischer betrachtet empfiehlt es sich, daran zu denken, dass "wirklich" undurchlдssiger Beton Anstrengungen und Aufmerksamkeiten erfordert, die von den normalen Baustellengepflogenheiten abweichen. Auf der technisch-gestalterischen Ebene muss unbedingt berьcksichtigt werden, dass diese Undurchlдssigkeit eine relative und keine absolute ist. Um einen WU-Beton zu erhalten sind eine sorgfдltige Planung, eine aufmerksame Fertigung, eine angemessene Schьttung unverzichtbar, ohne dabei die unverzichtbare Pflege und Erhдrtung zu vergessen, die effektiv und wirksam sein mьssen, ganz im Gegensatz zu den Prozeduren, die "oft" auf vielen Baustellen zu sehen sind.

Praktisch ist es in erster Linie notwendig, den Wasserzementwert auf den mit einer angemessenen Verarbeitung kompatiblen Mindestwert zu reduzieren. Es mьssen Zuschlдge angemessener Art und KorngrцЯe verwendet werden, es ist ein zu schnelles Hдrten des Betongusses zu unterbinden, damit sich keine externen und internen Risse durch den Rьckzug bilden. Beim Schьtten muss das Absetzen des Betons vermieden werden, d.h. man muss verhindern, dass er seine Homogenitдt verliert, die durch das Mischen erzeugt wurde. Bei w/z-Werten von ьber 0,38 ist es praktisch unvermeidbar, dass beachtliche Mengen von Kapillarporen zurьckbleiben.

ПЕРЕВОД (ВОДОСТОЙКИЙ БЕТОН. СТРУКТУРА ВОДОСТОЙКИХ БЕТОНОВ)

Бетон затвердевает при гидратации силикатов кальция. Это приводит к трещинам и заполненных водой пор.

При кристаллизации бетонных агентов образуются нерастворимые в воде кристаллы в увлажненных порах и капиллярах. По реакции в структуре бетона происходит герметизация конкретных компонентов, присутствующих в воде, алюминия и ионов кальция, образуются нерастворимые кристаллы, которые растет вглубь капиллярных форм. Пока строительные материалы, присутствует во влажной среде, данная кристаллическая структура растет неограниченно.

Этот процесс происходит независимо от давления воды, так что бетон со временем достигает такого высокой структурной плотности, что вода в жидком состоянии больше не может проникнуть.

Химически растворимые в воде загрязняющие вещества (например, хлориды, соли и т.д.) не могут быть транспортированы в кристаллическую бетонную структуру, что, в частности, положительно сказывается на предотвращении коррозии армирования бетона. После завершения преобразования общего содержания влаги в структуре, процессе останавливается.

Водопроницаемость и водостойкость

Свойством материалов, пропускающих флюиды (в исследуемом случае жидкости), не меняя при этом собственной структуры называется - водопроницаемость. Скорость, с которой флюид проникает через твердое тело, зависит от типа вещества тела, от давления жидкости и от температуры. Для того чтобы быть проницаемым, структура материала должен быть пористой, в частности, в ней должны быть отверстия, которые могли бы вмещать жидкость. Отверстия должны быть связаны сетью промежутков, которые позволяют флюиду проникнуть сквозь твердый материал. Для того, чтобы быть водонепроницаемым, материал должен иметь плотную и твердую структуру, в которой не будет никаких пустот.

Водопроницаемость и водостойкость бетона

Водостойкость бетона - одно из самых важных условий для сохранения структуры в течении времени. Смесь цемента или цементный камень напоминает плотный природный камень, отчего водостойкость обычного твердого мрамора в сравнении с бетоном соответствует 0,48. Добавленная в цемент вода для затворения и требующая из-за укладки обработка оставляет в структуре бетона после ее упрочнения сеть плотных ходов и этим определяет пористость цемента, она состоит из пор и капилляров. Капиллярная пористость, которая в большинстве соответствует водостойкости структуры конгломерата, зависит от водоцементного отношения и влагоемкости и может варьироваться от 0 до 40 % объема по отношению к объему цементного теста.

