Гидратация бетона
При затворении портландцемента водой происходят реакции, обусловливающие твердение цементного теста. В присутствии воды силикаты и алюминаты, перечисленные в табл. 1.1, образуют продукты гидратации, которые постепенно затвердевают и превращаются в цементный камень.
При взаимодействии составляющих цемента с водой идут два процесса. Прежде всего происходит непосредственное присоединение молекул воды, или истинная гидратация. Второй процесс характерен взаимодействием минералов цемента с водой с их разложением — гидролиз.
Обычно применяют термин «гидратация» ко всем типам реакций цемента с водой, т. е. как к истинной гидратации, так и к гидролизу.
Ле Шателье около 80 лет назад впервые установил, что при одинаковых условиях продукты гидратации цемента имеют тот же химический состав, что и продукты гидратации его отдельных составляющих. Позже это было подтверждено Стейнором, а также Боггом и Лерчем, хотя и с оговоркой, что продукты реакции могут воздействовать друг на на друга или даже взаимодействовать друг с другом в системе. Силикаты кальция — основные составляющие цемента, поэтому физические свойства цемента во время гидратации определяются поведением каждого из этих составляющих в отдельности.
Продукты гидратации цемента характеризуются низкой растворимостью в воде, о чем свидетельствует высокая водостойкость цементного камня. Гидратированные новообразования цемента прочно связываются с непрореагировавшим цементом, однако механизм этой связи пока не ясен. Возможно, что гидратные новообразования создают оболочку, которая растет изнутри под воздействием воды, проникающей через эту оболочку. Или возможно, что растворенные силикаты проникают через оболочку и осаждаются на ней в виде внешнего слоя. И третья возможность: образование и осаждение коллоидного раствора во всей массе после того, как достигнуто насыщение, дальнейшая гидратация продолжается внутри этой структуры.
Каким бы ни был способ осаждения продуктов гидратации, скорость гидратации непрерывно уменьшается, так что даже после длительного времени остается заметное количество негидратированного цемента. Так, например, через 28 суток после затворения водой зерна цемента прогидратировали только на глубину 4ц,. Пауэре подсчитал, что полная гидратация при нормальных условиях возможна только для цементных зерен размером менее 50|л, но при непрерывном размельчении цемента в воде полная гидратация была получена в течение 5 суток.
Микроскопическое исследование гидратированного цемента не подтверждает прохождения воды в глубь зерен цемента и выборочной гидратации наиболее реакционно способных составляющих (например, C3S), которые могут находиться в центре зерна. Поэтому представляется, что гидратация развивается вследствие постепенного уменьшения размеров цементных зерен. Действительно, было обнаружено, что в возрасте нескольких месяцев негидратированные зерна цемента грубого помола содержат как C3S, так и C2S и, возможно, что мелкие частицы C2S гидратируются раньше, чем завершается гидратация крупных частиц C3S.
Различные составляющие цемента обычно присутствуют во всех его зернах, и исследования показали, что оставшиеся зерна цемента после определенного периода гидратации имеют тот же относительный минералогический состав, что и целое зерно до гидратации. В течение первых 24 ч может все же происходить избирательная гидратация.
Основными гидратами являются гидросиликаты кальция и трех-кальциевый гидроалюминат. Полагают, что C4AF гидратируется с образованием трехкальциевого гидроалюмината и аморфной фазы, возможно CaO-Fe2O3-aq. Возможно также, что некоторое количество Fe2O3 присутствует в твердом растворе гидроалюмината кальция1.
Степень гидратации цемента может быть определена различными способами посредством измерения: количества Са (ОН)2 в тесте, тепловыделения при гидратации, удельного веса теста, количества химически связанной воды, количества негидратированного цемента (с помощью рентгеноструктурного анализа), а также косвенного по прочности цементного камня.
Гидратация бетона
Цемент на сегодняшний день является, пожалуй, основным гидравлическим вяжущим практически всех строительных растворов: бетонов, штукатурок, клеев, ровнителей для полов, кафельных затирок для швов, гидроизолирующих составов. Качество выполняемых видов работ, связанных с этими растворами, напрямую зависит от правильности работы и понимания сути процесса связывания и набора прочности цементных растворов. Вот об этом и пойдет речь в этой статье.
Исходным продуктом для получения цемента является: известняк и глина определенного состава, обеспечивающая преобладание силикатов кальция. Обжиг сырьевой смеси проводится при температуре 1470°C в течение 2-4 часов в длинных вращающихся печах. Таким образом, получают цементный клинкер, который впоследствии подвергают помолу. Цемент получают тонким измельчением клинкера и гипса.
Примерное содержание минералов в клинкере составляет:
C3S трёхкальциевый силикат участвует в процессе нарастания прочности цемента в течение всего времени. Процесс гидратации цемента является экзотермическим, то есть – химическая реакция сопровождающаяся выделением тепла. Именно C3S “греет” раствор цемента при затворении.
