Строение бетона, как многокомпонентной системы

Бетонная смесь по своему составу — многокомпонентная полидисперсная система. Она состоитиз неоднородных по свойствам и размерам частиц твердой фазы — цемента, мелкого и крупного заполнителя и других твердых включений или добавок, жидкой фазы — воды затворения и газообразной фазы — вовлеченного н защемленного воздуха.

Присутствие в бетонной смеси воды определяет связность всей системы, так как дипольные молекулы воды, адсорбируясь на поверхности твердой фазы, приводят к появлению снл молекулярного сцепления, вязкого трения, капиллярных и прочих сил. Благодаря этому бетонную смесь можно рассматривать как единое физическое тело с определенными реологическими, физическими и механическими свойствами.

Бетонные смеси, имеющие свойства, характерные для структурированных коллоидных и дисперсных систем, занимают промежуточное положение между вязкими жидкостями и твердыми телами. От истинно вязких жидкостей они отличаются тем, что имеют некоторую прочность структуры «ли структурную вязкость, связанную с наличием внутренних сил вязкого трення, а от твердых тел — отсутствием достаточной упругости, формы и появлением даже при незначительных нагрузках необратимых пластических деформаций течения.

С момента затворения и до начала схватывания свойства цементного теста могут значительно изменяться. По мере протекания химических реакций цемента с водой, отсоса свободной воды в глубь зерен цемента и ее возможного частичного испарения, а также дополнительной адсорбции воды на гидратных новообразованиях количество свободной воды уменьшается. Это, с одной стороны, приводит к увеличению молекулярных сил сцепления и проявлению все в большей степени клеящей и связующей роли цементного теста в смеси, с другой — к увеличению пластической вязкости и ухудшению удо- боукладываемости.

Присутствие в бетонной смеси заполнителя также оказывает влияние на ее свойства. Часть цементного теста связывается с поверхностью заполнителя за счет адсорбционных, молекулярных и капиллярных сил и теряет свою подвижность. Роль заполнителя возрастает с увеличением его концентрации в смеси и удельной поверхности, зависящей от размера зерен (чем меньше размер зерен заполнителя, тем больше его удельная поверхность) .

В зависимости от соотношения цементного теста и за-полнителя различают три основных вида структуры бетонной смеси. Первый отличается избытком цементного теста. При этом частицы заполнителя разделены значительными по толщине прослойками цементного теста и не соприкасаются друг с другом. Во втором гиде коэффициент насыщения бетонной смеси заполнителем выше, и частицы отделены одна от другой тонкими прослойками цементного теста. Между частицами заполнителя при внешних усилиях сдвига возможно механическое зацепление (внутреннее трение), ухудшающее удобообрабатываемость смеси ири укладке и уплотнении. Однако такие смеси более экономичны—в них уменьшается расход вяжущего. Третий вид структуры характеризуется недостатком цементного теста, зерна заполнителя покрыты им тонким слоем только с поверхности. Межзерновое пространство в такой структуре заполнено газовой фазой. Частицы заполнителя соприкасаются между собой только в местах контактов, а смесь отличается еще худшей удобообрабатываемостью, чем смесь второго вида из-за так называемого сухого трепня. Структура обычных бетонных смесей относится ко второму виду.

Какой бы ни была структура бетона и принятая технология производства изделий и конструкций, бетонная смесь должна обязательно удовлетворять двум основным требованиям: не терять своей однородности — не расслаиваться при транспортировке, перегрузках, укладке в форму и уплотнении, приобретенной в процессе приготовления; иметь хорошую удобоукладьшаемость или формуемость, соответствующую принятому способу и условиям уплотнения и имеющемуся оборудованию.

Однородность бетонной смеси может нарушаться из- за расслоения, вызываемого тенденцией более тяжелых частиц перемещаться вниз под действием силы тяжести. Такое расслоение называется внутренним. Оно становится возможным при потере системой связности между цементным тестом и более тяжелым заполнителем при динамических воздействиях, сотрясениях при транспортировании, разгрузке, уплотнении трамбованием или вибрацией. В отличие от внутреннего расслоения при перегрузках или укладке бетонных смесей в конструкцию с некоторой высоты наблюдается внешнее расслоение, связанное со стремлением более крупных частиц переместиться от центра на периферию. Причиной такого расслоения является недостаточное сцепление между раствором и частицами крупного заполнителя.

