Структура бетона: Структура бетонной смеси и бетона

Структура бетонной смеси и бетона

Категория: Бетонные работы

Структура бетонной смеси и бетона

Бетонная смесь представляет собой многокомпонентную систему, состоящую из цемента, воды и заполнителя. Заполнитель, в свою очередь, также является совокупностью мелких и крупных частиц. В ряде случаев в смесь вводят специальные добавки. В процессе ее приготовления часть объема занимает воздух. Таким образом, смесь представляет собой многофазную среду, которая по сбоим свойствам занимает промежуточное положение между вязкими жидкостями и сыпучими средами.

Свойства смеси зависят от количественного соотношения различных фаз, которые в целом определяют ее структуру.

По количественному состоянию растворной составляющей и заполнителя можно выделить три типа структур бетонной смеси.

В первой структуре зерна крупного заполнителя раздвинуты и не взаимодействуют между собой. Такая структура отличается более высоким содержанием цементного теста, и ее свойства в целом определяются этим компонентом. Это так называемая смесь с плавающим заполнителем, который при транспортировании, укладке и уплотнении смеси может оседать или всплывать, что значительно снижает однородность бетона и его прочностные характеристики.

Во второй структуре цементная прослойка только незначительно раздвигает заполнитель и его зерна перекрывают друг друга — образуется плотная упаковка заполнителя. В отличие от первого типа рассматриваемая структура обладает меньшими подвижностью и текучестью.

Третья структура представляет собой крупнопористую смесь с недостатком цементного теста, зерна заполнителя контактируют друг с другом. В пространстве между частицами имеются воздушные полости.

Анализируя три типа структур, можно сделать вывод, что в первом случае наблюдается избыток цементного теста, в последнем — недостаток. Физико-механические свойства бетона структуры первого типа определяются только свойствами цементного теста, в бетонах структуры второго, а особенно третьего типов заполнители существенно влияют на физико-механические и технологические свойства смеси. Бетоны второй и третьей структур характеризуются меньшим расходом цемента, что снижает их стоимость, но усложняет процесс укладки и получения плотных бетонов.

Структура тяжелых бетонных смесей относится ко второму типу. Эти смеси наиболее экономичны, легко уплотняются, образуя достаточно плотную структуру. Цементное тесто играет роль смазки между частицами заполнителя; при повышении водоце-ментного отношения свойства смеси приближаются к свойствам вязкой жидкости. Такая смесь хорошо транспортируется и укладывается в дело.

Вода в бетонной смеси находится в двух состояниях: химически связанном и свободном. Химически связанная — это вода, необходимая для процесса твердения (гидратации) цемента, она вступает в реакцию с цементом. Свободная вода в виде тонких пленок обволакивает частицы заполнителя. С увеличением содержания воды повышается подвижность цементного теста, но, как правило, снижаются его связующие свойства.

На свойства бетона существенное влияние оказывает плотность или пористость бетонной смеси. С учетом этого фактора (по классификации проф. Ю. М. Баженова) структура бетона может быть разделена на четыре типа (рис. 2): плотная, с пористым заполнителем, ячеистая и зернистая.

Первый тип — плотная структура — состоит из сплошной матрицы цементного камня, в которую вкраплены зерна плотного заполнителя, достаточно прочно связанные с цементным камнем. Между зернами заполнителя может быть много прослойки (в которой они находятся как бы в плавающем положении) или немного. В случае, когда прослойка настолько тонка, что зерна контактируют между собой, прочность бетона будет определяться механическими характеристиками заполнителя и в меньшей степени матрицей цементного камня.

Второй тип состоит также из сплошной матрицы, но в нее вкраплен пористый заполнитель. При этом цементный камень проникает в поры и неровности заполнителя, чем обеспечивается их прочное сцепление, и основную прочность несет матрица, которая служит как бы каркасом в системе.

