Бетоны. Бетоноведение

Технология бетона

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Взаимодействие цемента с водой

При затворении в бетонной смеси сразу начинаются сложные физические и химические процессы взаимодействия цементных зерен с водой. Вода, проникая в микротрещины зерен, вызывает их диспергирование, что значительно увеличивает реакционноспособную поверхность цемента.

Взаимодействие клинкерных минералов с водой происходит по вскрытой поверхности зерен, которая непрерывно меняется как по «величине, так .и по минералогическому составу (за счет вскрытых минералов), что вызывает необходимость рассматривать процессы твердения в зависимости не от расчетного, а - от «действующего» в данный момент минералогического состава цемента.

При нормальных температурах образуются нерастворимые гидросиликаты кальция состава C(o,e+i,5) S Н(0,5+2,оь которые, по классификации iBorra, обозначают как CSH(B). При избытке навести в растворе образуются гидросиликаты C(i,7 -иг) SH(2 -~4h обозначаемые по Боггу  C2SH2.

Кристаллохимическая структура гидросиликатов подробно исследована Н. В. Беловым и может быть представлена в виде цепочек элементарных кремнекислородных тетраэдров, связанных кальциевыми октаэдрами и призмами с укрепляющими эту конструкцию группами гидроксилов.

Субмикрокристаллы гидросиликатов кальция характеризуются пластинчатой структурой, -причем пластинки закручены в тонкие рулончики и представляют собой как бы волокна разной длины, в среднем около 500 А. Кристаллохимически гидросиликаты .идентичны природному минералу тобермори-ту, поэтому их часто называют тоберморитоподобными.

Малые размеры частиц гидросиликатов и огромная удельная поверхность (250—350 м2/г) дают основание говорить о гелевидном состоянии гидросиликатов в цементном камне. Структура гидросиликатного геля может быть уподоблена войлоку. Волокна новообразований имеют различную степень уплотнения и связи на разных стадиях твердения цемента

При взаимодействии с водой белита C2S вид гидросиликатов не изменяется, но образование их идет гораздо медленнее.

Взаимодействие С3А с водой протекает с большой скоростью при значительном выделении тепла. При этом при температуре до 25° образуется метастабильное соединение СзАН(1н-!2), в виде гексагональных пластинок, которое переходит в устойчивый кубический СзАН6 При этом гидроалюминаты кальция выделяются в виде субмикрокристаллов, проявляющих коллоидные свойства, но затем вследствие способности к кристаллизации частицы их укрупняются и становятся различимы в оптический микроскоп.

Как показано С. В. Шестоперовым, гидроалюминаты каль-дия — водорастворимые соединения, а  минерал С3А в портландцементе обладает свойствами воздушного вяжущего вещества.

В результате гидратации C4AF при температурах 20—25( образуются кубические гидроалюмоферриты кальция состава C3AFH6, являющиеся членами непрерывного ряда твердых растворов между С3АНб и Ј3FH6.

Гипс, вводимый в портландцемент для замедления схватывания, взаимодействует с трехкалщиевым алюминатом, образуя игольчатые кристаллы гидросульфоалюмината кальция (эттрингита) ЗСаО-АгОз-ЗСааО^ЗШгО. Эттрингит отлагается на алюминатах в виде экранирующих пленок, затрудняющих доступ воды к этому минералу, вызывающему при его гидратации мгновенное схватывание цементного теста. Схватывание замедляется на время, необходимое для перевода гипса в гидросульфоалюминат кальция.

Эттрингит образуется с увеличением в объеме твердой фазы более чем в 2,5 раза, что способствует хорошему закрытию поверхности алюминатов в цементном тесте. В'затвердевшем цементном камне образование этого соединения уже крайне вредно, так как ведет к разрушению камня.

При пониженных концентрациях Са (ОН)2 и сульфата кальция в растворе «возникает низкосульфатная форма гидросульфоалюмината кальция ЗСаО-А12Оз-ЗСаЭ04-12Н20, которая образует гексагональные пластинчатые кристаллы без существенного изменения объема твердой фазы.