Для бетонных смесей, относящихся к структурированным системам, характерно свойство изменять свои реологические характеристики под влиянием внешних механических воздействий и восстанавливать их после прекращения этих воздействий. Такое свойство называют тиксотропией. Этим свойством смесей очень часто пользуются на производстве при приготовлении, укладке и уплотнении малоподвижных и жестких смесей.

Для приведения бетонной смеси в состояние вязкого течения с градиентом скорости dv/dx необходимо, чтобы напряжение сдвига превзошло то, при котором начальная структура бетона предельно разрушена, и смесь приобрела свойства вязкой жидкости. При небольших напряжениях сдвига, не превышающих критического напряжения Ть сохраняется неразрушенная первоначальная структура, характеризующаяся наибольшей вязкостью системы г|о. На участке Ti—То при увеличении напряжения сдвига наблюдается разрушение структуры

и уменьшение эффективной вязкости до минимального ее значения при предельном напряжении сдвига то. Дальнейшее увеличение напряжения сдвига предельноразру- шенной системы не приводит к изменению так называемой пластической вязкости г\т, которая не зависит от действующих напряжений.

В случаях использования вибрации начальная структура бетонной смеси предельно разрушается, внутреннее трение уменьшается до минимума. В этом состоянии смесь может быть описана реологическим уравнением Ньютона

В бетонных смесях с повышенным содержанием крупного заполнителя, отсутствием сплошной среды из цементного теста и пониженным содержанием воды сопротивление сдвигу значительно увеличивается, так как помимо увеличения вязкого трения возникает дополнительное сухое трение. Для описания реологического состояния таких смесей пользуются уравнением Кулона

Таким образом, главнейшими показателями, определяющими реологические характеристики бетонной смеси и структурно-механические свойства, являются: началь- ная прочность структуры, измеряемая предельным напряжением сдвига, при достижении которого первоначальная структура полностью разрушается, и смесь приобретает свойства вязкой жидкости; мгновенный модуль упругости, дающий представление об упругих свойствах системы в начальный момент приложения нагрузки; пластическая вязкость, характеризующая вязкое течение системы с предельно разрушенной структурой.

Для определения реологических характеристик бетонных смесей применяют различные приборы, основанные на плоскостном срезе, сопротивлении бетонной массы вращению лопастей, выдергиванию или погружению предметов различной формы (шаров, конусов и т. п.) или истечении из сосуда смеси.

Реологические характеристики бетонных смесей необходимы при проектировании оборудования, выборе технологии изготовления изделий из данной смеси и т. п. На практике наибольший интерес представляют технологические характеристики (удобоукладываемость, рас- слаиваемость, сроки схватывания и др.) и соответствие свойств бетонной смеси принятому на производстве методу транспортировки, укладки и уплотнения. Определение технологических характеристик производят с помощью простых приборов, которыми оснащены все заводские и строительные лаборатории. Основные из них — приборы для определения удобоукладываемости.

Удобоукладываемость — это способность бетонной смеси легко заполнять объем формуемого изделия или конструкции, сохраняя при этом монолитность и однородность строения бетона. Удобоукладываемость смеси определяется ее подвижностью (текучестью) в момент заполнения формы и пластичностью, т.е. способностью деформироваться без разрыва сплошности. Она может изменяться в значительных пределах, но при укладке смеси в форме или конструкции удобоукладываемость должна соответствовать принятому способу уплотнения, а смесь быть текучей. В отдельных случаях, в зависимости от вида бетонной смеси, для этого достаточно воздействия гравитационных сил (литые смеси), в других — текучесть достигается за счет приложения к смеси виеш- них механических воздействий (вибрации, встряхивания, трамбования и т.п.), вызывающих как бы псевдоразжижение.