Третий тип — ячеистая структура, которая представляет собой матрицу с пустотами, причем пустоты замкнуты и не соединяются друг с другом. В зависимости от концентрации пустот и размеров ячеек могут быть крупно- и мелкопористые ячеистые бетоны.

Четвертый тип — зернистая структура — представляет собой совокупность скрепленных между собой зерен твердого материала. Пористость такого материала непрерывна, т. е. воздушные поры сообщаются друг с другом.

Наибольшей прочностью из всех рассмотренных обладают плотные структуры бетона.

Мы рассмотрели так называемые макроструктуры бетонов, т. е. структуры, видимые невооруженным глазом. Определенное влияние на свойства бетона оказывает также микроструктура бетона. Изменяя минералогический состав вяжущего и условия твердения, можно получать различные микроструктуры цементного камня: ячеистую, зернистую, волокнистую или сотовую.

Рис. 2. Макроструктура бетонов: / — плотная. // — плотная с пористым заполнителем, III — ячеистая, IV — зернистая; 1 — матрица из цементного камня, 2 — заполнитель

Микроструктура существенное влияние оказывает на прочность матрицы и в целом бетона. Оценивают ее и рассматривают под микроскопом.

Бетонные работы — Структура бетонной смеси и бетона

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.

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 — презентация онлайн

КАЗАХСКАЯ ГОЛОВНАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ
Дисциплина «Технология бетона-1»
Лекция 7. Структура бетона
Акад.проф.Колесникова И.В.
УРОВНИ СТРУКТУРЫ БЕТОНА
МАКРОСТРУКТУРА
Бетон — как система «матрица(растворная составляющая) – контактная
зона-крупный заполнитель».
В матрице рассматриваются поры – пространства различного
происхождения, не заполненные растворным веществом
МЕЗОСТРУКТУРА
Бетон — как система «матрица (цементный камень)-контактная зонамелкий заполнитель»
МИКРОСТРУКТУРА
Строение цементного камня.
В цементном камне выделяют кристаллический сросток (каркас),
цементный гель («цементный клей») и поры
КЛАССИФИКАЦИЯ МАКРОСТРУКТУРЫ :
— по содержанию и размещению цементного камня
— по плотности
Основные типы макроструктуры бетона: а – плотная; б – плотная с
пористым заполнителем; в – ячеистая; г – зернистая: Rб – средняя
прочность структуры; R1и R2 – прочности составляющих бетона
Плотная структура 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.
Анизотропность (изотропность) макроструктуры бетона
Неоднородность макроструктуры бетона
Элементарная ячейка
структуры бетона
1 – зерна заполнителя;
2– контактная зона;
3–зона ослабленной структуры вследствие
седиментации;
4– воздушные пузырьки;
5 – зона уплотнений структуры;
6 –крупные седиментационные поры
В контактной зоне содержатся более или менее дефектные места,
непрореагировавшие зерна, микротрещины.
Структура бетона доброкачественная, если В/Ц ист =(0,86…1,65)НГ
Прочность бетона с лещадным
заполнителем
МИКРОСТРУКТУРА БЕТОНОВ
Характеризуется строением цементного камня
Микроструктура цементного камня состоит из :
— непрореагировавших зерен цемента
— новообразований
— микропор различных размеров
По своему строению она напоминает бетон (если считать