Кинетика структурообразования и твердения цемента и бетона

Уже в начальные сроки «после затворения цементное тесто представляет собой водную суспензию клинкерных частиц г коллоидными новообразованиями, число которых увеличивается со временем.

Как известно, коллоидные системы обладают устойчивостью вследствие существования двойных электрических слоев или сольватных оболочек на частицах дисперсной фазы. При устранении этих факторов устойчивости частицы под действием (Ван-дер-Ваальсовых сил слипаются, образуя компактные агрегаты, которые, достигнув определенной величины, теряют   кинетическую   устойчивость   и   с'едиментируют.

В определенных условиях фактор устойчивости снимается только с некоторых участков частиц, в результате чего они слипаются на этих участках, образуя структуру в виде пространственной сетки — происходит гелеобразование. Гелеоб-разованию способствует анизодиаметричность частиц, наличие у них концов, углов и ребер, где факторы устойчивости наименее развиты.

Новообразования цемента в щелочной среде склонны к хоагуляционному структурообразованию, !пр.и котором коллоидные частицы располагаются в виде пространственных сеток со включением в них и грубодисперсных частиц; каждая ячейка сетки состоит из частиц, связанных силами молекулярного притяжения через тонкие адсорбционные пленки воды. Внутри ячеек может находиться значительное количество свободной воды.

Помимо коагуляционных новообразований, в цементном тесте могут образовываться условно коагуляционные и кристаллизационные структуры соответственно с непосредственными физическими и химическими связями между частицами.

Коагуляционные структуры обладают некоторыми свойствами твердых тел, такими, как упругость и прочность.

При приложении внешнего силового воздействия коагуля-ционная структура, разрушается и цементное тесто вновь становится текучим, подчиняясь законам течения вязких жидкостей. При снятии силового воздействия структура системы снова восстанавливается; это свойство коагуляционных дисперсных систем носит название тиксотропии. В бетонной смеси в коагуляцибнную структуру цементного теста включаются и заполнители, связанные с тестом силами адгезии.

Одновременно с процессом структурообразованига проходит седиментация частиц цементной суспензии, вследствие чего в микрообъемах между заполнителями нижняя часть имеет повышенную концентрацию дисперсной фазы. Верхняя же часть (под заполнителем) ;может содержать почти чистую воду. Это явление, в результате которого в бетоне после испарения воды создаются седиментационные пустоты, носит название блидинг. Аналогично этому явлению происходит расслоение бетонной смеси, т. е. осаждение тяжелых заполнителей и выделение цементного молока на поверхности.

Коагуляционное структурообразование, с одной стороны, полезно, так как препятствует седиментационным явлениям, с другой, ухудшает удобоукладываемость бетонных смесей.

При взаимодействии цемента с водой основное количество гидратных новообразований, главным образом гидросульфо-алюминатов, вначале откладывается на поверхности зерен цемента, образуя полупроницаемые пленки, которые на определенный период затрудняют переход новообразований в межзерновое пространством

Кинетика реакций с водой характеризуется бурным начальным -периодом, продолжающимся 10—30 минут после затворения: происходит большое тепловыделение, насыщение жидкой фазы СаО, возрастает электропроводность, проявляется некоторая пластическая прочность теста.

С развитием пленок новообразований вокруг частиц цемента реакции замедляются и идут только под плёнками. Наступает так называемый индукционный период, продолжающийся два-четыре часа. При этом наблюдается малое тепловыделение, пониженное содержание СаО в жидкой фазе и незначительное нарастание пластической прочности.

Затем вследствие развития осмотического давления под пленками происходит их разрыв. Межзерновое пространство насыщается гидратными новообразованиями, вода имеет свободный доступ к открытым поверхностям цементных зерен, реакции получают дальнейшее развитие за счет образования гидроалюминатов и гидросиликатов кальция. В этот основной период структурообразования (схватывания), продолжающийся шесть-восемь часов, снова увеличивается тепловыделение, резко возрастает пластическая прочность, в конце периода исчезает тиксотропия, что связано с сильным уплотнением теля, в котором гидросиликаты переплетены между собой наподобие войлока, пронизанного кристаллами других новообразований.

