Вся бібліотека >>>

Зміст книги >>>

 

Будівництво та ремонт

 Високоміцний бетон


Побут. Господарство. Техніка

 

Глава 2. ВПЛИВ ЗМІНИ СТРУКТУРИ ЗАТВЕРДІЛОГО БЕТОНУ НА ЙОГО МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПІД ДІЄЮ ЗОВНІШНІХ ФАКТОРІВ

 

 

Бетон являє собою тіло зі складною структурою. Основні його властивості визначаються головним чином фізико-хімічними параметрами цементного каменю, що утворюється в процесі гідратації цементу з водою. Первісна дисперсна фаза цементу поступово розчиняється у воді, утворюючи розчин, перенасичений по відношенню до крісталлогидратним новоутворенням.

Основний процес гідратації, мабуть, починається на межі зерен цементного клінкеру. Утворюються на поверхні зерна гелеві структури, що складаються з субмикрокристаллов і досі між ними, являють досить щільні маси з мінімальною пористістю, що дорівнює [28% [63]. Розміри пір гелевих структур мають порядок 20 А. Крім того, у цій масі утворюються капілярні порожнечі. В процесі кристалізації, яка відбувається поза зерен цементу, створюються дендритообразные, ниткоподібні й іншої форми новоутворення, які взаємно переплітаються і проростають. Елементи новоутворень виявляються при аналізі электронномикроскопическом новоутворень цементного каменю. Зі зниженням насиченості розчину зростання новоутворень триває, але при цьому процес супроводжується лише обростанням кристалічного каркасу [74].

Методами електронної мікроскопії, ртутної поромет-рії і капілярної конденсації виявляється розвинена система пір, відрізняються один від одного на кілька порядків за своїми розмірами. гПоры, виявлені методами електронної мікроскопії [191 ], мають складну і різноманітну форму. На рис. 5 наводиться крива диференціальної пористості, отримана методами ртутної поромет-рії і капілярної конденсації з робіт Ф. М. Іванова [37]. При цьому пори умовно розглядаються як такі, що мають сферичну форму, еквівалентний діаметр якої (у логарифмічному масштабі) по осі відкладено абсцис на рис. 5.

У бетоні зустрічаються пори трьох типів залежно від їх зв'язку з іншими порами: наскрізні, допускають переміщення вологи, тупикові і замкнуті. На підставі результатів визначення електропровідності зразків, насичених розчином електроліту [37], вдається розрізняти пористість цементного каменю за двома їх якісно відмінним характеристикам.

Структура цементного каменю може змінюватися при введенні спеціальних пластифікуючих, воздухововлекающих і газоутворюючих добавок. Добавки впливають на процес формування кристаллогидратных утворень. Це проявляється в зміні характеристик пористості, взаємне об'ємному розміщення пір і капілярів в цементному камені, а отже, і властивості води в них.

Пористість цементного каменю і відповідно розчину і бетону можна характеризувати загальною пористістю Vo, кривий розподілу часу по еквівалентним діаметрам Vt = f(pv) і об'ємом наскрізних Vx і замкнутих пір V2.



Вихідна кількість води, прийняте для замішування цементного тесту, в процесі гідратації частково вступає у хімічний зв'язок з компонентами розчину цементного клінкеру. Інша частина води знаходиться в різних термодинамічних станах в порах і капілярах цементного каменю. Гідрофільний характер поверхні гідратів новоутворень сприяє адсорбції води на поверхні кристалічних структур, яка покриває поверхня повністю або частково мономолекулярными або полимолекулярными адсорбційними шарами. В особливо тонких шарах властивості водних плівок товщиною внесколько молекул інші, ніж у звичайної води, так як вандер-ваальсові сили взаємодії молекул і атомів води повідомляють цим плівкам здатність протистояти великим розтягуючих і скалывающим зусиллям. Нарешті, в капілярах існує вільна вода, яка може переміщатися і переходити у пар при зміні параметрів температури і вологості зовнішнього середовища бетону. Таким чином, система пір, характерна для структури цементного каменю, може бути заповнена як водою, так і повітрям або водяною парою залежно від умов гідротермального рівноваги з зовнішнім середовищем.

Загальна кількість спочатку введеної води для замішування цементу, як уже зазначено, в подальшому частково стає хімічно пов'язаної водою Вх; решта поділяється на адсорбированную воду ВА і капілярну Вк.

За даними [37], структури з радіусом ультрамикропорами менше 5 • 10~7 см (50 А) можуть бути віднесені до щільним непроникним для води структурам, де діють адсорбційні зв'язку води з поверхнею кристалічної структури цементного каменю. При розмірах, а в межах від 5 • 10~6 мм (50 А) до 1 • 10~4 мм (1000 А) відбувається капілярна конденсація, дифузія іонів і уповільнена капілярна фільтрація. Така структура може бути умовно названа дифузійно-проникною. При наявності в матеріалі пір з умовним діаметром більше 0,1 см цементний камінь проникний і легко вбирає вологу.

Хімічно зв'язана вода Вх у кристаллогидратах становить близько 40% ваги прогидратированного цементу, що приблизно в середньому становить близько 15-20%. Таким чином, більша частина води знаходиться в адсорбованому стані та в умовах капілярних зв'язків. Із зміною вологості навколишнього бетон простору кількість адсорбованої вологи і знаходиться в умовах капілярної фільтрації істотно змінюється. Наприклад, за даними В. М. Бикова, із зменшенням вологості зі 100 до 50% кількість адсорбованої води зменшується вдвічі.