непрореагировавшие зерна заполнителем). Проф. В. Н. Юнгом
подобная структура была образно названа «микробетоном».
Новобразования
-гидросиликаты кальция.
Состав и строение гидросиликатов зависят от отношения СаО к
SiO2(C/S). Наиболее распространены гидросиликаты кальция
тоберморитовой группы. При нормальном твердении образуются
минералы типа CSH (I) и CSH (II).
CSH (I) — гидросиликаты кальция переменного состава с
соотношением C/S = 0,8 … 2,
CSH(II) — гидросиликаты кальция с соотношением C/S = 1 … 1,5
С – S – Н — полукристаллические и аморфные формы гидросиликата
кальция
— кристаллы гидроксида кальция (минерал портландит) выделяются в
поровом пространстве между клинкерными зернами, на поверхности
воздушных пор, в системе гидросиликатного геля, иногда срастаясь с
кристаллами других минералов.
— гидроалюминаты кальция и гидросульфоалюминаты
Микроструктура
бетона зависит
от:
— минералогичес
кого состава
вяжущего
— условий
твердения
— микроструктур
ы и природы
заполнителя
Неоднородность микроструктуры обусловлена:
— участками, сложенными различными минералами
— глобулами цементных зерен с постепенно убывающей к их
поверхности плотностью
— контактной зоной между глобулами, состоящей из различных
новообразований
— распределением и различными характеристиками микропористости
— дефектами структуры
Микрорасслоение : отдельные объемы цементного камня имеют
различное В/Ц и, соответственно, структуру
ПОРИСТОСТЬ БЕТОНА
Бетон — капиллярно-пористое тело.
Классификация пор бетона
1.По происхождению:
— рецептурная пористость, обусловленная составом бетонной смеси, в том
числе наличием порообразующих добавок
— собственная(контракционная) пористость
— технологическая пористость, обусловленная процессами при
уплотнении смеси и твердении бетона (пустоты вследствие
недоуплотнения, дефекты в структуре вследствие нерационального
режима тепловлажностной обработки и т.п.)
— эксплуатационная, обусловленная изменениями в структуре бетона
вследствие воздействия агрессивных сред либо силовых факторов
2. По отношению к воде различают пористость (см. раздаточный материал):
— открытую, доступную для насыщения водой при обычных условиях
— условно-замкнутую, недоступную для насыщения водой при обычных
условиях
— капиллярную, способную удерживать воду внутри пор при действии силы
тяжести (вода не вытекает из этих пор при извлечении бетона из воды).
Капилляры разделяют на макро – и микрокапилляры. Из
микрокапилляров вода испаряется при относительной влажности воздуха
более 75%
— некапиллярную, не способную удерживать воду внутри пор при действии
силы тяжести
3.По размеру различают пористость (существуют различные классификации
пористости – см. раздаточный материал) :
— макро (более 1000 А)
— мезо (15-1000 А)
— микро (6-15 А)
— ультрамикро ( менее 6 А)
СНИЖЕНИЕ ПОРИСТОСТИ БЕТОНА
возможно за счет:
-уменьшения величины В/Ц, водосодержания бетонной смеси
-повышения степени гидратации цемента, обеспечивая длительное
твердения бетона в благоприятных условиях
-уменьшения объема цементного камня в бетоне (цементный камень
является «носителем пористости в бетоне)
-уплотнения бетона применением механического воздействия,
химических добавок

