Структура бетона – 5. Бетон как материал для железобетонных конструкций. Основные свойства бетона, структура бетона и её влияние на прочностные и деформативные свойства бетона.

2. Структура (строение) бетона

В настоящее время в строительстве применяется много различных видов бетонов. Но для выполнения несущих конструкций зданий и сооружений наиболее широко используется тяжёлый бетон на це­ментном вяжущем и крупном плотном заполнителе из песчаника, гранита, диабаза и т. п. материалов со средней плотностью в преде­лах 2200 < ρ ≤ 2500кг/м³. Его свойства и рассматриваются ниже.

Структура бетона оказывает большое влияние на его прочность и деформативность. Чтобы уяснить это, вспомним схему физико-химического процесса получения бетона.

Для приготовления бетона берут в определённых пропорциях заполнители (песок, щебень или гравий), вяжущее (цемент) и воду. Кро­ме того, для придания бетону различных свойств (например, моро­зостойкости) дополнительно в небольших количествах могут вво­диться различные добавки. Смесь заполнителей и вяжущего заливают водой. После затворения этой смеси начинается химическое взаимо­действие между частицами цемента и водой (гидратация) в резуль­тате чего образуется цементное тесто. При перемешивании такой смеси цементное тесто обволакивает зёрна заполнителей и, постепен­но затвердевая, превращает всю массу в монолитное твёрдое тело, способное нести нагрузку.

Следовательно, бетон представляет собой неоднородный искус­ственный каменный материал. Следует обратить внимание на то, что даже сам затвердевший цементный раствор (цементный камень) имеет также неоднородную структуру и состоит из упругого кри­сталлического сростка, растущего с течением времени, и наполня­ющей его вязкой студенистой массы (геля), количество которой по­степенно уменьшается.

Таким образом, структуру бетона можно представить в виде про­странственной решетки из цементного камня (включающего кри­сталлический сросток, гель и большое количество пор и капилля­ров, содержащих воздух, водяной пар и воду), в котором хаотично расположены зёрна песка и щебня (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Структура бетона: 1 — цементный камень; 2 — щебень; 3 — песок; 4 — поры, заполненные воздухом и водой

Процесс твердения бетона при благоприятных температурно-влажностных условиях может длиться годами и носит затухающий характер. Этот процесс является экзотермическим, т. е. он идёт с выделением большого количества тепла.

Существенно важным фактором, влияющим на структуру и прочность бетона, является водоцементное отношение W/С — отно­шение веса воды к весу цемента в единице объёма бетонной смеси. Для успешного протекания реакции схватывания цемента и тверде­ния цементного камня необходимо, чтобы W/C ≥ 0,2. Однако для достижения хорошей удобоукладываемости бетонной смеси прихо­дится принимать W/C = 0,35…0,7, т. е. вводить воду с избытком. Излишек воды в дальнейшем постепенно испаряется, и в цементном камне образуются многочисленные каналы (называемыми ещё пора­ми или капиллярами), заполненные химически несвязанной водой, водяным паром и воздухом, которые оказывают давление на стенки. Это снижает прочность бетона и увеличивает его деформативность.

Общий объём пор в затвердевшем цементном камне достаточно велик и составляет при обычных условиях твердения бетона пример­но 25…40% от его видимого объёма. Причём, размеры поперечного сечения пор весьма малы: 60…80% от общего количества всех пор имеют размеры поперечного сечения, не превышающие 0,001 мм. С уменьшением W/C

пористость цементного камня уменьшается, а прочность бетона повышается. Кроме того, бетоны из жёстких смесей (W/C = 0,3…0,4) при прочих равных условиях обладают меньшей деформативностью, требуют меньшего расхода цемента.

Процессы постепенного уменьшения объёма геля, кристаллооб­разования, испарения избыточной воды, происходящие в бетоне в те­чение длительного времени, обусловливают ряд его специфических свойств: изменение его прочности во времени, усадку, ползучесть.

3.2 Структура бетона

Структура бетонной смеси сохраняется и при затвердевании.

  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 3.2.1 показаны основные типы структур.

Рис. 3.2.1 — Основные типы макроструктуры бетона: 1 — плотная; 2 — плотная с пористым заполнителем; 3 — ячеистая; 4 — зернистая;

Rб — средняя прочность структуры;R1 иR2 — прочности составляющих бетона.

Бетон представляет собой сложную многофазную систему, состоящую из цементного камня с равномерно распределенными в нем включениями в виде зерен песка и крупного заполнителя, а также более или менее мелких пор, заполненных водными растворами минеральных веществ и воздухом.

Плотная структура имеет контактное расположение заполнителя, когда его зёрна соприкасаются через тонкую прослойку цементного камня, и «плавающее» расположение заполнителя, когда его зёрна значительно удалены друг от друга. Плотная структура состоит из сплошной матрицы твёрдого материала (цементного камня), в которую вкраплены зёрна другого твёрдого материала (заполнителя), достаточно прочно связанные с материалом матрицы. Ячеистая структура отличается тем, что в сплошной среде твёрдого материала распределены поры различных размеров в виде отдельных условно замкнутых ячеек. зернистая структура – совокупность скреплённых между собой зёрен твёрдого материала. Пористость зернистой структуры непрерывна.

