Лекция № 4. Структурообразование высококачественных бетонов.

План лекции:

1. Требования к формированию структуры высококачественных бетонов.

2. Структура высококачественных бетонов.

1. Требования к формированию структуры высококачественных бетонов.

Структура бетона образуется в результате затвердевания бетонной смеси и последующего твердения бетона. Определяющее влияние на ее формирование оказывает гидратация цемента, его схватывание и твердение.

Начальный период – в процессе гидролиза выделяются , образуя пересыщенный раствор. В растворе находятся ионосульфаты, гидроксиды и щелочи, а также небольшое количество кремнезема, камнезема и железа. В течение нескольких минут из раствора начинают осаждаться первые новообразования – гидроксид кальция и эттрингит .

Вторая стадия гидратации (приблизительно через 1 час.), для которой характерно образование очень мелких гидросиликатов кальция, получивших название цементного геля с тонкой гранулометрией. Новообразования в первую очередь появляются на поверхности цементных зерен. С увеличением количества новообразований и плотности их упаковки пограничный слой становится малопроницаем для воды (2… 6 час.)

Вторую стадию замедленной гидратации называют «скрытым или индукционным периодом» гидратации цемента.

В бетонной смеси на сроки схватывания существенное влияние оказывает заполнитель. Введенный в цементное тесто, заполнитель, вследствие проявления поверхностных сил, сокращает период формирования структуры, причем, чем выше содержание и его удельная поверхность, тем больше его влияние. Это аналогично уменьшению .

Заполнитель оказывает заметное влияние на структурообразование бетона после затвердевания бетонной смеси. Заполнитель может создавать жесткий каркас, упрочняющий структуру на первой стадии ее формирования. Наличие заполнителя существенным образом влияет и на условия твердения цементного камня. Заполнитель повышает водоудерживающую способность цементного теста, ограничивает усадочные деформации, способствует образованию кристаллического каркаса цементного камня, влияет на изменения температуры и влажности в твердеющем цементном камне. Это учитывается при определении свойств и проектировании состава бетона.

Процесс формирования структуры бетона можно разбить на три периода:

I – бетонная смесь превращается в бетон;

II – упрочнение структуры бетона;

III – структура стабилизируется и почти не изменяется со временем.

Образовавшаяся жесткая структура сначала является очень рыхлой, но постепенно она уплотняется: в заполненных водой порах этой структуры непрерывно появляются новые гидратные фазы. Объем пор и их размеры уменьшаются, возрастает количество контактов между новообразованиями, утолщаются и уплотняются гелевые оболочки на зернах цемента, срастающиеся в сплошной цементный гель, с включениями не прореагировавших центров цементных зерен. В результате возрастает прочность цементного камня и бетона.

Рис. 1. Схемы процесса гидратации цемента (а) и структурообразования (б)

цементного камня во времени:

1 – образование длинных кристаллов; 2 – образование эттрингита; 3 – изменение пористости; 4 – образование коротких волокон; 5 – образование моносульфатов; 6 – неустойчивая структура; 7 – формирование основной структуры; 8 – уплотнения структуры; 9 – стабильная структура.

2. Структура высококачественных бетонов.

Структура бетонной смеси сохраняется и при затвердевании. Поэтому структуру бетона следует классифицировать по содержанию цементного камня и его размещению в бетоне.

Однако на свойства бетона определяющее влияние оказывает его плотность или пористость. При прочих равных условиях объем и характер пористости, а также соотношение в свойствах отдельных составляющих бетона определяют его основные технические свойства, долговечность, стойкость в различных условиях. В этой связи целесообразно классифицировать структуру с учетом ее плотности.

Характеристика бетона по структуре бетонной смеси

а)

б)

в)

г)

Рис. 2. Характеристика бетона по структуре бетонной смеси:

а) плотная; б) плотная с плавающим заполнителем; в) ячеистая; г) крупнопористая.

Классификация структур бетона с учетом ее плотности.

Для различных видов бетона характерна своя структура. Для тяжелого бетона характерна плотная структура. Для легких конструкционных бетонов – плотная структура с пористым заполнителем. Ячеистые бетоны имеют ячеистую структуру. Крупнопористый бетон – зернистую структуру.

Основные типы макроструктур

Рис. 3. Основные типы макроструктуры бетона:

а) плотная; б) плотная с пористым заполнителем; в) ячеистая; г) зернистая.

Плотная структура состоит из сплошной цементной матрицы (цементного камня), в которую вкраплены зерна заполнителя. Ячеистая структура – это когда в цементном камне распределены поры различных размеров в виде условно замкнутых ячеек. Зернистая структура представляет собой скрепленные друг с другом зерна заполнителя. Наибольшей прочностью обладает материал из плотной структуры, наименьшей – с зернистой структурой.

Оптимальной структурой называют структуру цементных систем, которая характеризуется равномерным распределением заполнителя всему объему вяжущего. Немаловажную роль в создании оптимальной структуры играет уменьшение общей пористости, как в цементном камне, так и в зоне контакта цементного камня с заполнителем.

1 – Зерно заполнителя;

2 - Цементный камень;

3 - Микропоры;

4 - Микротрещины.

Рис. 4. Зона контакта цементного камня с заполнителем.

В качестве структурных элементов макроструктуры различают:

крупный заполнитель;

мелкий заполнитель;

цементный камень;

контактный слой;

воздушные поры;

микротрещины.

Контактный слой

В микроструктуре также особо рассматривают микроструктуру и свойства контактной зоны между цементным камнем и заполнителем. Состояние контактной зоны в значительной мере определяет физико-механические свойства бетона.

Установлено, что на границе цементного вяжущего и заполнителя происходят сложные физико-механические процессы кристаллизации и взаимодействие гидратных образований цементного камня с минералами заполнителей, играющих значительную роль в прочности сцепления.

Установлено, что на ранних стадиях твердения (до окончания схватывания) сцепление осуществляется за счет адгезионных явлений смачивания и прилипания цементного теста к поверхности заполнителей. Сила сцепления на данном этапе составляет не более 0,05-0,08 МПа. Дальнейшее формирование прочного сцепления осуществляется за счет прочности кристаллизованных гидратных новообразований на поверхности заполнителя. Они взаимодействуют и срастаются. Основной составляющей прочного сцепления является адгезионное сцепление. Оно создается за счет физико-химических процессов адгезии, кристаллизации и взаимодействия гидратных новообразований с минералами заполнителей.