Структура бетона

Структура бетона

Структура является важнейшей характеристикой материалов.

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 расчетовПористость 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.

www.uniexo.ru

5.2. Формирование структуры 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 3-х кальциевого 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 гидротации, 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…6ч. Вторую стадию замедленной гидротации 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, что может быть объяснено следующим образом. Покрытие гелем зерна цемента образуют вокруг себя сольватный слой и имеют положительный -потенциал. Совместное действие сольватного слоя и электрического заряда препятствует непосредственному контакту между соприкасающимися зернами. Вместе с тем эти зерна испытывают межчастичное притяжение, по крайней мере на некоторых пограничных участках. Силы отталкивания и притяжения уравновешиваются на некотором расстоянии от поверхности раздела, где потенциальная энергия частиц минимальна. Цементное тесто под действием этих сил 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. 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 процесса гидротации. 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 гидросиликатов кальция и эттрингита в виде длинных волокон, которые образуются одновременно. Волокна новообразований проходят через поры, разделяют их на более мелкие и создают пространственную связь, усиливая сцепления между гидратными фазами и зернами цемента. С увеличением содержания гидратных фаз между ними возникают непосредственные контакты, число которых увеличивается – цементное тесто схватывается, затвердевает, образуется цементный камень.

Образовавшаяся жесткая структура сначала является очень рыхлой, но постепенно она уплотняется: в заполненных водой порах этой структуры непрерывно появляются новые гидратные фазы. Объем пор и их размеры уменьшаются, возрастает количество контактов между новообразованиями, утолщаются и уплотняются гелевые оболочки на зернах цемента, срастающиеся в сплошной цементный гель, с включением непрореагировавших центров цементных зерен. В результате возрастает прочность цементного камня и бетона. Схематический процесс преобразований, происходящих в системе цемент-вода в процессе гидратации цемента, показан на чертеже (рис.1).

Ф. Лохтер и В. Рихартц предложили обобщенную схему процесса гидратации цемента и структурообразования цементного камня, которая показывает изменения во времени объема различных новообразований и пористости цементного камня(рис.2 чертежа). Схема учитывает возможный переход части образовавшегося эттрингита в моносульфат после того, как весь двуводный гипс, введенный в цемент для увеличения сроков схватывания, вступит в реакцию с 3-хкальциевым алюминатом.

В процессе гидратации размеры пор в цементном камне уменьшаются, что, с одной стороны, приводит к затруднению доступа воды к еще не прореагировавшим объемам цемента и замедлению процесса гидратации, а с другой – к уменьшению размера частиц гидратных фаз, развивающихся в этих порах. Волокна гидросиликата кальция, образующиеся в начале гидратации, могут иметь длину 5…10нм и диаметр 0,1…0,2нм, а в конце гидратации новообразования имеют размер в 10…100раз меньше. Однако в геле полностью гидратированного цемента остаются внутренние пустоты, называемые порами геля. Размер этих пор очень мал, в них невозможно образование зародышей гидратных фаз, и поэтому они не могут зарасти новообразованиями.

Пористость геля составляет 28%. Если пористость выше, то это значит, что в еле 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, 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 не

молекулярными расчетами, а по массе

«неиспарившейся воды» при сушке по

специальной методике. Соответственно

используют обобщенное понятие «гидрати-

рованный цемент» и ряд усредненных

показателей, характеризующих физические

рис.1.Изменение объема твердой превращения цементного теста в процессе

и жидкой фазы в системе цемент- гидратации. Гидратированный цемент пред-

вода при гидратации цемента (при ставляет собой в основном коллоидно-

В/Ц0,38;

при меньших В/Ц полная гидратация Ц

при его твердении в воде невозможна.

Таким образом, при В/Ц>0,5 в бетоне всегда

рис.2.Изменение состава цемент- будут присутствовать капиллярные поры,

ного камня после полной гидра- доступные для миграции влаги, и стойкость

тации Ц в зависимости от В/Ц: его будет понижаться. При В/Ц=0,38…0,5

1-негидратированный цемент; в цементном камне могут сохраниться

2-цементный гель;3-капиллярная капиллярные и контракционные поры

вода (поры). при отсутствии притока влаги извне за счет того, что не будет полностью проходить гидратация цемента. При водном твердении эти поры частично зарастают продуктами гидратации. При В/Ц 0,38 к пористости геля добавляется контракционная пористость, а при В/Ц > 0,5 еще и капиллярная пористость.

На пористость влияет также степень уплотнения цем.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. Используя для уплотнения цементного теста значительные давления, Абрамс получил при В/Ц = 0,38 прочность цем.камня 280 МПа. При обычном уплотнении прочность бывает значительно ниже.

При низких В/Ц возрастает также роль условий выдерживания. При твердении в воде увеличивается степень гидратации цемента, уменьшается пористость цем.камня, что обеспечивает повышение его прочности.

В обычных бетонах цемент редко гидратируется полностью. При обычных сроках твердения успевает прогидратироваться только часть Ц,поэтому даже при В/Ц = 0,5 и выше в Ц сохраняются непрогидротированные зерна и значительное количество капиллярных пор.