Для тяжёлых бетонов характерна плотная структура, для лёгких конструктивных – плотная структура с пористыми включениями, ячеистые бетоны имеют ячеистую структуру, крупнопористые – зернистую.

Бетон проектируемого состава имеет плотную макроструктуру, состоящую из цементного камня, в которую вкраплены зёрна заполнителя, достаточно прочно связанные с цементным камнем.

4 Технологические свойства

Бетонная смесь состоит из цементного теста, мелкого и крупного заполнителя. Каждый из этих компонентов влияет на вязкопластичные свойства смеси.

По физическому состоянию бетонная смесь занимает особое, промежуточное, положение между жидкостями и твердыми телами.

Подобно твердому телу смесь, находящаяся в состоянии покоя, обладает упругостью и прочностью структуры. Когда прочность структуры преодолевается, бетонная смесь подобна вязкой жидкости.

Эти особенности проявляются в процессе транспортирования, укладки и уплотнения смеси. Под влиянием внешних механических усилий — силы тяжести, давления в бетононасосе, вибрирования — нарушается взаимодействие между составляющими бетонной смеси, что приводит к уменьшению ее структурной прочности.

Бетонная смесь разжижается и приобретает способность перемещаться по трубопроводам и заполнять опалубку под действием силы тяжести.

Явление разжижения бетонной смеси обратимо: после прекращения механического воздействия прочность структуры вновь возрастает.

Свойство бетонной смеси разжижаться при механическом воздействии и вновь загустевать в спокойном состоянии, называемое тиксотропией, используют при перекачивании бетононасосами, виброуплотнении бетона, формовании изделий способом немедленной распалубки.

В практике производства бетонных работ для оценки свойств бетонной смеси используют технические характеристики. Самая важная характеристика — удобоукладываемость, т. е. способность бетонной смеси заполнять форму и образовывать в результате уплотнения плотную, однородную массу. Для оценки удобоукладываемости используют три показателя: подвижность, жесткость и связность смеси.

Подвижность бетонкой смеси определяют по осадке стандартного конуса.

 

 

Усеченный конус изготовляют из тонкой листовой стали следующих размеров: высота — 300 мм, диаметр нижнего основания — 200, верхнего — 100 мм. Конус устанавливают на горизонтальной площадке, не впитывающей влагу, и наполняют бетонной смесью в три приема, каждый раз уплотняя смесь 25 ударами металлического стержня-штыковки. Поверхность смеси заглаживают, затем конус снимают и устанавливают рядом. Под действием силы тяжести бетонная смесь деформируется и оседает. Разность высот металлической формы-конуса и осевшей бетонной смеси, выраженная в сантиметрах, характеризует подвижность смеси и называется осадкой конуса (ОК). С помощью этого показателя оценивают подвижность пластичных бетонных смесей.

Прибор представляет собой металлический цилиндр диаметром 240 мм и высотой 200 мм. Цилиндр устанавливают на лабораторную виброплощадку со стандартными характеристиками частоты (50 Гц) и амплитуды колебаний (0,5 мм в ненагружен-ном состоянии). Затем в цилиндр вставляют конус и заполняют его бетонной смесью так же, как и при определении подвижности. После этого конус снимают и, поворачивая штатив, опускают стальной диск с отверстиями на бетонную смесь. Включив виброплощадку, смесь подвергают вибрации до тех пор, пока цементное тесто не начнет выделяться из всех отверстий диска. В этот момент вибратор выключают. Время, необходимое для уплотнения смеси в приборе, называют показателем жесткости бетонной смеси (Ж) и выражают в секундах.

В зависимости от удобоукладываемости по СТБ 1035-96 различают смеси сверхжесткие, жесткие, низкопластичные, пластичные и литые

Жесткие бетонные смеси содержат небольшое количество воды. При их уплотнении требуется сильное механическое воздействие, например прессование, вибрирование под пригрузом, вибротрамбование. Такие смеси характеризуются также небольшим расходом цемента. Жесткие смеси обычно используют при изготовлении сборных железобетонных изделий и конструкций на заводах и домостроительных комбинатах, оборудованных мощными уплотняющими устройствами. На стройплощадке жесткие смеси применяют редко.

В подвижных смесях воды содержится больше, чем в жестких. Бетонные смеси марок ПЗ…П5 способны заполнять форму под действием силы тяжести, не требуя значительных механических усилий. Подвижные смеси легко поддаются транспортированию по трубопроводам с помощью бетононасосов.