В зависимости от консистенции бетонные смеси делят по удобоукладываемости на подвижные и жесткие. Подвижные смеси представляют собой пластичную смесь, способную деформироваться при приложении незначительных нагрузок или собственной массы без разрыва сплошности структуры. Они хорошо перемешиваются и укладываются в форму. Объем их при уплотнении в форме или конструкции практически не изменяется. Жесткие смеси имеют повышенную структурную вязкость цементного теста и рыхлую структуру, состоящую, как правило, из разобщенных частиц различного размера. Они не обладают свойствами пластичного тела, а приобретают пластичность при интенсивном внешнем механическом воздействии (вибрации, тромбовании и т.д.) в результате проявления тиксотропных свойств. В процессе уплотнения жесткие смеси заметно уменьшают свой объем.

Жесткие смеси по некоторым показателям имеют преимущества по сравнению с подвижными: бетоны, полученные на основе жестких смесей, отличаются повышенной плотностью и, как следствие, более высокими физико-механическими показателями (прочностью, водонепроницаемостью, коррозионной стойкостью, морозостойкостью и т.д.); жесткие смеси быстрее схватываются и твердеют; для получения одного и того же класса бетона требуется меньшее количество вяжущего, т. е. они более экономичны; после уплотнения жесткие смеси обладают большей структурной прочностью, в связи с чем с заформованных изделий или конструкций можно сразу снимать бортоснастку (опалубку) и тем самым снижать металлоемкость форм; поверхности изделий из жестких смесей лучше поддаются обработке (затирке).

Несмотря на преимущества жестких бетонных смесей в последнее время использование их в строительстве резко сократилось. Это связано с тем, что на их укладку и уплотнение затрачивается значительно больше времени, чем на подвижные, при этом снижается производительность, требуется мощное и энергоемкое оборудование, увеличивается расход электроэнергии, повышается процент брака железобетонных изделий из-за недоуплотнения. Кроме того, у жестких смесей появились конкурирующие с ними подвижные смеси с суперпластификаторами, требующие меньше, чем обычные пластичные смеси, количества воды затворения, обладающие хорошей формуемостью и позволяющие получать бетоны высокого качества.

Для определения подвижности бетонных смесей применяют стандартный конус. Удобоукладывае- мость подвижных смесей определяют по осадке (в см) сформованного конуса бетона под действием гравитационных сил, удобоукладываемость жестких — продолжительностью их вибрирования в стандартном приборе до момента выделения из двух отверстий диска цементного теста. По показателям удобоуклады- ваемости (жесткости или подвижности) бетонные смеси подразделяют на несколько видов.

Понизить жесткость смеси или перевести жесткую смесь в подвижную можно увеличением количества воды затворения. Однако это приводит к уменьшению плотности, прочности и ухудшению других свойств затвердевшего бетона. При увеличении количества воды в смеси происходит разобщение частиц цементного теста, при этом снижаются силы молекулярного взаимодействия между ними и сильнее проявляется склонность системы к седиментации и расслоению. В результате часть воды бетонной смеси в процессе формования и выдержки све- жезаформованного изделия, как наиболее легкого компонента, может оказаться выдавленной из нижних слоев в верхние и на поверхность изделия. При этом вода в теле бетона образует направленные ходы (капилляры), повышающие его водопроницаемость и способствующие его водонасыщению.

В процессе седиментации под зернами крупного заполнителя и под арматурой образуются полости, заполненные вначале водой, а после ее испарения — воздухом, что нарушает сцепление цементного камня с заполнителем и арматурой. Кроме того, свободная вода, не вступившая в химическое взаимодействие с цементом, также испаряется, повышая пористость цементного камня и бетона в целом. Таким образом, теоретически для получения наибольшей прочности бетона количество воды затворения должно ограничиваться той величиной, которая необходима для протекания химических реакций в цементе ( — 15%). Однако на практике оказывается, что оптимальное количество воды значительно выше теоретически рассчитанного вследствие необходимости обеспечения требуемой удобоукладываемости смеси с учетом имеющегося оборудования и методов ее уплотнения.