В бетоне цем.камень в результате введения заполнителя занимает только часть объема, поэтому, хотя общий характер зависимости сохраняется, относительные их величины меньше. Если первоначальная капиллярная пористость для цем.камня при В/Ц = 0,5 достигает 61%, то в бетоне при расходе воды 170л и цемента 340кг она уменьшается до 17%. Изменение пористости бетона во времени показано на рис.3 чертежа. При изменении расхода Ц и В пористость также изменяется; ориентировочно можно считать, что для понижения капиллярной пористости на 1% необходимо уменьшить расход воды на 10л/м3 или на 20…35кг/м3 увеличить расход Ц. Понижение капиллярной пористости ведет к повышению прочности и стойкости бетона, поэтому на производстве стремятся готовить бетонную смесь с минимальным расходом воды, допустимым по условиям формования конструкции или изделия.

Оптимальное уменьшение пористости бетона можно достигнуть, если при определении его состава использовать наиболее плотную упаковку твердой фазы. Учитывая значительную разницу в размерах частиц, рационально разделить их на группы соответствия, добиваясь в каждой наиболее плотной упаковки и наименьшей пустотности. В каждой группе частицы одной фазы отличаются по размерам от частиц другой фазы на порядок и больше. Можно выделить 3 группы: щебень-песок, заполнитель-цемент, смесь цемента с заполнителем – супертонкий минеральный компонент, например, микрокремнезем. Располагаясь в пустотах щебня, песок уменьшает пустотность системы щебень-песок, цемент уменьшает пустотность системы цемент-заполнитель, а микрокремнезем заполняет наиболее мелкие пустоты, обеспечивая минимальную пустотность твердой фазы бетона. Если пустотность песка и щебня составляет 40-45%, то пустотность их смеси 20-25%, пустотность цемент-заполнитель 12-14%, а при введении микрокремнезема она снижается до 7-10%. Это усредненные показатели, в действительности от свойств составляющих бетона и его состава, который должен удовлетворять ряду технологических и конструктивных требований, пустотность может изменяться в несколько других соотношениях, но основная тенденция уменьшения пустотности за счет заполнения пустот в более крупной твердой фазе частицами более мелкой фазы сохраняется.

Определенное влияние на эту зависимость будет оказывать и склонность мельчайших частиц к агрегированию, так как в агрегатах наблюдается более рыхлая упаковка, что препятствует получению минимальной пустотности твердой фазы. В технологии используют специальные приемы, уменьшающие агрегацию частиц Ц и микронаполнителя: введение спец.добавок, механическая активация смеси и другие.

Частицы Ц, особенно наиболее тонкие, и микронаполнителя имеют малый вес и большую удельную поверхность. Влияние сил гравитации, обеспечивающих получение плотных упаковок твердой фазы, в них очень мало и возрастают силы поверхностного взаимодействия, затрудняющие упаковку частиц. В этом случае большое значение приобретают внешние силы, например, влияние пригруза щебнем, весом вышележащих слоев бетона или специальные способы формования бетонных изделий, обеспечивающие уплотнение смеси под давлением, использование спец.добавок, способствующих более плотной укладке твердой фазы. Применение спец.технологических приемов в определенных случаях будет соответствовать получению более плотной первоначальной структуры твердой фазы бетона.

Для практических целей часто требуется знать сроки схватывания бетонной смеси. Их определяют по изменению предельного напряжения сдвига, по скорости прохождения удьтразвука или по кривым тепловыделения. Кривые нарастания структурной прочности, скорости ультразвука или тепловыделения имеют 2 характерных участка. 1-й участок, по времени совпадающий со скрытым периодом гидратации, характеризуется незначительным повышением структурной прочности. Бетонная смесь сохраняет свойства структурированной жидкости. Затем наступает 2-й период гидратации, бетонная смесь схватывается, что вызывает резкое увеличение структурной прочности, скорости ультразвука и тепловыделения.