Связность — это способность бетонной смеси сохранять однородную структуру, т. е. не расслаиваться в процессе транспортирования, укладки и уплотнения. В результате уплотнения смеси частицы сближаются, а часть воды как наиболее легкого компонента отжимается вверх, образуя капиллярные ходы и полости под зернами крупного заполнителя. Крупный заполнитель, плотность которого отличается от плотности растворной части (смеси цемента, песка и воды), также перемещается в теле бетонной смеси. Если заполнитель плотный и тяжелый, например гранитный щебень, то его частицы оседают, а легкие пористые заполнители — керамзит, аглопорит — всплывают. Все это ухудшает структуру бетона, делает его неоднородным, увеличивает водопроницаемость и снижает морозостойкость. Чтобы повысить связность и предотвратить расслоение бетонной смеси, необходимо правильно назначать количество мелкого заполнителя в составе бетона, а также сокращать расход воды затворения, используя пластифицирующие добавки.

Применение пластифицирующих добавок — наиболее эффективный способ регулирования удобоукладываемости бетонных смесей и раствора. Добавки значительно сокращают расход воды, что позволяет увеличивать плотность, прочность и морозостойкость бетона. Если необходимо сохранять прочность бетона на заданном уровне, то пластифицирующий эффект используют для уменьшения расхода цемента. Добавки увеличивают связность бетонных смесей, предотвращая их расслоение.

Качество приготовленной бетонной смеси на стройплощадке можно определить по ее внешнему виду. Хорошо перемешанная и правильно подобранная смесь однородна, а зерна крупного заполнителя покрыты раствором, т. е. смесью цемента, песка и воды. Пластичная смесь не должна расслаиваться. Жесткая смесь похожа на влажную землю и плохо уплотняется штыкованием.

Структура цементного бетона: разновидности, классификация

Бетон — строительный материал, искусственно созданный человеком. Структура бетона очень сложна, несмотря на то, что ключевых составляющих компонента — цемента, песка, воды и щебня — всего четыре. В зависимости от требуемой марки изделия на выходе при изготовлении используется различное пропорциональное соотношение основных ингредиентов. Многовековой опыт производства позволяет изготавливать раствор наивысшего качества.

Общие сведения о составе

В результате схватывания бетонной смеси и дальнейшего твердения изделия возникает структура стройматериала. Основное действие на ее создании дают цементная гидратация, а также схватывание и твердение самого цемента. В состав бетонных растворов входят:

• Цемент — связывающий элемент. Лежит в основе замешивания бетона и строительного раствора. Иногда цемент заменяют известью.
• Песок. Зерна должны быть крупностью 0,1—5 мм. Именно такие песчинки округлой формы позволят легко вбивать в бетонный раствор строительные материалы, такие как кирпич или бетонные плиты.
• Крупный заполнитель — щебень, который, в свою очередь, делится на подвиды:
  • известняк;
  • гравий;
  • гранит.
• Вода. На нее возложена ключевая функция — формирование компонентов в единое целое вещество.

Используя только питьевую воду для изготовления бетон, можно достигнуть максимально качественного продукта

Разновидности структур

Одним из типов структуры бетона является ячеистый, у которого есть пустоты, не соединены между собой.

Процесс затвердевания длится несколько месяцев и зависит от температуры воздуха и влажности окружающей среды. Структурно вещество можно описать как пространственную решетку из цементных камней, заполненную щебнем, песком, с большим присутствием количества пор и капилляров. Главные технические параметры бетона, напрямую зависящие от его состава: деформативность, прочность, стойкость, долговечность. У правильно приготовленной смеси структура остается сохраненной при затвердевании. Классифицируется она по плотности и подразделяется на 4 типа — плотная структура, с пористым заполнителем, ячеистая и зернистая:

• Твердая основа, в частности цементный камень, куда внедрены зерна еще одного твердого вещества относится к плотному структурному строению.
• Вещество с внесенным в него пористым заполнителем, благодаря которому образуется мощное сцепление после проникновения цементных камней в поры — это пористый тип.
• У ячеистой структуры присутствуют пустоты, они не соединены между собой. Различают крупнопористый и мелкопористый ячеистый бетон. Этот параметр обуславливается концентрацией пустот.
• Зернистая структура представлена бетоном, где зерна твердого материала скрепились между собой.

От чего зависит качество бетона?

Плотность залитого материала обеспечивает защиту металлического каркаса от коррозии.

В строительстве важно учитывать объемную деформацию материала: усадку (при затвердевании уменьшается объем) и набухание (увеличение объема при застывании в воде), а также качественное соблюдение таких характеристик вещества:

• Прочность, отвечающая за несущую способность конструкций;
• Плотность, обеспечивающая защиту арматуре от коррозии;
• Морозостойкость, жаростойкость и коррозийная стойкость, если того требует среда эксплуатации.

Материалы с плотной структурой — самые прочные, самую малую имеют зернистые вещества. Наибольшие водопоглощение и проницание присущи материалам зернистого строения, следом идут ячеистые вещества и плотные материалы. Структура у бетона неоднородная. Отдельные участки материала существенно отличаются характеристиками. Разнятся своими качествами заполняющие бетон вещества и цементные камни, и также их отдельные зерна. Они влияют на суммарные параметры стройматериала. Именно из-за этого нюанса выделяют макро- и микроструктуру модели бетона. В макроструктуре использован крупный заполнитель. А конкретно: песок и цементный камень, воздушные поры. Микроструктура складывается из продуктов гидратации цемента, гелевых и капиллярных пор и остатков зерен цемента. Она видна лишь при увеличении микроскопом.