Обычно укладку и уплотнение бетонной смеси производят в индукционный период. С применением больших уплотняющих усилий уплотнять смесь можно и в данный период, пока она обладает тиксотропными свойствами. После потери тиксо-тропии приложение силовых воздействий недопустимо, так как оно поведет только к разрушению бетона. Имеющиеся к этому моменту дефекты в структуре бетона уже не могут быть исправлены и Остаются в твердеющем изделии.

Начало основного периода структурообразования приближенно определяется началом схватывания по Вика, конец схватывания по Вика соответствует определенной пластической прочности цементного теста перед концом периода. В конце периода пластическая прочность теряет свое значение, и поэтому понятие пластической прочности должно быть заменено понятием механической прочности.

 После завершения схватывания начинается перлод твердения —7 длительный процесс упрочнения    образовавшегося цементного камня и бетона, связанный с дальнейшей гидратацией цемента, увеличением и еще большим уплотнением, коллоидных новообразований гидросиликатов, основных носителей прочности цементного камня.

При этом между частицами тидросиликатов развиваются химические связи, что дает возможность говорить о постепенном развитии кристаллизационных процессов в геле.

Структурообразование и превращение цементного теста з камень протекают фактически гораздо сложнее из-за полими-неральности и полидисперсности цемента. Уже в ранние сроки гидратации появляется некоторое количество кристаллических новообразований, и в поздние сроки твердения на зернах будут образовываться коагуляционные структуры; Замедление гидратации зерен за счет образования пленок сменяется периодами бурного ее протекания, разрывом и уплотнением гелевых оболочек.

Изложенный выше порядок течения процессов только статистически характерен для основной массы зерен цемента л выражает внешние наблюдаемые физические процессы при структурообразовании и отвердевании бетона.

Несмотря на то что процессы гидратации идут в бетонах з течение нескольких лет, наиболее интенсивно твердение проходит в первый месяц, что и используется при определении марочной прочности в возрасте 28 суток.

Гелеобразные новообразования в основном .накапливаются на поверхности зерен цемента и, увеличивая их толщину, все больше и больше препятствуют (проникновению воды к реакционноспособной поверхности зерен. Поэтому затвердевший цементный камень в 28-суточном возрасте имеет в своем составе до 30—50% негидратированных частиц цементного клинкера, играющего как бы роль микрозаполиителя и могущего служить материалом для залечивания микротрещин, образующихся от внутренних напряжений в цементном камне. Затвердевший цементный камень является микропористым веществом, так как между переплетенными частицами гидросиликатов остаются пустоты, соизмеримые по размерам с частицами геля,— примерно 25—50 А. Эти пустоты заполнены водой, которая находится в состоянии мономолекулярных адсорбционных пленок и имеет особые свойства. Она не может быть вытеснена при гидростатических давлениях ниже 16 атм и переходит в лед при температурах от —40 до —75°.

Твердая фаза новообразований цементного камня состоит из основной массы волокнистых тоберморитоподобных гидросиликатов с разной степенью уплотнения и закристаллизованное. Масса силикатных новообразований пронизана крупными пластинчатыми кристаллами Са(ОН)2, гексагональными и кубическими кристаллами гидроалюмияатов и игольчатыми кристаллами эттрингита.

В дальнейшем при лаличии жидкой фазы идет медленный

процесс перекристаллизации новообразований, растворение

более мелких из них и рост более крупных. Развивающееся

кристаллизационное давление может приводить к образова

нию микротрещин, которые залечиваются новыми новообра

зованиями. Течение этих .процессов подтверждается некото

рыми спадами и повышениями прочности бетона в течение

длительного времени.