Время от начала затворения до момента резкого возрастания прочности называют периодом формирования структуры. Его продолжительность зависит для цем.теста от концентрации Ц, т.е. от В/Ц теста. Повышение концентрации повышает сроки схватывания. Плотность и пористость образующейся к концу периода формирования твердой матрицы также зависят от В/Ц. эта матрица, образованная от первичных продуктов гидратации Ц, представляет собой «первоначальный каркас», оказывающий заметное влияние на будущую структуру цем.камня.

Дальнейшее упрочнение структуры происходит за счет роста новообразовании внутри сложившейся матрицы и соответствует 3-й стадии гидратации. К концу периода формирования структуры цем.тесто превращается в камень, совершается довольно резкий переход от пластической прочности цем.теста к хрупкой прочности затвердевшего цем.камня.

В бетонной смеси на сроки схватывания существенное влияние оказывает заполнитель. Введенный в цем.тесто заполнитель вследствие проявления поверхностных сил сокращает период формирования структуры, причем чем выше содержание заполнителя и его удельная поверхность, тем больше его влияние. Это аналогично уменьшению В/Ц, поэтому для расчета условно можно 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 соков схватывания цем.теста и бетонной смеси, например, по результатам ультразвуковых испытаний. Для того, чтобы достигнуть тех же сроков схватывания, какие имеет цем.тесто, необходимо увеличить количество воды в растворе или бетоне. Оказалось, что водопотребность песка или щебня, определенная из условий постоянства сроков схватывания, имеет те же значения, что водопотребность, определенная из условия равноподвижности бетонной смеси.

Если известны водопотребность П или Щ, то можно определить эффективное В/Ц, которое будет определять сроки схватывания бет.смеси.

Бет.смесь должна укладываться в дело до начала схватывания. Воздействие на нее после схватывания приводит к нарушению структуры и снижению прочности бетона.

Заполнитель оказывает существенное влияние на структурообразование бетона после затвердения бетонной смеси. Заполнитель может создавать жесткий каркас, упрочняющий структуру на 1-й стадии ее формирования. Наличие заполнителя существенным образом влияет на условия твердения цем.камня. В бетоне взаимодействия Ц с В и его твердение происходят в тонких прослойках между зернами заполнителя при постоянном взаимодействии с ним. Заполнитель повышает водоудерживающую способность цем.теста, ограничивает усадочные деформации, способствует образованию кристаллического каркаса цем.камня, влияет на изменение температуры и влажности в твердеющем цем.камне. таким образом, заполнитель оказывает существенное влияние на формирование структуры цем.камня и бетона. Это обычно учитывается при определении свойств и проектировании состава бетона.

Для удобства расчетов и прогнозирования свойств бетона процесс формирования его структуры можно разбить на 3 периода: первоначальный, в процессе которого бет.смесь превращается в бетон, последующий, во время которого структура бетона постепенно упрочняется, и третий, когда структура стабилизируется и почти не изменяется со временем(рис.3).

Рис.3.Расчетные периоды структуро-

образования: 1-период образования

первоначальной структуры; 2-период

упрочнения структуры; 3-период

стабилизации структуры.

Границей между 1-м и 2-м периодами является точка А, определяющая момент, когда первоначальная структура бетона уже возникла и в дальнейшем происходит лишь ее упрочнение. В этом случае изменение прочности бетона в последующем периоде подчиняется логарифмическому закону, что позволяет более точно прогнозировать изменение свойств бетона во времени. В общем виде прочность бетона будет описываться выражением:

R = R + R,

где R – прочность первоначальной структуры бетона;

R = f(t,Т) – прочность бетона, приобретаемая в процессе последующего твердения и зависящая от времени и температуры твердения.

При очень слабой первоначальной структуре значением R можно пренебречь. Продолжительность первоначального твердения, составляющую несколько часов, обычно не учитывают, когда определяют прочность бетона при нормальном твердении. Но при прогнозировании прочности бетона при ТО, сроки которой соизмеримы с продолжительностью первоначального твердения, последнюю необходимо учитывать в расчетах.