Классификация бетонных смесей

По требованию ГОСТ бетон обозначается индексами: марка М (предел прочности на сжатие), класс В, подвижность П (способность вещества заполнять форму), морозостойкость F (кол-во циклов замерзания-оттаивания), водонепроницаемость W (не пропускает воду под давлением).

Марку бетона подбирают в зависимости от предполагающей нагрузки на сооружение, например, для полов применяется М200.

Смеси с низкими индексами применяются для выравнивания основания, подготовки для основного слоя. Марка М200 одна из самых популярных. Ей заливают стяжки, формируют полы, прокладывают дорожки, производят литые изделия, в том числе лестницы, подпорки. М400 — материал высокой прочности. Используют для колонн, опор, там, где он испытывает повышенные нагрузки. Цементы с маркировкой от М800 необходимы для особых работ в строительстве и горной промышленности и используются крупными мировыми компаниями. Структура бетонного раствора обуславливает основные характеристики изделия, представленные в таблице:

Марка	Класс	Морозостойкость, F	Водонепроницаемость, W
М100	B7,5	F50	W2
М150	B12,5	F50	W2
М200	В15	F100	W4
М250	В20	F100	W4
М300	В22,5	F200	W6
М350	В25	F200	W8
М400	В30	F300	W10
М450	В35	F200-F300	W8-W14
М550	В40	F200-F300	W10-W16
М600	В45	F100-F300	W12-W18

Заключение

Без использования гелеобразной цементной смеси не может обойтись ни одна стройка. Структура бетона влияет на прочность и деформативность строительного объекта в целом. Упругопластические свойства материала определяются многочисленными опытами, проведенными как в лаборатории, так и наблюдениями за структурными изменениями в натурных условиях.

Структура бетона

Она определяется входящими компонентами (размер, форма), их количеством и взаимным расположением, а также связями между ними. Важнейшим элементом структуры является пористость.

Бетон имеет очень сложную структуру. Ее элементы отличаются по размерам в миллион раз (от крупного заполнителя до частиц гидросиликатов), размеры пор (от воздушных до гелевых) — в сотни тысяч раз. Поэтому одного масштаба для ее рассмотрения недостаточно. Принято выделять микро- и макроструктуру бетона.

Микроструктура бетона

Это тонкая структура цементного камня. Лишь отдельные ее элементы имеют размер более 1 мкм. Поэтому только остатки зерен цемента и самые крупные капиллярные поры можно различить в оптический микроскоп. Поэтому структура цементного камня изучается методами электронной микроскопии, а также косвенными методами (например адсорбционными, позволяющими определять удельную поверхность продуктов гидратации).

Микроструктура бетона формируется в процессе длительного твердения.

 

В бетоне зрелого возраста она включает:

• остатки зерен цемента;
• продукты гидратации цемента;
• поры (капиллярные и гелевые).

При этом остатки зерен цемента покрыты оболочками из продуктов гидрадации, которые, срастаясь, и образуют жесткую структуру цементного камня. Взаимосвязанные пустоты между этими оболочками представляют собой капиллярные поры.

Остатки зерен цемента в бетоне 28-дневного возраста составляют 40-50% от их исходного количества. Причиной их сохранения даже в бетоне многолетнего возраста является низкая проницаемость окружающих их оболочек из продуктов гидратации. Это приводит к недостаточному использованию цемента. Степень гидратации отдельных зерен зависит от их размера. К 28-дневному возрасту глубина их гидратации составляет примерно 4 мкм. Поэтому зерна размером до 8-10 мкм за это время полностью или почти полностью реагируют с водой. При большем размере зерен гидратирует лишь их оболочка и сохраняется тем большая часть, чем крупнее были их исходные размеры.

При благоприятных условиях зерна размером 20 мкм могут полностью прореагировать с водой через 3 года. Поэтому в бетоне всегда присутствуют остатки зерен цемента. Их размер достигает нескольких десятков микрометров. В то же время повышение тонкости помола уменьшает их количество и размеры и улучшает степень использования цемента.

Для эксплуатационных свойств бетона наличие остатков зерен цемента имеет положительное значение. Во-первых, благодаря им твердение бетона продолжается длительное время — месяцы и годы. При этом свойства бетона, в том числе и прочность, продолжают улучшаться, конструкции становятся более надежными. Если загружение конструкции происходит через значительное время после изготовления, это позволяет назначать больший стандартный возраст бетона и получать экономию цемента.

Во-вторых, благодаря наличию так называемого «клинкерного фонда» в бетоне может происходить самозалечивание микротрещин. Они могут появляться при твердении и эксплуатации бетона по разным причинам. Если бетон находится во влажных условиях или периодически увлажняется, в них попадает влага. Вследствие разрыва трещинами гелевых оболочек она получает доступ к остаткам зерен цемента. Начинается активная гидратация, ее продукты откладываются в трещине, заполняя и «залечивая» ее.