Контракция (химическая усадка) цементного теста-камня

Все процессы гидратации цемента связаны с проявлением контракции — стяжения системы из цемента и воды

При гидратации минералов цементного клинкера абсолютный объем новообразований несколько больше объема исходных минералов, но меньше суммы абсолютных объемов минералов и воды до реакции, что связано с вхождением воды в кристаллическую решетку твердого вещества.

Трехкальциевый алюминат при гидратации проявляет контракцию в 2,5—3 раза большую, чем остальные минералы портландцементного клинкера. При гидратации же портландцемента значения контракции в среднем характеризуются уменьшением абсолютного объема цемента и воды на 6—7 л на 100 кг цемента. Под действием контракции в цементном камне твердевшего бетона образуются закрытые микропоры размером от 100 до 1000 А и возникают внутренние, растягивающие напряжения. При образовании контращионных пор в них возникает вакуум, под влиянием которого они могут быть заполнены воздухом или водой, в зависимости от условий твердения бетона.

При твердении цементного камня на воздухе наряду г контракцией — химической усадкой происходит и физическая усадка вследствие испарения воды из полостей микроструктурных элементов. Величина физической усадки меньше кон-тракционной, развивается она в основном уже в отвердевшем цементном камне, и ее действие проявляется в создании внутренних растягивающих напряжений в бетоне

На реакции с цементом воды затрачивается 15—20% от веса цемента, для затворения бетоннойхмеси — обычно 40 — 60%. Остаток воды сосредоточивается в пространстве между зернами цемента и под зернами заполнителей в ^результате седиментационных явлений, образуя межзерновые капилляры и седиментационные полости. Размеры диаметров капиллярных пор колеблются от долей микрона до десятков микрон, седиментационных полостей — до сотен микрон.

Капиллярные и седиментационные поры — основные дефекты в структуре затвердевшего бетона, снижающие его технические свойства — прочность и долговечность. В процессе гидратации цемента они заполняются цементным гелем, уменьшаясь в объеме, что улучшает структуру бетона.

Кроме перечисленных видов пористости, при укладке и уплотнении в бетонной смеси остаются сравнительно крупные (0,1—2 мм) пузырьки вовлеченного воздуха, значительно снижающие прочность бетона. Грубо можно считать, что на каждый 1 % защемлеэнога воздуха -прочность бетона падает на 5—6%. Это снижение прочности вызвано ослаблением сечения, концентрацией напряжений у поверхности пузырьков и неодноррдностью их размещения. Обычно количество вовлеченного воздуха «составляет 2—3%, но может доходить и до 5^6%.

Затвердевший бетон представляет собой сложное капиллярно-пористое тело, состоящее из трех фаз: твердого вещест-ва воздуха и воды. Твердая фаза представлена заполнителями, осколками клинкера и новообразованиями цемента, причем она не сплошная, а пронизана макро- и микропустотами, заполненными либо воздухом, либо водой. В соответствии с размерами частиц твердой фазы и пустот можно рассматривать макро- и микроструктуру бетона

Вода в бетоне также находится в различных качественных состояниях: а) химически связанная в новообразованиях цемента; б) псевдотвердая в гелевых порах; в) сорбционная, осаждающаяся на твердых поверхностях за -счет конденсации водянйх паров, в виде пленок толщиной около 0,1 мк >и заполняющая полностью открытые капилляры размерами менее 0,2 мк1; г) капиллярная, насыщающая поры диаметром 0,2— 40 мк при непосредственном соприкосновении бетона с водой и удерживаемая в нем капиллярными силами; д) свободная, заполняющая иногда более крупные пустоты цементного камня под действием гравитационных сил или давления.

Изменение термовлажностных условий сре?ды, в которой находится бетон, изменяет и соотношение между разными видами воды в нем, а следовательно, ведет к изменению физико-механических свойств бетона.

Расчетный метод определения пористости бетона

Зная исходное водоцементное отношение и степень гидратации цемента в бетоне, можно расчетным путем установить микро- и макропористость бетона.

Степень   гидратации   цемента - практически   может быть определена по количеству химически связанной воды или количеству свободной СаО в цементном камне.