C2S двухкальциевый силикат начинает активно действовать лишь спустя месяц после затворения цемента в бетонной смеси. Зато, его действие длится годами, в течение всего периода нарастания прочности цементного раствора.
C3A трёхкальциевый алюминат наиболее активный из всех. Он начинает бурную деятельность с самого начала процесса схватывания. Именно ему мы обязаны за набор прочности, в течение первых дней жизни раствора.. В дальнейшем его роль в твердении и наборе прочности минимальна.
C4AF четрыёхкальциевый алюмоферрит. Его роль в наборе прочности и твердении минимальна. Незначительное воздействие на набор прочности отмечается лишь на самых поздних сроках твердения.
Для полной гидратации цементного зерна необходимо присутствие 0,4-кратного (по массе) количества воды.
Безводные минералы клинкера при реакции с водой превращаются в гидросиликаты, гидроаллюминаты и гидроферраты кальция. Все перечисленные компоненты при затворении водой вступают в химическую реакцию, благодаря которой происходит нарастание, сцепление и осаждение кристаллов гидратированных соединений. По сути, гидратацию можно назвать и кристаллизацией. Так, наверное, понятней. Частички цемента связываются «иглами» (кристаллами) гидратов в единое прочное целое.
Образовавшийся Ca(OH)2 под действием углекислого газа воздуха постепенно превращается в CaCO3, гидроаллюминаты кальция с гипсом в присутствии воды дают двойные основные сульфаты, например – Ca6Al2(OH)12(SO4)3*26H2O и Ca4Al2(OH)12SO4*6H2O. При получении бетона образовавшийся Ca(OH)2 с углекислым газом воздуха и SiO2 превращается в очень прочную массу, состоящую из карбонатов и силикатов кальция.
Кроме описанных химических преобразований, протекающих при твердении цемента, большое значение имеют физические и физикохимические процессы, которые сопровождают химические реакции и приводят в своей совокупности к превращению цемента при затворении водой сначала в пластичное тесто, а затем в прочный затвердевший камень.
Поэтому, для реакции гидратации очень важно необходимое количество воды в растворе.
Недостаток воды, может привести к недобору прочности.
А избыток воды останется в виде балласта в готовом растворе, придавая излишний объем!
Гидратация цемента, схватывание бетона
Цемент, взаимодействуя с водой, твердеет, а потом превращается в цементный камень. Но не все знают, как и почему происходит этот процесс, как на него можно подействовать, чтобы получить цемент с лучшими характеристиками? Ученые изобретают новые специальные добавки в бетон или цемент, которые позволяют воздействовать на процессы, происходящие в период схватывания и затвердения бетонной или ЖБИ конструкции.
Заводы используют такие добавки для того, чтобы сэкономить, так как сокращаются сроки пропаривания изделий из железобетона, снижается скорость форм оснастки или опалубки, экономится цемент, улучшаются характеристики качества изделий.
Прочность бетона производится при схватывании и затвердении бетона. Схватывание бетона происходит в течение первых суток жизни бетона. Время, за которое бетон схватится, зависит от температурных и погодных условий. При температуре 20 градусов цемент начинает схватываться приблизительно через пару часов после того, как затворяют цементный раствор. Процесс схватывания длится приблизительно час. Но, если температура воздуха составляет 0 градусов, то процесс схватывания длится до 15-20 часов. При такой температуре цемент начинает схватываться после 6-10 часов после того, как затворяют бетонную смесь. Если ЖБИ пропаривают в специальных камерах, то ускоряется процесс схватывания бетона, в итоге он достигает 10-20 минут. В процессе схватывания на бетон или цементный раствор еще можно воздействовать, так как они в этот момент еще подвижные. Пока бетон шевелят, он окончательно не твердеет, процесс схватывания автоматически продлевается. Именно поэтому бетон доставляют на место строительства в специальных бетономешалках, в которых цемент постоянно находится в движении. Это позволяет сохранить основные свойства смеси. Бывало и такое, что бетономешалке приходилось до 10-12 часов перемешивать бетон, ожидая разгрузку. Бетон в этой ситуации не затвердел, но снижается его качество. Это называется свариванием бетона. Особенно критично воспринимаются такие мероприятия именно летом, когда температура воздуха достаточна высокая.
Твердение бетона – процесс, который начинается сразу после того, как заканчивается схватывания цемента. Как только бетон уложили в опалубку, и он схватился – начинается процесс твердения бетона. Обычно бетон схватывается месяца или годы, но существуют нормированные сроки для определенных марок бетона.
Так же вам может быть интересно
Наши услуги
Почему выбирают нас?