Продукты гидратации, слагающие оболочки вокруг зерен цемента, включают гелевидную и кристаллическую составляющие. При этом основную роль играет гидросиликатный гель, занимающий в среднем 75% их объема. Именно он определяет технические свойства цементного камня. Кристаллическая составляющая имеет размеры частиц более 0,1 мкм, а самые крупные кристаллы Са(ОН)₂ и гидросульфоалюмината даже более 1 мкм. Нередко все продукты гидратации, несколько упрощая ситуацию, называют гелем.

Частички гидросиликатов обычно покрыты слоями сильно сорбированной воды. Она может начать испаряться лишь на воздухе низкой влажности, меньше 45%, после полного осушения капилляров. А полностью влага геля теряется при ф = 0%. При этом частички геля сближаются, а некоторые могут срастаться химически.

Но в обычных условиях эксплуатации гелевые поры большей частью или полностью заполнены влагой. Частички геля притягиваются друг к другу через водные прослойки относительно слабыми силами межмолекулярного притяжения. Но так как эти частицы очень малы — в сотни раз мельче, чем зерна цемента, — количество контактов между ними весьма велико. Поэтому прочность геля составляет -120 МПа. Но обычные бетоны имеют значительно меньшую прочность из-за присутствия в цементном камне капиллярных пор.

Поры (капиллярные и гелевые). Капиллярные поры расположены между гелевыми оболочками, окружающими остатки зерен цемента. Их размер от 0,01 мкм до 10мкм, аиногда и более. В порах таких размеров капиллярные силы, действующие на воду, превышают силы тяжести (откуда и название). Благодаря им капиллярные поры легко заполняются водой, она поднимается по капиллярам вверх против сил тяжести (капиллярный подсос). Капиллярные силы увеличиваются с уменьшением размера капилляров. В тонкокапиллярных системах вода может подниматься против сил тяжести на большую высоту, например, в грунтах на 6-7 м. В бетоне капилляры имеют переменное сечение и подъем воды ограничивается их максимальными размерами. Он может составить примерно 0,5 м. Капиллярный подсос может наблюдаться в фундаментах и других конструкциях, части которых контактируют с водой.

Капиллярные поры образуются той частью воды затворения, которая не пошла на химические реакции и на заполнение образовавшихся гелевых пор. Поэтому их количество зависит от избытка воды по отношению к цементу, т. е. от В/Ц. При В/Ц порядка 0,3—0,35 капиллярные поры уже к месячному возрасту полностью зарастают гелем. Но при обычных В/Ц = 0,4-0,7 они присутствуют в зрелом бетоне.

Средний размер капиллярных пор находится в диапазоне 1 — 0,1 мкм. Он уменьшается при снижении В/Ц и увеличении времени твердения бетона.

Капиллярные поры делятся на:

• Микрокапилляры (до 0,1 мкм), способные конденсировать влагу из воздуха и полностью заполняться ею. В бетоне, эксплуатируемом в воздушных условиях, они будут тем в большей степени заполнены водой, чем выше влажность окружающего воздуха.
• Макрокапилляры (более 0,1 мкм), которые заполняются водой только при непосредственном контакте с ней.

Капиллярные поры — основной дефект структуры цементного камня и бетона. Они снижают прочность бетона, являются основной причиной разрушения его морозом (вода в них начинает замерзать при—1…2 °С). Макрокапилляры являются путями фильтрации воды через бетон и проникновения в него агрессивных сред. В то же время капиллярные поры являются и основным параметром с помощью, регулирования которого (в первую очередь путем изменения В/Ц) получают бетон с нужными свойствами.

Гелевые поры находятся между частицами геля и имеют размеры 2-5 нм. Принято считать, что их содержание в геле составляет 28% и не меняется со временем. В обычных условиях эксплуатации (при относительной влажности окружающего воздуха ф > 40%) они заполнены влагой.

Поры геля настолько малы, что в каждую из них вмещается лишь несколько сотен или тысяч молекул воды. Вся она находится в сильно адсорбированном (остеклованном) состоянии.

Поэтому гелевые поры непроницаемы для воды (продавить воду через гель труднее, чем через гранит), а также для газов. Они неопасны для морозостойкости (температура замерзания воды в них ниже —70 °С). По мнению некоторых специалистов, гелевые поры дало влияют и на прочность бетона. Прочность геля (примерно 120 МПа) приближается к прочности плотных горных пород.

Пористость — основная характеристика микроструктуры бетона. Так как бетон является двухкомпонентным материалом, пористость также выражается двояко. Объем пор может быть отнесен к объему бетона и к объему цементного камня, содержащегося в нем.

Пористость достаточно легко рассчитывается как разность общего водосодержания смеси и объема химически связанной воды. При расчете капиллярной пористости вычитается также вода, адсорбированная гелем.