Вода, що знаходиться в хімічно зв'язаному вигляді в кристаллогидратах, впливає на деформації кристалічних структур, які вона входить. Безумовно, великий вплив надає на деформації цементного каменю адсорбована вода і вода капілярів, перешкоджаючи швидкому протіканню деформацій після прикладання навантаження і взаємної деформації ультрамикрокристаллов в тонких шарах під дією навантаження.

Зазначені особливості цементного каменю впливають на міцнісні та деформативні властивості бетону. Процеси гідратації цементного каменю тривають, як правило, роками після приготування бетонної суміші, що в свою чергу змінює міцнісні та деформативні властивості бетону в часу. Однак далеко не всі закономірності цих явищ в даний час досліджено. Крім того, будь-яка структура цементного каменю, як би вона не була ретельно вивчена в початковому стані до навантаження, що змінюється в процесі додатка навантаження. Тому закономірності зміни міцності і деформування повинні вивчатися з урахуванням зміни структури бетону під навантаженням.

В залежності від кількості адсорбованої і вільної води в структурі цементного каменю можуть існувати різні зв'язку часток у кристалізаційних дисперсних структурах. Як звертає увагу П. А. Ребиндер [74], між частинками можуть бути коагуляційні зв'язку з водними прошарками в місці контакту, або точкові після висушування, або фазові при срастании кристалів в місці контакту. Природно, що особливість деформування під навантаженням кристалічних частинок, які мають різні види контактів, буде різної.

Структура цементного каменю видозмінюється в зонах контакту з частинками піску на цементно-піщаному розчині і з частками великого заповнювача в бетоні.

Поверхня зерен силікатного піску в результаті хімічного та адсорбційної взаємодії з гідроокисом кальцію, знаходиться в розчині цементного клінкеру у воді, сприяє утворенню зародків кристалло-гідратної фази. При цьому можливо міцне зрощення піщинки з зростаючими кристалами.

Властивості зони контакту цементного каменю і заповнювача в значною мірою впливають на міцність, довговічність і фізико-механічні властивості бетону. Слід зазначити деякі особливості, що характеризують властивості контактних зон цементного каменю в бетоні в період його твердіння, вивчалися в роботах Т. Ю. Любимової [54].

Структуроутворення цементного каменю відбувається по-різному в обсязі і на кордоні з заповнювачем. У порт-ландцементов, а також деяких інших цементів, міцність прикордонного шару відрізняється від міцності (з вимірюванням мікротвердості) цементного каменю в іншому обсязі. При цьому спостерігаються три стадії процесу структу-рообразования. На першому етапі розвитку гідратації швидко наростає міцність. Значно більша міцність в контактному шарі спостерігається протягом приблизно перших 30-40 доби. Потім виявляється спад міцності контактного шару бетону у віці 50-60 діб і, нарешті, наступає третя стадія, коли знову зростає абсолютна і відносна мікротвердість контактних шарів.

На першій стадії твердіння у всіх міцність заповнювачів на кордоні зерна завжди вище. Передбачається, що заповнювач грає роль підкладки, на якій зародки розвиваються з більшими швидкостями, ніж у обсязі. Найбільша ступінь зміцнення спостерігається на кордоні з кварцом. Найбільша здатність до зміцнення контактного шару на кордоні з усіма заповнювачами спостерігається у трьохкальцієвого силікату (аліта). Товщина зміцнених шарів на кордоні з кварцом становить приблизно 20 мк. Міцність контактного шару може бути різною під частинкою великого заповнювача і над нею. Під часткою заповнювача може утворитися більш грубозерниста структура, що має меншу міцність.

Отже, для розуміння закономірностей поведінки бетону в умовах навантаження необхідно враховувати реальну структуру бетону і його композиційну основу (цементний камінь). Структуру бетону враховують, наприклад, при аналізі процесів руйнування бетону від дії низької температури і поперемінного заморожування і відтавання, вивчаючи ефект об'ємного розширення води при її замерзанні[63, 50, 61, 38], але без дії зовнішнього навантаження.

Деякі дослідники розвивають теоретичні уявлення про руйнуванні структури бетону під дією зовнішнього навантаження [7, 10, 17, 22, 27, 53, 113, 125, 156, 159, 194]. Однак вони не враховують впливу всіх компонентів структури цементного каменю, якими є кристалічні утворення з наявністю пір, капілярів і повітряних включень в бетон, вода в різних її станах. Тому необхідно розглянути закономірності зміни міцності і деформацій бетону від навантаження та інших впливів з урахуванням деяких параметрів структури.

    

 «Високоміцний бетон» Наступна сторінка >>>

 

Дивіться також: Бетон і будівельні розчини Вихідні матеріали 1.1. Мінеральні в'яжучі речовини 1.2. Заповнювачі 1.3. Вода 1.4. Визначення необхідної кількості матеріалів Будівельні розчини 2.1. Властивості будівельних розчинів 2.2. Види будівельних розчинів 2.3. Приготування будівельних розчинів 2.4. Склади Бетони 3.1. Види бетону 3.2. Властивості бетону 3.3. Приготування бетонного розчину 3.4. Склади 3.5. Шлакобетон 3.6. Опілкобетон