- Лучшие цены:
- мы предоставляем гарантию лучших цен по региону
- у нас лучшее соотношение цены и качества
- предусмотрены многочисленные программы скидок для постоянных клиентов
- если Вы найдете дешевле – предоставьте чек от конкурента и мы доставим Ваш заказ за 90% стоимости
- Лучшее качество:
- лучшие специалисты в регионе работают в нашей компании
- мы даем гарантию на все виды своей продукции
- мы всегда доставляем продукцию вовремя
- нам доверяют ведущие строительные предприятия региона
Бетон — время схватывания и набора прочности
Срок твердения бетона
Подавляющее большинство самодеятельных строителей считают по не совсем понятным причинам, что за окончанием укладки в опалубку либо завершением работ по выравниванию стяжки процесс бетонирования законченным. Между тем, время схватывания бетона значительно больше, чем время на его укладку. Бетонная смесь – живой организм, в котором по окончании укладочных работ происходят сложные и протяженные по времени физико-химические процессы, связанные с превращением раствора в надежную основу строительных конструкций.
Прежде чем производить распалубку и наслаждаться результатами приложенных усилий, нужно создать максимально комфортные условия для созревания и оптимальной гидратации бетона, без которой невозможно достижение требуемой марочной прочности монолита. Строительные нормы и правила содержат выверенные данные, которые приведены в таблицах времени схватывания бетона.
Содержащиеся в официальных таблицах данные, конечно, должны служить ориентиром при самостоятельном обустройстве бетонных или железобетонных конструкций. Но применение таких данных должно происходить в плотной практической привязке к реальным условиям строительства.
Уход за бетоном после заливки: основные цели и методы
Процессы, связанные с проведением мероприятий, которые предшествуют распалубке, содержат несколько технологических приемов. Цель выполнения таких мероприятий одна – создание железобетонной конструкции, максимально соответствующей по своим физико-техническим свойствам параметрам, которые заложены в проект. Основополагающим мероприятием, безусловно, является уход за уложенной бетонной смесью.
Уход заключается в выполнении комплекса мероприятий, которые призваны создать условия, оптимально соответствующие происходящим в смеси физико-химическим преобразованиям, во время набора прочности бетона. Неукоснительное следование предписанным технологией ухода требованиям позволяет:
- свести к минимальным значениям усадочные явления в бетонном составе пластического происхождения,
- обеспечить прочностные и временные значения бетонного сооружения в параметрах, предусмотренных проектом,
- предохранить бетонную смесь от температурных дисфункций,
- препятствовать прелиминарному отвердению уложенной бетонной смеси,
- предохранить сооружение от различного происхождения воздействий механического или химического генеза.
Процедуры ухода за свежеобустроенной железобетонной конструкцией следует начинать непосредственно по окончании укладки смеси и продолжаться до тех пор, пока ей не будет достигнуто 70 % прочности, предусмотренной проектом. Это предусматривается требованиями, изложенными в пункте 2.66 СНиПа 3.03.01. Распалубку можно провести и в более ранние сроки, если это обосновано сложившимися параметрическими обстоятельствами.
После окончания укладки бетонной смеси следует провести осмотр опалубочной конструкции. Цель такого осмотра – выяснение сохранения геометрических параметров, выявление протечек жидкой составляющей смеси и механических повреждений элементов опалубки. С учетом того, сколько времени застывает бетон, точнее сказать – с учетом времени его схватывания, проявившиеся дефекты необходимо устранить. Среднее время, за которое может схватиться свежеуложенная бетонная смесь, составляет около 2-х часов, в зависимости от температурных параметров и марки портландцемента. Конструкцию необходимо предохранять от любого механического воздействия в виде ударов, сотрясений, вибрационных проявлений столько, сколько времени сохнет бетон.
Стадии набора прочности бетонной конструкцией
Бетонная смесь любого состава имеет свойство схватываться и получать необходимые прочностные характеристики при прохождении двух стадий. Соблюдение оптимального соотношения временных, температурных параметров и значений приведенной влажности имеет определяющее значение для получения монолитной конструкции с запланированными свойствами.
Стадийные характеристики процесса заключаются в:
- схватывании бетонного состава. Время предварительного схватывания не велико и составляет ориентировочно 24 часа при средней температуре +20 Со. Начальные процессы схватывания происходят в течение первых двух часов по затворении смеси водой. Окончательное схватывание происходит, как правило, в течение 3–4 часов. Применение специализированных полимерных добавок позволяет, при определенных условиях, период начального схватывания смеси сократить до нескольких десятков минут, но целесообразность такого экстремального метода бывает оправданной по большей части при поточном производстве железобетонных элементов промышленных конструкций,
- отвердевании бетона. Бетон набирает прочность, когда в его массе протекает процесс гидратации, иными словами – удаление воды из бетонной смеси. Часть воды при прохождении этого процесса удаляется при ее испарении, другая часть связывается на молекулярном уровне с составляющими смесь химическими соединениями. Гидратация может происходить при неукоснительном соблюдении температурно-влажностного режима отвердевания. Нарушение условий приводит к сбоям в прохождении физико-химических процессов гидратации и, соответственно, к ухудшению качества железобетонной конструкции.