Сцепление цементного камня с заполнителями

Свойства конгломератного материала—бетона зависят от сцепления цементного камня с поверхностью заполнителей. Желательно, чтобы прочность этого сцепления была не менее прочности цементного камня.

Прочность сцепления при постоянном цементном клее обеспечивается физико-механическими факторами, зависящими от микрорельефа поверхности заполнителей, и физико-химическими факторами, обусловленными минералогическим составом заполнителей.

Адгезионные свойства цементов зависят от их минералогического состава, тонкости помола и принятого цементоводно-го отношения. Повышенной адгезией обладают цементы, дающие наибольшее количество коллоидных частиц в период приготовления бетонной смеси и уплотнения бетона. Цементо-водное отношение должно иметь оптимальное значение, обеспечивающее хороший расплыв цементного теста по заполнителю и в то же время достаточную плотность затвердевшего цементного камня.

Прочность сцепления цементного камня с заполнителями увеличивается во времени при твердении бетона, затем может иметь небольшие спады и повышения вследствие перекристаллизации новообразований цемента в контактной зоне до приобретения ими наиболее устойчивого термодинамического состояния.

Влияние минералогического состава заполнителей на прочность сцепления их с дементным камнем в последнее время обстоятельно исследовалось Т. Ю. Любимовой и Э. Р. Пинусом, которые определяли микротвердость в контактных слоях. Исследованиями установлено, что заполнители могут быть разделены на две группы: 1 — химически не взаимодействующие с вяжущим изверженные горные породы (например, гранит); 2 — химически и физико-химически взаимодействующие с вяжущим породы (карбонатные породы и кварцевые пески). Контактный слой в заполнителях первой группы отсутствует, прочность адгезионного оцешьения близка к нулю, контактные слои цементного камня имеют повышенную прочность (). В этом случае сцепление цементного камня с заполнителем обеспечивается в основном за счег физико-м.еханических факторов —зацепления неровностей поверхности.

Повышение прочности цементного камня в контактных слоях с заполнителем, отмечаемое в некоторых исследованиях, объясняется влиянием поверхности как подложки, на которой возникают центры кристаллизации новой фазы, обеспечивающие ускоренное образование мелкокристаллической структуры цементшого камня.

При заполнителях второй группы происходит химическое взаимодействие -между заполнителем и цементным тестом-камнем, приводящее к некоторому снижению прочности заполнителя и возникновению диффузного промежуточного слоя, состоящего из продуктов этого взаимодействия и объединяющего контактирующее фазы.

Снижение твердости заполнителя в контактном слое — следствие адсорбционного понижения его прочности (по П. А. Ребиндеру) и частичного растворения в процессе образования продуктов взаимодействия фаз (ка-рбоалюминатов а гидросиликатов). Прочность контактной зоны в этом случае имеет примерно одинаковый порядок с прочностью цементного камня в объеме, что способствует улучшению технологических свойств бетона, в частности повышению однородности бетона в напряженном состоянии

Основные технологические мероприятия, применяемые для улучшения структуры бетона

Рассмотренные выше дефекты структуры бетона свойственны природе цементного бетона и не являются следствием нарушения технологии приготовления, укладки смеси, ее уплотнения и ухода за бетоном.

При несоблюдении требований к применяемым материалам, неправильном подборе состава бетона, плохом перемешивании смеси, ее недоуплотнении, пересушивании твердеющего бетона может образоваться огромное количество макро-дефектов, резко снижающих прочность и долговечность бетона. Так, недоуллотнение бетона на 5% мажет снизить его прочность .на 25—40%. Эти случаи в нашем изложении не рассматриваются.

Для улучшения структуры бетона необходимо добиваться уменьшения количества седиментационных и капиллярных пор, уменьшать количество и неоднородность распределения вовлеченного воздуха, улучшать оцепление цементного камня с заполнителем, для чего прежде всего желательно обеспечить наиболее, полную гидратацию цемента и снижение водосодер-жания в бетонной смеси.