Количество воды в геле может быть принято равным количеству химически связанной воды. Поэтому в формулах капиллярной пористости, приведенных выше, от общего объема воды отнимается удвоенное количество химически связанной воды.

Приведенные формулы показывают еще раз, как формируется пористость бетона и цементного камня. Общая пористость определяется количеством воды, не связанной химически, капиллярная — меньше общей на объем воды, адсорбированной гелем. Но главным фактором, от которого зависит объем пор, является не водосодержание смеси, а В/Ц. Чем больше цемента в бетоне, тем большую часть воды он связывает химически и тем меньше остается свободной воды, образующей поры. Поэтому формулы учитывают и роль цемента в формировании пористости.

Таким образом, количество химически связанной воды является эквивалентом возраста бетона или степени его гидратации. При достаточной влажности бетона оно возрастает и к годовому возрасту может составить 0,18—0,2. Пористость при этом снижается на 10-15%.

Следует отметить, что приведенные выше формулы для расчета пористости не учитывают воздушную пористость бетона, составляющую обычно 1-2%. Иногда ее добавляют к результатам расчетов

Пористость бетона может быть также определена экспериментально. Простейший из применяемых способов — по водопоглощению бетона. Предполагается, что капиллярные и гелевые поры при этом заполняются водой. В то же время в капиллярах может защемляться небольшое количество воздуха и в бетоне есть воздушные поры, не заполняемые водой. Поэтому объемное водопоглощение несколько меньше, чем пористость бетона. Часто его рассматривают как открытую пористость бетона (т.е. доступную для воды). В среднем она составляет порядка 90% от общей пористости бетона. Поэтому она может использоваться для ориентировочной оценки пористости. Результат может быть уточнен при известном содержании воздушных пор в бетоне.

Более точное экспериментальное определение пористости бетона возможно при кипячении образцов в воде или их вакуумировании. Оба приема удаляют большую часть оставшегося при насыщении образцов воздуха. Возможна и «запрессовка» воды в оставшиеся воздушные пространства под давлением 15 МПа (они будут сжаты в 150 раз).

На практике в расчетах пористости обычно нет необходимости, так как используется удобный эквивалент пористости цементного камня — водоцементное отношение. Формулы прочности, а в последнее время и других свойств бетона (морозостойкости, водонепроницаемости) выражают их в зависимости от В/Ц (или обратной величины — Ц/В).

В то же время В/Ц является эквивалентом пористости только если бетоны с разными В/Ц твердеют в одинаковых условиях. Если же температурно-влажностные условия твердения или эксплуатации бетонов отличаются, их гидратация протекает с разной скоростью и в разной степени. Тогда В/Ц уже не может рассматриваться как эквивалент пористости бетона.

Микроструктура бетона в основном формируется к его месячному возрасту. Если бетон эксплуатируется в сухих условиях, гидратация по мере его высыхания прекращается, а структура остается практически неизменной (если только усадка не вызовет образования микротрещин).

Но при эксплуатации во влажных условиях или в массивных конструкциях, медленно теряющих влагу, гидратация продолжается длительное время. Она возобновляется во «влажные» периоды и в конструкциях, подвергающихся периодическому увлажнению-высыханию. В этих случаях микроструктура продолжает изменяться, хотя и более медленно. Происходит дальнейшее уменьшение остатков зерен цемента, увеличение количества продуктов гидратации. Они откладываются на стенках капиллярных пор, уменьшая их сечение и объем и уплотняя структуру бетона. Свойства бетона при этом повышаются, причем морозостойкость и особенно водонепроницаемость в большей степени, чем прочность.

Наконец, если бетон подвергается действию мороза или агрессивных сред, возможны уже нарушения структуры. Они могут выражаться и в образовании трещин при различных условиях эксплуатации конструкций.

6 Классификация бетонов.Состав и структура бетона

Бетон – это каменный искусственный материал. Его получают в результате отвердения уплотненной смеси вязкого материала, заполнителя и воды. Не застывшую уплотненную смесь называют бетонным раствором.

Весь бетон классифицируется по применению:

а)гидротехнический – применяется при возведении гидросооружений, водоустойчив, морозостоек и водонепроницаем. б)конструкционный – применяется для построения ограждающих и несущих сооружений. в)жаростойкий – используется для изготовления специальных конструкций при повышенных температурах. г)теплоизоляционные – применяется как теплоизоляция стен, не выдерживает большие нагрузки.

Бетон различается по плотности:

А)легкий – получается при использовании легкого заполнителя или когда делается пористая структура. Б)тяжелый – самый распространенный, заполнителем является щебень твердой породы

Бетон с маленькой плотностью применяют в основном как изоляция, а тяжелый – материал конструкционный.