Зависимость времени набора прочности от марки бетонной смеси
Логически понятно, что применение для приготовления бетонных составов разных марок портландцемента приводит к изменению времени твердения бетона. Чем выше марка портландцемента, тем меньше время для набора прочности требуется смеси. Но при использовании любой марки, будь это марка 300 либо 400, не следует прикладывать к железобетонной конструкции значительные механического характера нагрузки раньше, чем по истечении 28 дней. Хотя время схватывания бетона по таблицам, приведенным в строительных правилах, может быть и меньше. Особенно это касается бетонов, приготовленных с применением портландцемента марки 400.
Гидратация бетона
ОСОБЫЕ ВИДЫ БЕТОНА
Силикатный бетон
Силикатный бетон представляет собой бесцветный бетон автоклавного твердения. Вяжущим в нем является смесь извести с тонкомолотым кремнеземистым материалом. В процессе автоклавной обработкиизвесть вступает с кремнеземистым компонентом в химическую реакцию, в результате которой образуются гидросиликаты кальция, скрепляющие зерна заполнителя в прочный монолит. В зависимости от вида крем-
неземистого компонента различают следующие виды вяжущего вещества: известково-кремнеземистые (тонкомолотая известь и песок), известково-шлаковые (совместный помол металлургического или топливного шлака и извести), известково-зольные (тонкомолотая известь и топливные золы), известково-белитовые (тонкомолотые продукты низкотемпературного обжига – белитового шлама и песка), и известко-
во-аглопоритовые (известь и отходы производства искусственных пористых заполнителей). Соотношения извести и кремнеземистого компонента составляет от 30:70 до 50:50%. В качестве мелкого заполнителя применяют природные и дробленые пески, удовлетворяющие стандартным требованиям.
Для регулирования свойств вяжущего, бетонной смеси и бетона применяют специальные добавки: гипсовый камень для замедления гидратации извести: триэтаноламин для повышения помолоспособности компонентов вяжущего и пластификации бетонной смеси, кремнийорганические жидкости ГКЖ-10 и ГКЖ-11 для гидрофобизации и повышения долговечности бетона, суперпластификаторы.
Прочность силикатного бетона меняется в широких пределах: 5-10 МПа в легких силикатных бетонах, 20-50 МПа в тяжелых бетонах и 80-100 МПА в высокопрочных бетонах. Из силикатного бетона производят плиты перекрытий, колонны, ригели, балки, ограждающие панели и стеновые блоки.
Цементно-полимерный бетон
Цементно-полимерные бетоны – это цементные бетоны с добавками различных высокомолекулярных органических соединений в виде водной дисперсии полимеров – продуктов эмульсионной полимеризации различных полимеров: винилацетата, винилхлорида, стирола, латексов или водорастворимых коллоидов: поливинилового и фурилового спиртов, эпоксидных водорастворимых смол, полиамидных и мочеви-
ноформальдегидных смол. Добавки вводят в бетонную смесь при ее приготовлении. Полимеры и материалы на их основе применяют в виде добавок в бетонную смесь, в качестве вяжущего, для пропитки готовых бетонных и железобетонных изделий, для дисперсного армирования полимерными волокнами, в виде легких заполнителей и в качестве микронаполнителя.
