3 Структура бетона и физико-химические процессы, происходящие при ее формировании

Структурообразование бетона - это комплекс сложных процес­сов перехода бетонной смеси из вязкопластичного состояния в твердое. Подавляющее большинство процессов из этого комплекса харак­терно для вяжущей части, а формирование ее микроструктуры играет ведущую роль в структурообразовании бетона.

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

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, размер зерен цемента уменьшается незначительно.

Вновь образующиеся гидратные фазы, получившие название цементного геля, характеризуются очень 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 примерно в течение 2 ... 6 ч.

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

В течение скрытого периода происходит постепенное поглощение

оболочками цементных зерен воды, толщина водных _{про333слоек} между зернами уменьшается, постепенно понижается подвижность теста и бетонной смеси. В гелевых оболочках появляется осмотическое давление. Внутренние слои цементных зерен, реагируя с во­дой, стремятся расшириться. В результате наступает разру­шение гелевых оболочек, об­легчается доступ воды в глубь цементных зерен, ускоряется процесс гидратации цемента.

Наступает третья ста­дия процес_са 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 и эттрингита в виде длинных волокон, которые образуются одновременно.

Схематически процесс преобразований, происходящих в системе цемент-вода в процессе гидратации цемента, показан на рисунке 3.[1]

Рисунок 3. 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 осмотического разрушения первоначальной оболочки, образование волнистых и столбчатых структур на поверхности зерен и в пора> цементного камня - третий период гидратации; г -уплотнение структуры цементного камня при последующей гидратации цемента

Важным элементом структуры бетона является поровое пространство. Общая пористость бетона складывается из:

1) пор в отвердевшем вяжущем (например, цементном камне), возникших под влиянием физико-химических процессов твердения;

2. пор заполнителя;

3. межзерновых пустот, не заполненных вяжущим веществом :

4. пор, образованных вовлеченным воздухом.

В отличие от формирования структуры чисто вяжущей части фор­мирование

структуры вяжущего в бетоне происходит под влиянием заполнителя Одновременно с развитием собственной структуры вя­жущего протекают процессы в зоне его контакт с поверхностью зе­рен заполнителя. Под их воздействием формируется структура омоноличивающих слоев вокруг зернистого заполнявшего материала. Характер и полнота этих процессов зависит от многих факторов, в результате которых состав и структура контактных слоев может несколько отличаться от состава и структуры основного вяжущего вещества, затвердевшего в межзерновых порах и пустотах конгло­мерата.

Контактная зона является наиболее слабым и уязвимым звеном в структуре бетона и на этот структурный элемент следует обращать особое внимание.

Вяжущее вещество скрепляет компоненты бетона в единое целое, т.е. является минеральным или органическим клеем. Б.В.Дерягин считает, что прочность склеивания обусловливается двумя фак­торами: адгезией, или прочностью на отрыв твердых поверхностей от клеящей прослойки, и когезией, или прочностью самого клея. Адгезия зависит от природы заполнителя, его пористости, шероховатости и чистоты поверхности зерен вида вяжущего, его адгези­онных свойств, а также oт условий твердения бетона.[6]

На пористость влияет степень уплотнения цементного теста. При низких значениях В/Ц увеличивается флокуляция цементных частиц и объем вовлеченного воздуха. В результате возрастает общая пористость цементного камня и понижается его прочность. Значительное понижение пористости цементного камня достигается при применении суперпластификаторов, обеспечивающих хорошее уплотнение бетонных смесей с низким В/Ц, препятствующих флокуляции цементных частиц и уменьшающих объем во­влеченного воздуха, органо-минеральных добавок и внешнего давления.[7]

В бетонах на битумных вяжущих структурообразование к твердение сопровождаются следующими наиболее характерными процессами: мицеллообразование за счет снижения скорости теплового потока при охлаждении; сольватация; полимеризация. При использовании жидких битумов происходит испарение легких фракций, что также рассматривается как фактор отвердевания. Возможны также процес­сы кристаллизации с выделением органических кристаллов из угле­водородов насыщенного ряда.[6]

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 рисунке 4 показаны основные типы структур: плотная, с пористым заполнителем, ячеистая и зернистая. 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 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 материала

Рисунок 4. Основные типы макроструктуры бетона:

а - плотная; б- плотная с пористым заполнителем; в - ячеистая; г - зернистая: R _б - средняя прочность структуры; R₁ и R₂ - прочности составляющих бетона.

Наибольшей прочностью обладают материалы с плотной структурой, меньшей - 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.[7]

Бетон, применяемый для жестких цементобетонных покрытий имеют преимущественно плотную структуру.

Плотная структура состоит из сплошной матрицы твердого материала (например, цементного камня), в которую вкраплены зерна другого твердого материала (заполнителя), достаточно прочно связанные с материалом матрицы. Материалы плотной структуры обладают высокими показателями плотности, прочности, морозостойкости и рядом других.

Асфальтобетон в зависимости от его назначения делится на:

- плотный, имеющий остаточную пористость 3—5%; применяется в верхнем слое покрытия. В его состав обязательно входит мине­ральный порошок;

- пористый, имеющий остаточную пористость 5—10%, применяет­ся в нижнем слое покрытия, при интенсивном и тяжелом движении в его состав также необходимо вводить минеральный порошок.

Каждая структура имеет свои закономерности, определяющие ее свойства и влияние на них различных факторов. Для плотной структуры решающее значение имеют свойства цемента( реологические свойства определяются в соответствии с зависимостями) характерными для вязких жидкостей, а также свойства заполнителя и трения между его зернами[6].