Бетон по внешнему вяжущему виду делится:

А)гипсовый – имеет малую водостойкость и применяется чаще для ремонта внутри помещения. Б)цементный – это бетон на портландцементе. В)полимербетоны – вяжущий полиэфирный или эпоксидный, используется в изготовлении черепицы. Г)полимерцементный – с добавкой водной дисперсии, имеют хорошую морозостойкость и водонепроницаемость

Состав бетона составляют инертные и активные составляющие. Активные составляющие – это вода и цемент. Они под гидролизом образуют цементный камень, в результате перехода в твердую фазу. Все специальные добавки бетона также считаются его активными составляющими.Инертные составляющие – это заполнители, которые не участвуют в гидролизе. Цементный камень скрепляет крупные и мелкие заполнители и образует крепкий скелет. Этот скелет выдерживает все механические нагрузки. Крупные заполнители во многих бетонах отсутствуют.

Структура бетона. Бетон можно представить как цементный камень с втопленными в него заполнителями, имеющий поры и пустоты различных размеров и разнообразного происхождения. Плотные тяжелые и легкие бетоны, как правило, характеризуются поровой макроструктурой и включают каркас заполнителей, активно влияющих на их свойства. Такая структура является рациональной, поскольку обеспечивает низкую пористость бетонов при умеренном расходе цемента. Легкие бетоны по строению отличаются от тяжелых наличием дополнительных пор в зернах заполнителей. Микроструктура бетона отражает строение цементного камня. Цементный камень представляет собой конгломерат продуктов гидратации цемента, включений негидратированных зерен клинкера, добавок и пузырьков воздуха.

схемы макроструктура бетона:

а) с базальтовой цементацией, б)поровая, в) контактная

Поры в цементном камне представлены в виде сообщающихся друг с другом каналов капилляров, разобщенных продуктами гидратации цемента (цементным гелем). По происхождению поры разделяют на поры геля и капиллярные поры. Капиллярные поры, образованные избыточной механически связанной водой, имеют размеры обычно более 0,1 мкм. Они ухудшают основные свойства бетона, особенно морозостойкость. Капиллярная пористость уменьшается по мере снижения водоцементного отношения, расхода воды и увеличения длительности гидратации. Наряду с капиллярными отрицательное влияние на свойства бетона оказывают поры и пустоты, являющиеся результатом плохого уплотнения. Общий объем пор в цементном камне составляет 25—40% общего объема, при этом основная доля приходится на капиллярные поры. С увеличением длительности твердения уменьшается общая пористость и объем макрокапилляров, что приводит к улучшению свойств бетона.

Наряду с процессами совершенствования структуры в бетоне со временем развиваются и деструктивные, т. е. разрушительные, процессы в основном за счет агрессивных факторов окружающей среды. Активным средством управления структурой являются поверхностно-активные и другие добавки.

Структура бетона | Будмаш

Структура бетона

Структура бетонной смеси сохраняется и при затвердевании. На свойства бетона определяющее влияние оказывает его плотность или пористость. При прочих равных условиях объем и характер пористости определяют его основные технические свойства, долговечность, стойкость в различных условиях. Поэтому структура бетона классифицируется по ее плотности.

Основные типы структур показаны на рис. 5.

 

Рисунок 5. Основные типы микроструктуры бетона:

 

1. 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.

Плотная структура, в свою очередь, может иметь разное 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.

2. Плотная структура с пористым заполнителем.

3. Ячеистая структура отличается тем, что в сплошной среде твердого материала распределены поры различных размеров в виде отдельных условно замкнутых ячеек.

4. Зернистая структура представляет собой совокупность скрепленных между собой зерен твердого материала. Пористость зернистой структуры непрерывна и аналогична пустотности сыпучего материала.

Наибольшей прочностью обладают материалы с плотной структурой, наименьшей – с зернистой. Плотные бетоны менее проницаемы, чем ячеистые, а те, в свою очередь, менее проницаемые, чем бетоны зернистой структуры. Последние обладают наибольшим водопоглощением.

Подразделение на приведенные типы структур условно, в действительности структура бетона отличается большей сложностью.

Большое влияние на свойства бетона оказывает размер зерен, пор или других структурных элементов. В связи с этим в бетоне можно выделить макроструктуру и микроструктуру.

Макроструктура. В качестве структурных элементов здесь будут: крупный заполнитель, песок, цементный камень, воздушные поры.

Микроструктура. Это микроструктура цементного камня, которая состоит  из непрореагировавших зерен цемента, новообразований и микропор различных размеров. По своему составу она напоминает бетон – если считать непрореагировавшие зерна заполнителем.

Структура бетона неоднородна. Отдельные объемы материала могут значительно отличаться по своим свойствам, что оказывает заметное влияние на суммарные свойства материала. Могут различаться по своим свойствам не только цементный камень и заполнитель, но и отдельные зерна заполнителя друг от друга и отдельные микрообъемы цементного камня.

Неоднородна и контактная зона, в ней содержатся более или менее дефектные места, непрореагировавшие зерна, микротрещины и другие элементы, снижающие однородность материала. На рисунке 6 наглядно видна неоднородность структуры, включающей плотный и прочный материал с разными свойствами, переходные зоны, пустоты. Неоднородность структуры обусловливает неоднородность прочности бетона по объему.