Цементно-полимерные бетоны характеризуются наличием двух активных составляющих: минерального вяжущего и органического вещества. Вяжущее вещество с водой образует цементный камень, склеивающий частицы заполнителя в монолит. Полимер по мере удаления воды из бетона образует на поверхности пор, капилляров, зерен цемента и заполнителя тонкую пленку, которая обладает хорошей адгезией и способствует повышению сцепления между заполнителем и цементным камнем, улучшает монолитность бетона и работу минерального скелета под нагрузкой. В результате цементно-полимерный бетон приобретает особые свойства: повышенную по сравнению с обычным бетоном прочность на растяжение и изгиб, более высокую морозостойкость, хорошие адгезионные свойства, высокую износостойкость, непроницаемость. Наиболее распространенными добавками полимеров в цементные бетоны являются ПВА, латексы и
Полимербетоны
Полимербетонами называют бетоны, в которых вяжущими служат различные полимерные смолы, а заполнителями – неорганические материалы (песок и щебень). Для экономии смолы и улучшения свойств полимербетонов в них иногда вводят тонкомолотые наполнители. Для ускорения твердения и улучшения свойств применяют отвердители, пластификаторы. Наиболее часто для полимербетонов используют термореактивные смолы: фурановые (ФА), эпоксидные (ЭД-5,ЭД-6) и полиэфирные (ПН-1 и ПН-3,МГФ-9 и ТМГФ-11). Фурановые смолы обычно получают конденсацией фурфурола и фурфурилового спирта с фенолами и кетонами. В строительстве наибольшее распространение получил мономер ФА, получаемый при взаимодействии фурфурола и ацетона в щелочной среде. При нормальной температуре это жидкость желтовато-коричневого цвета плотностью 1,082 г/куб.см с температурой кипения 160-240 °С, нерастворимая в воде, но растворимая в эфирах и ацетоне. Мономер ФА отверждают бензосульфокислотами (20-30% массы ФА). Эпоксидные смолы –это полимерные вещества линейного строения, содержащие эпоксигруппу. Для полимербетонов наиболее пригодны жидкие эпоксидные смолы ЭД-5, ЭД-6. Эпоксидные смолы отвержда-
ются с помощью катализатора ионного типа (10-20% массы смолы). Полиэфирные смолы получают путем поликонденсации двух основных кислот (малеиновой и фталевой) и многоатомных спиртов. В качестве вяжущих для полимербетонов обычно используют ненасыщенные полиэфирные смолы: полиэфирмалеинаты ПН-1 и ПН-3, полиэфирокрилаты МГФ-9 и ТМГФ-11, которые отверждаются при обычной температуре с помощью специальных катализаторов (перекиси бензоила, циклогексанона, метилэтилкетона). Усредненные
характеристики полимербетонов: прочность на сжатие – 20-100 МПа, усадка линейная 0,2-1,5%, мера ползучести 0,3-0,5 кв.см/кг, пористость 1-2 %, стойкость к нагреву 100-180 °С, стойкость к старению 4-6 баллов, к воде – 6-8 баллов, к щелочам – 2-10 баллов, к кислотам – 6-10 баллов.
Гидратация, твердение и набор прочности бетона.
• Структура бетона образуется в результате затвердевания (схватывания) бетонной смеси и последующего твердения бетона. Определяющее влияние на ее формирование оказывают гидратация цемента, его cхватывание и твердение.
ГИДРАТАЦИЯ ЦЕМЕНТА.
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 затворения 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 плотности их упаковки пограничный слой становится малопроницаем для воды примерно в течение 2-6 часов. 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. Цементное тесто приобретает связанность и подвижность.
В течение скрытого периода происходит постепенное поглощение поверхностными оболочками цементных зерен воды, толщина водных прослоек между зернами уменьшается, постепенно понижается подвижность теста и бетонной смеси. 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, гидросиликатов кальция и эттрингита в виде длинных волокон, которые образуются одновременно. Волокна новообразований создают пространственную сеть, усиливая сцепление между гидратными фазами и зернами цемента. Число контактов между гидратными фазами увеличивается, цементное тесто схватывается, затвердевает, образуется цементный камень.
Образовавшаяся структура сначала является очень рыхлой, но постепенно она уплотняется, 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 непрореагировавших центров цементных зерен. В результате возрастает прочность цементного камня и бетона.
Схематически процесс преобразований, происходящих в системе цемент-вода в процессе гидратации цемента, показан на рис. 1.
Процесс гидратации развивается на границах зерен, и цементный гель растет одновременно внутрь и наружу, причем каждое зерно оказывается как бы упакованным в гель. Вода проникает через гелевую оболочку внутрь зерна, а часть компонентов гидратированного цемента диффундирует в противоположном направлении к внешним границам слоя геля, где эти компоненты присоединяются к существующим кристаллам или начинают образовывать новые. Приблизительно 55 % новообразований появляется снаружи, а 45 % остается внутри первоначальной границы цементного зерна. В процессе гидратации размеры пор в цементном Схема процесса преобразований в структуре цементного теста и камня при гидратации цемента:
• а) цементные зерна в воде начальный период гидратации
• б) образование гелевой оболочки на цементных зернах скрытый период гидратации
• в) вторичный рост гелевой оболочки после осматического разрушения первоначальной оболочки, образование волнистых и столбчатых структур на поверхности зерен и в порах цементного камня – третий период гидратации
• г) уплотнение структуры цементного камня при последующей гидратации цемента камне уменьшаются, однако в геле полностью гидратированного цемента остаются внутренние пустоты, называемые порами геля. Схема процесса структурообразования цементного камня во времени представлена на рис. 2.
Пористость геля составляет 28%. Если пористость выше, то это значит, что в геле еще имеются более крупные поры, в которых могут развиваться новообразования, постепенно снижая пористость геля до 28%.