При малых количествах воды большая ее часть оказывается прочно связанной с твердой фазой молекулярными и адсорбционными силами. Увеличение содержания воды вызывает рост толщины водных оболочек вокруг частиц твердой фазы и некоторую раздвижку зерен цемента и заполнителя, что приводит к снижению сил молекулярного сцепления. При этом удобоукладываемость бетонной смеси улучшается. Дальнейшее увеличение количества воды может привести к потере связности между твердыми частицами и расслоению бетонной смеси.

Количество воды затворения, соответствующее требуемой удобоукладываемости, называют водопотребностью бетонной смеси. Водопотребность бетонной смеси зависит от. многих факторов, в частности, от вида применяемого цемента и заполнителя. Так, например, пуццо- лановый цемент, в состав которого входят тонкомолотые добавки, отличается от обычного портландцемента большой водопотребностью, а крупный заполнитель — щебень, имеющий шероховатую поверхность, требует большего количества воды на смачивание поверхности, чем гравий с окатанной, гладкой поверхностью.

На водопотребность бетонной смеси влияет крупность (удельная поверхность) заполнителя. Увеличение крупности заполнителя приводит к снижению водопо- требности смеси. При увеличении содержания песка удобоукладываемость ухудшается, что требует для сохранения заданной подвижности введения дополнительного количества воды. Недостаточное содержание песка вызывает опасность расслоения и нарушения однородности смеси. Водопотребность смеси может сильно увеличиться при использовании заполнителей с повышенной пористостью из-за частичного впитывания воды затворения. Увеличение расхода цемента с 200 до 400 кг/м3 практически не изменяет водопотребность смеси и только при расходе цемента свыше указанного предела, она начинает возрастать.

Большое влияние на снижение водопотребности и повышение подвижности оказывают добавки ПАВ: пластифицирующие, например, сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ) и суперпластификаторы, еще более эффективно изменяющие водопотребность и подвижность смесей, чем СДБ. Количество вводимых добавок обычно колеблется от 0,1 до 1,5 % от массы цемента. Снижение водопотребности при сохранении заданной удобоукладываемости дает возможность повышать плотность и прочность бетона, ускорять процессы схватывания и твердения, улучшать коррозионную стойкость, долговечность, уменьшить водопроницаемость и истираемость бетона.

Бетонная смесь во времени претерпевает существенные изменения, связанные в основном с гидратацией цемента, сопровождающейся схватыванием и последующим твердением бетона. При гидратации цемента процесс роста структурной прочности осуществляется в два периода. В первый период пространство между зернами цемента, заполненное водой, насыщается гелеобразными частицами волокнистой, войлокообразной и пластинчатой формы, в результате чего возникает пористая матрица. Время от начала затворения до момента резкого нарастания прочности называют периодом формирования структуры. В этот период образовавшаяся матрица представляет собой «первоначальный каркас», оказывающий решающее влияние на будущую структуру цементного камня. Во второй период происходит упрочнение матрицы за счет дальнейшего заполнения ее новоообразова- ниями и к концу формирования структуры цементное тесто превращается в цементный камень.

Образовавшийся цементный камень остается пористым материалом, так как по объему вновь образовавшаяся твердая фаза меньше вступающих в химическую реакцию суммы объемов минералов портландцементного клинкера и воды в результате так называемой контракции (химической усадки). Однако объем твердой фазы новообразований при гидратации цемента увеличивается, и чем полнее пройдет реакция взаимодействия цемента с водой, тем плотнее и менее пористым становится цементный камень. По данным Пауэрса, твердая фаза при полной гидратации цемента увеличивается в 2 раза. Процесс гидратации замедляется с течением времени из-за образования плотных оболочек новообразований на поверхности частичек цемента, которые затрудняют проникание воды к еще не гидратированным минералам. Количество негидратированных зерен клинкера в цементном камне даже после нескольких лет твердения бетона составляет 30—50 % его первоначальной массы. Таким образом, структура цементного камня, как и бетона, имеет также конгломератное строение. Она представлена непрореагировавшими зернами цемента (клинкера), новоообра- зованиями и порами, заполненными водой или паровоздушной смесью.

Лекция 5

Тема:Свойства бетонов

1. Физико-механические свойства бетонов.

2. Теплофизические свойства, долговечность бетона.