На качество структуры бетона кроме различия в структуре и свойствах составляющих, влияет их распределение по микро- и макрообъемам бетона, в том числе равномерность распределения жидкой и воздушной фазы в первоначально сформированной структуре бетона (в момент окончания схватывания).

Неоднородность структуры и свойств требует применения к оценке бетона вероятностно-статистических методов и должна учитываться при проектировании и организации производства бетонных и железобетонных конструкций.

 

Рисунок 6. Элементарная ячейка структуры бетона:

1 – зерна заполнителя;

2 – контактная зона;

3 – зона ослабленной структуры вследствие седиментации;

4 – воздушные пузырьки;

5 – зона уплотненной структуры;

6 – крупные седиментационные поры.

 

 

 

 

Купить бетономешалку

3.2 Структура бетона

Структура бетонной смеси сохраняется и при затвердевании.

  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 3.2.1 показаны основные типы структур.

Рис. 3.2.1 — Основные типы макроструктуры бетона: 1 — плотная; 2 — плотная с пористым заполнителем; 3 — ячеистая; 4 — зернистая;

Rб — средняя прочность структуры;R1 иR2 — прочности составляющих бетона.

Бетон представляет собой сложную многофазную систему, состоящую из цементного камня с равномерно распределенными в нем включениями в виде зерен песка и крупного заполнителя, а также более или менее мелких пор, заполненных водными растворами минеральных веществ и воздухом.

Плотная структура имеет контактное расположение заполнителя, когда его зёрна соприкасаются через тонкую прослойку цементного камня, и «плавающее» расположение заполнителя, когда его зёрна значительно удалены друг от друга. Плотная структура состоит из сплошной матрицы твёрдого материала (цементного камня), в которую вкраплены зёрна другого твёрдого материала (заполнителя), достаточно прочно связанные с материалом матрицы. Ячеистая структура отличается тем, что в сплошной среде твёрдого материала распределены поры различных размеров в виде отдельных условно замкнутых ячеек. зернистая структура – совокупность скреплённых между собой зёрен твёрдого материала. Пористость зернистой структуры непрерывна.

Для тяжёлых бетонов характерна плотная структура, для лёгких конструктивных – плотная структура с пористыми включениями, ячеистые бетоны имеют ячеистую структуру, крупнопористые – зернистую.

Бетон проектируемого состава имеет плотную макроструктуру, состоящую из цементного камня, в которую вкраплены зёрна заполнителя, достаточно прочно связанные с цементным камнем.

4 Прочность бетона при сжатии

Качество бетона и его работа в конструкции и в сооружениях определяются его свойствами. Важнейшее свойство — прочность.

Прочность – механическое свойство материала, выражающееся в его способности в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям, возникающих под влиянием механических, тепловых и других факторов.

Основной показатель, которым характеризуется бетон — прочность на сжатие. В рабочих чертежах конструкций или в стандартах на изделия обычно указывают требования к прочности бетона, его класс или марку. Для конструкций, которые проектируют с учетом требований прочность бетона на сжатие характеризуется классами. Класс бетона определяется величиной гарантированной прочности на сжатие с обеспеченностью 0,95. ГОСТ 26633 – 91 “Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия” устанавливает 19 классов бетона от B3,5 по B80; для ячеистых бетонов ГОСТ 25485 – 89 “Бетоны ячеистые. Технические условия” устанавливает 12 классов от B0,5 по B15.

На производстве контролируют среднюю прочность или марку бетона. Между классом бетона и его средней прочностью имеется зависимость:

B=R*(1-t*v), (1.9)

где B – класс бетона по прочности, МПа, R – средняя прочность, которую следует обеспечить при производстве конструкций, МПа;

t – коэффициент, характеризующий принятую при проектировании обеспеченность класса бетона;

v – коэффициент вариации прочности бетона.

Средняя прочность или марка тяжелого бетона определяется пределом прочности (МПа) при сжатии стандартных бетонных кубов 15x15x15 см, изготовленных из рабочей бетонной смеси в металлических формах и испытанных в возрасте 28 суток после твердения в нормальных условиях (температура 15 … 20 °С, относительная влажность окружающего воздуха 90 … 100 %) . В строительстве используют (в соответствии с ГОСТ 26633 – 91) 17 марок от M50 до M1000.

На производстве необходимо обеспечить среднюю прочность или заданную марку бетона. Превышение заданной прочности допускается не более чем на 15%, так как это ведет к перерасходу цемента.

Кубы размером 15x15x15 см применяют в том случае, когда наибольшая крупность зерен заполнителя 40 мм. При другой крупности заполнителя можно использовать кубы иных размеров, однако размер ребра контрольного бетонного образца должен быть примерно в три раза больше максимальной крупности зерен заполнителя.

Прочность бетона в определенный срок при твердении в нормальных условиях зависит главным образом от прочности цемента и водоцементною отношения. Под водоцементным отношением понимают отношение массы воды к массе цемента в свежеизготовленной бетонной смеси, причем учитывают только свободную, не поглощенную заполнителем воду.