Наряду с порами геля в цементном камне сохраняются более крупные капиллярные поры, образовавшиеся при приготовлении цементного теста. Однако размеры и объем пор постепенно уменьшаются. В процессе гидратации происходит постепенное перераспределение жидкой фазы: уменьшается количество свободной или капиллярной воды, одновременно увеличивается количество химически и физико-химически связанной
воды. При полной гидратации цемента в химическую связь с его минералами вступает приблизительно 20-25% воды от массы цемента. Так как точные химические составы для многих компонентов цемента еще не установлены, то количество химически связанной воды определяют по массе «не- испарившейся воды» по специальной методике. Гидратированный цемент представляет собой в основном коллоидное вещество, и
эта общая черта всех цементов в известной мере позволяет не учитывать различия в химическом составе каждого из них при рассмотрении физических свойств цементного теста и камня.
Гидратация цемента сопровождается изменением относительного объема его разных фаз. В процессе гидратации вода, вступая в реакцию с цементом, приобретает регулярную структуру, и общий объем системы цемент-вода уменьшается, в то время как объем твердой фазы за счет присоединения воды увеличивается (рис. 3.)
Уменьшение объема системы цемент-вода в процессе гидратации получило название контракции. Величина контракции зависит от многих факторов: состава и тонкости помола цемента, В/Ц, вида и содержания добавок и др. По величине контракции можно следить за протеканием процесса гидратации цемента и структурообразования бетона.
По некоторым данным общее количество химически и физико-химически связанной воды при полной гидратации цемента составляет в среднем 50% от массы цемента. Поэтому, если при твердении бетона не имеется доступа воды извне, то для полной гидратации цемента необходимо, чтобы В/Ц было больше 0,5.
Если цементный камень твердеет в воде, то полная гидратация цемента происходит и при меньших В/Ц, так как вода может впитываться через капиллярные и контракционные поры, частично освобождающиеся от воды в результате гидратации. Однако необходимо, чтобы объем этих пор был достаточен для размещения продуктов гидратации. Это имеет место при В/Ц>0,38. При меньших В/Ц полная гидратация цемента при любом твердении невозможна.
Т.о. при В/Ц>0.5 в бетоне всегда будут присутствовать капиллярные поры, доступные для миграции влаги, и стойкость его будет понижаться. При В/Ц=0,38-0,5 в цементном камне могут сохраниться капиллярные и контракционные поры при отсутствии притока влаги извне за счет того, что гидратация цемента не будет происходить полностью. При водном твердении эти поры частично зарастают продуктами гидратации.
В обычных бетонах цемент редко гидратирует полностью. При обычных сроках твердения успевает прогидратировать только часть цемента, поэтому даже при В/Ц=0,5 и выше в цементе сохраняются непрогидратировавшие зерна и значительное количество капиллярных пор. В бетоне цементный камень в результате введения заполнителя занимает только часть объема, поэтому, хотя общий характер зависимостей сохраняется, относительные их величины меньше. При изменении расхода цемента и воды пористость также изменяется. Понижение капиллярной пористости ведет к повышению прочности и стойкости бетона, поэтому на производстве стремятся готовить бетонную смесь с минимальным расходом воды, допустимым по условиям формирования конструкции или изделия. Изменение пористости бетона во времени показано на рис. 5.
Для практических целей часто требуется знать сроки схватывания бетонной смеси. Их определяют по изменению предельного напряжения сдвига или по скорости прохождения ультразвука.
Время от начала затворения до момента резкого возрастания прочности называется периодом формирования структуры. Его продолжительность зависит от концентрации цемента, т.е. В/Ц теста (рис. 6.)
Плотность и пористость образующейся к концу периода формирования твердой матрицы также зависят от В/Ц. Эта матрица, образованная из первичных продуктов гидратации цемента, представляет собой «первоначальный каркас», оказывающий заметное влияние на будущую структуру цементного камня.
Дальнейшее упрочнение структуры происходит за счет роста новообразований внутри сложившейся матрицы и соответствует третьей стадии гидратации. К концу периода формирования структуры цементное тесто превращается в камень, совершается довольно резкий переход от пластической прочности цементного теста к хрупкой прочности затвердевшего цементного камня.
В бетонной смеси на сроки схватывания существенное влияние оказывает заполнитель. Введенный в цементное тесто заполнитель вследствие проявления поверхностных сил сокращает период формирования структуры (рис. 7.), причем, чем выше содержание заполнителя и его удельная поверхность, тем больше его влияние.
Это аналогично уменьшению В/Ц, поэтму для расчета можно условно принять, что свойства бетонной смеси определяются несколько меньшим В/Ц, чем В/Ц затворения. Определить количество воды, как бы отвлекаемой заполнителем, можно путем сравнительного определения сроков схватывания цементного теста и бетонной смеси, например, по результатам ультразвуковых испытаний. Для того чтобы достигнуть тех
же сроков схватывания, какие имеет цементное тесто, необходимо увеличить количество воды в растворе или бетоне. Оказалось, что водопотребность песка или щебня, определенная из условия постоянства сроков.