С водостойким отношением более 0,38 наличие капиллярных пор неизбежно даже после полной цементной гидратации, что означает, что задействуются «реакционные наполнители». Структуру капиллярных пор можно увидеть только с помощью электронного микроскопа.

Их диаметр составляет среднее между 0,1 и 10 мкм, у них переменная структура и они создают проницаемый и связанный между собой канал в пределах матрицы. Водопроницаемость бетона - непростая функция, пористость которой зависит от размера, размещения, материальности и непрерывности пор.

Эмпирическая формула, в табл., выводит исходные данные оценки объема капиллярных пор в зависимости от гидратации и установленного общего расхода воды в смеси. Рис. 7 показывает структуру поризованного бетона и его влияние на его обычный процесс ухудшения цементного раствора. Как пример: «поры геля», которые находятся в твердом состоянии, составляющие цементный клей составляют до 28 % объема состоящего из частиц, величина которых составляет 1/100 мкм, и не оказывают на «подвижности» жидкости не оказывают никакого влияния. К структуре капиллярной пористости относится обычно, если посмотреть на соединение пор, широко распространяемое взаимодействие пор с воздухом в свежем бетоне, которые должно было бы выходить через уплотнение конгломерата и создавать микропробелы (примерно от 1 до нескольких десятков мм.)

Следующая переменная, которая также в состоянии усилить пористую структуру, так и соединение промежутков, находится в «переходной зоне», а именно в части цементного клея, который напрямую взаимодействует с каменным заполнителем. Структура переходной зоны может быть более пористой, чем прилегающая цементная матрица в зависимости от осевшей воды (вода, собирающаяся на поверхности бетона), и которая при смешении частично закупорится под добавлением каменной массы.

Более или менее сильное присутствие связанных между собой в структуре бетона пустот (капилляров) между противоположными поверхностями бетона, «пропускающая пористость», в которой из-за разницы давления воды может образоваться водный поток, представляющий собой уязвимость к водопроницаемости бетона, и зависит как от свойства бетона, так и от правильного обращения, ухода и увлажняющего гидрирования (рис.10, 11,12,13), а также от появления в структуре микро- и макротрещин через пластические и гигроскопичные уменьшения.

Во время твердения бетона такие климатические показатели как температура, переменная влажность и вентиляция, определяют более или менее быструю потерю воды для затворения. Если никаких соответствующих действий и влажного гидрирования не будет применяться, это может привести к снижению качества, что касается и водопроницаемости. Рис. 13 показывает структурные различия между образцами одного и того же бетона, которые подвергли и не подвергли влажной гидроизоляции. Величины в эксперименте могли достигнуть 50% разницы. Размер объема пластичных и гигроскопичных потерь, позволяет понять превращения в структуре бетона, и из-за возникающих напряжений образование микро- и макротрещин, которые могут причинить вред водостойкости бетона.

Как добиться водостойкой структуры бетона

Как упоминалось, водопроницаемость цемента тесно связана с пористой микроструктурой застывшего цемента, из этого следует, что бетон может перенимать различные степени водостойкости. Факторы, влияющие на эти свойства те же, что соответствуют другим свойствам: составу, обработке и обращению. С технической точки зрения стоит помнить, что водостойкий цемент - достижение непостоянное. Чтобы добиться водостойкости цемента, нужны точная подготовка, внимательное приготовление, обязательно равномерное заполнение, не забывая о внимательном уходе.

Список литературы

бетон водопроницаемость цемент структура

1. Баженов, Ю.М. «Технология бетона» Москва , Издательство АСВ, 2002.

2. В.В. Коваленко «Структурообразование модифицированных бетонов»

3. Т. С. Powers «The physical structure of Portland Cement paste»

Размещено на Allbest.ru