Изменение пористости бетона в процессе твердения:
1 – общая пористость,
2 – контракционная пористость,
3 – пористость геля,
4 – капиллярная пористость.
Зависимость периода формирования структуры цементного камня, определяемого
по скорости ультразвука, от состава цементного теста и раствора:
1 – цементное тесто с В/Ц=0,3, 2 – раствор на вольском песке с В/Ц=0,3, 3 – тоже с
В/Ц=0,38, 4 – раствор на керамзитовом песке с В/Ц=0,7. схватывания, имеет те же значения, что водопотребность, определенная из условия равноподвижности бетонной смеси.
Бетонная смесь должна укладываться до начала схватывания. Воздействие на нее после схватывания приводит к нарушению структуры и снижению прочности бетона.
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. В бетоне взаимодействия цемента с водой и его твердение происходят в тонких прослойках между
зернами заполнителя при постоянном взаимодействии с ним. Заполнитель повышает водоудерживающую способность цементного теста, ограничивает усадочные деформации, способствует образованию кристаллического каркаса цементного камня, влияет на изменение температуры и влажности в твердеющем цементном камне. Т.о. заполнитель оказывает существенное влияние на формирование структуры цементного
камня и бетона. Это обычно учитывается при определении свойств и проектировании состава бетона.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВА БЕТОНА.
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 бетона с учетом ее плотности. На рис. 8
показаны основные типы структур.
Плотная структура, в свою очередь, может иметь контактное расположение заполнителя, когда его зерна соприкасаются друг с другом через тонкую прослойку цементного камня, и «плавающее» расположение заполнителя, когда его зерна находятся на значительном удалении друг от друга. Плотная структура состоит из сплошной матрицы твердого материала, в которую вкраплены зерна другого твердого материала (заполнителя), достаточно прочно связанные с материалом матрицы. Ячеистая структура отличается тем, что в сплошной среде твердого материала распределены поры различных размеров в виде отдельных условно замкнутых ячеек. Зернистая структура представляет собой совокупность скрепленных между собой зерен твердого материала. Пористость зернистой структуры непрерывна и аналогична пустотности сыпучего
Наибольшей прочностью обладают материалы с плотной структурой, а наименьшей – с зернистой.
Плотные материалы менее проницаемы, чем ячеистые, а те, в свою очередь, менее проницаемы, чем материалы зернистой структуры. Последние обладают, как правило, наибольшим водопоглощением.
Большое влияние на свойства материала оказывает размер зерен, пор или других структурных элементов. В этой связи в бетоне различают макроструктуру и микроструктуру. Под макроструктурой понимают структуру, видимую глазом или при небольшом увеличении. В качестве структурных элементов здесь различают крупный заполнитель, песок, цементный камень, воздушные поры. Микроструктурой называют
структуру, видимую при большом увеличении под микроскопом, которая состоит из непрореагировавших зерен цемента, новообразований и микропор различных размеров.
Цементный камень является основным компонентом бетона, определяющим его свойства и долговечность. Основной составляющей микроструктуры цементного камня являются гидросиликаты кальция.
Они создают определенную пространственную структуру, которая включает непрореагировавшую часть зерен цемента с оболочкой новообразований в виде системы глобул и межзерновое пространство, заполненное в той или иной мере новообразованиями. Цементный камень содержит участки с различной структурой,
сложенные разными минералами. Его строение отличается сложностью, многообразием и неоднородностью. Неоднородность строения обусловлена тем, что цементный камень состоит из глобул цементных зерен с постепенно убывающей к их поверхности плотностью, контактной зоны между глобулами, состоящей
из различных новообразований, а также включает поры, неплотности и дефекты структуры. Необходимо учитывать и химическую неоднородность камня, т.е. то, что отдельные участки состоят из отличающихся друг от друга минералов, и в некоторых местах возможно значительное увеличение содержания отдельных компонентов по сравнению с их средним значением, определяемым физико-химическим анализом. Микроструктура и неоднородность цементного камня существенно влияют на его прочность и другие свойства.
Свойства цементного камня зависят от его минералогического состава. Изменяя минералогический состав вяжущего и условия твердения, можно получать различные типы микроструктуры цементного камня: ячеистую, зернистую, волокнистую, сотовую или сложные структуры. В технологии бетона используются различные вяжущие вещества, применяются разнообразные условия твердения бетона, что обусловливает
различные типы микроструктуры цементного камня. Вблизи зерен заполнителя в результате влияния его поверхностных сил и ряда других причин микроструктура цементного камня может изменяться по сравнению со структурой основной массы, поэтому часто рассматривают особо микроструктуру и свойства контактной зоны между цементным камнем и заполнителем, выделяя ее в виде отдельного структурного элемента.
Структура бетона, как правило, изотропна, т.е. ее свойства по разным направлениям (приблизительно) одинаковы. Однако путем особых приемов формования или введения специальных структурообразующих элементов структуре бетона может быть придана анизотропность, т.е. ее свойства в одном направлении будут заметно отличаться от свойств в другом направлении.
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. Подразделение на приведенные типы структур условно, в действительности структура бетона отличается большей сложностью, например, в плотной структуре тяжелого бетона цементный камень имеет значительное количество пор, в плотной структуре легкого бетона поры наблюдаются не только у заполнителя, но и в цементном камне и т.д. Однако представление о различных типах структур позволяет более четко проектировать состав бетона, используя характерные для каждого случая зависимости.
Бетоны являются искусственными каменными материалами. Известно, что прочность подобных материалов зависит от их плотности, т.к. она определяет плотность упаковки структурных элементов, объем и характер дефектов (пор, микротрещин).
Структура бетона неоднородна. Отдельные объемы материала могут значительно отличаться по своим свойствам, что оказывает заметное влияние на суммарные свойства материала. Могут различаться по свойствам не только цементный камень и заполнитель, но и отдельные зерна заполнителя друг от друга и отдельные микрообъемы цементного камня. Примером может служить изменение свойств цементного камня в контактной зоне. Сама контактная зона, как основной массив цементного камня, неоднородна, в ней содержатся более или менее дефектные места, непрореагировавшие зерна, микротрещины и другие элементы, снижающие однородность материала. Кроме того, структура и свойства бетона могут колебаться в незначительных пределах в разных изделиях и образцах, даже изготовленных из одного и того же состава. На рис. 9 показана элементарная ячейка структуры бетона. Наглядно видна неоднородность структуры, вклю-чающей плотный и прочный материал с разными свойствами, переходные зоны, пустоты. Неоднородность структуры обусловливает неоднородность прочности бетона по объему, что показано на рис. 10.
Схема структуры бетона и напряженного состояния сжатого бетонного образца показана на рис. 11.
ТВЕРДЕНИЕ БЕТОНА.
Твердение бетона при нормальной температуре.
При возведении монолитных конструкций и изготовлении изделий на полигонах бетон обычно твердеет при положительной температуре 5-35 С. При достаточной влажности воздуха рост прочности бетона продолжается длительное время. В раннем возрасте рост прочности бетона будет зависеть от многих факторов: минералогического состава и тонкости помола цемента, состава бетона, В/Ц, вида и дозировки использованных химических добавок. В таблице 1 показана относительная прочность бетонов разного возраста, приготовленных при различных В/Ц. Чем меньше В/Ц, тем выше темп роста прочности бетона.
Наиболее существенное влияние на темп твердения бетона оказывает минералогический состав цемента. По интенсивности нарастания прочности бетона при нормальной температуре современные цементы делят на 4 типа ( Таблица 2).
Цементы 1-го и 2-го типа, обеспечивающие более быстрое нарастание прочности бетона в раннем возрасте, резко замедляют прирост прочности в длительные сроки твердения, а бетоны на цементах 3-го и 4-го типа, медленно твердеющие вначале, показывают заметный рост прочности в течение длительного времени. При благоприятных условиях прочность бетона на этих цементах к полугодовалому возрасту возрастает в 1,5-1,8 раза по сравнению с прочностью в возрасте 28 сут., причем отмечается рост прочности и в дальнейшем.
Заметное влияние на темп твердения бетона оказывают даже сравнительно небольшие колебания температуры воздуха. Поэтому при бетонировании массивных сооружений, особенно в весенне-осенний период, необходимо, по возможности, учитывать колебания температуры и ее влияние на твердение бетона.
При этом необходимо учитывать, что темп нарастания прочности бетона постепенно замедляется, и его окончательная прочность будет зависеть от того, в каком возрасте происходят те или иные колебания температуры (рис. 12).
Большое значение для твердения бетона имеет организация ухода за ним, особенно в раннем возрасте. Целью ухода является создание благоприятных условий для твердения бетона, сохранение надлежащей влажности среды. Для этого бетон укрывают полимерной пленкой, посыпают песком, который постоянно увлажняют, используют маты из синтетических материалов, устраивают покрывающие водные бассейны или используют другие способы, предохраняющие бетон от высыхания, чтобы избежать замедления процессов гидратации цемента и роста прочности бетона. При быстром высыхании бетона в раннем возрасте возникают значительные деформации усадки, появляются микротрещины. В результате ухудшается структура бетона, снижается его конечная прочность. Исправить структуру созданием благоприятных условий в
последующем не удается, поэтому правильный уход за бетоном в раннем возрасте является необходимым условием получения доброкачественного бетона.
Станьте первым!