В процессе формирования структуры бетона и ее последующего твердения изменяется не только прочность бетона, но и другие свойства: пористость, тепловыделение, электропроводность и т.д. процессы формирования структуры сопровождаются объемными изменениями: в зависимости от условий твердения бетон может либо увеличиваться, либо уменьшаться в объеме; последнее происходит чаще и носит название усадки. Все эти изменения более значительны на первоначальном формировании структуры и особенно в период превращения псевдожидкой структуры бетонной смеси в твердую структуру бетона и постепенно затухают с возрастом бетона.

Изменения свойств бетона определяются главным образом гидратацией цемента, поэтому свойства последнего оказывают на эти закономерности решающее влияние. Процесс гидратации является ведущим, и его протекание определяет изменение структуры и свойств бетона. Другие факторы (состав бетона, свойства заполнителя и т.д.) хотя и влияют на изменение структуры и свойств бетона, но их влияние на кинетику изменения свойств бетона является вторичным и обуславливается в известной мере их воздействия на процессы гидратации Ц и структурообразования цем.камня. постепенное затухание изменений свойств бетона во времени и их стабилизация объясняются постепенным затуханием процесса гидратации Ц.

Влияние отдельных факторов на свойства бетона в процессе изменения его структуры и при эксплуатации может изменяться.

Структура бетонной смеси сохраняется и при затвердевании. Поэтому структуру бетона следует классифицировать по содержанию цем.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.

Рис.4.Основной тип макроструктуры бетона.

а) Плотная

б) Плотная с пористым заполнителем

в) Ячеистая

г) Зернистая

R- средняя прочность структуры;

RиR- прочности составляющих бетона.

Плотная структура (тис.4), в свою очередь, может иметь контактное расположение заполнителя, когда его зерна соприкасаются друг с другом через тонкую прослойку цем.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 крупного материала, достаточно прочно связаны с материалом матрицы.

Наибольшей прочностью обладают материалы с плотной структурой. Плотные материалы менее проницаемы чем ячеистые.

Большое влияние на свойства материала оказывает размер зерен, пор или других структурных элементов. В этой связи в бетоне различают макро- и микроструктуру. Под макроструктурой понимают структуру, видимую глазом или при небольшом увеличении. В качестве структурных элементов здесь различают крупный заполнитель, песок, цем.камень, воздушные поры. Иногда для анализа и построения технологических расчетов условно принимают макроструктуру, состоящую из 2-х элементов, крупного заполнителя и раствора, в котором объединяются цементный камень и песок. Микроструктурой называют структуру, видимую при большом увеличении под микроскопом. Для бетона большое значение имеет микроструктура цем.камня, которая состоит из непрореагировавших зерен цемента, новообразований и микропор различных размеров. По своему строению она напоминает бетон (если считать непрореагировавшие зерна заполнителя).

Цем.камень является основным компонентом бетона, определяющим его свойства и долговечность. Основной составляющей микроструктуры цем.камня являются гидросиликаты кальция.

Гидросиликаты кальция создают определенную пространственную структуру, которая включает непрореагировавшую часть зерен Ц с оболочкой новообразований в виде системы глобул и межзерновое пространство, заполненной в той или иной мере новообразованиями. Гидросиликаты кальция имеют кристаллическое и полукристаллическое или аморфное строение. Кристаллические продукты, имеющие различные размеры кристаллов, чаще появляются при тепловой, особенно автоклавной, обработке и при кристаллизации новообразований и межзерновом пространстве и порах. В цем.камне нормального твердения и в оболочке новообразований вблизи границы с исходным материалом, где возможности роста кристаллов ограничены, преобладают гелеобразные субмикрокристаллические продукты гидратации.

Состав и строение гидросиликатов зависят от отношения СаО к SiO2(C/S). Наиболее распространены гидросиликаты кальция тоберморитовой группы. При нормальном твердении образуются минералы типа CSH(I) и CSH(II), различающиеся по составу и степени закристаллизованности. Обозначение CSH(I) относится к гидросиликатам кальция переменного состава с соотношением C/S = 0,8…2, обозначение CSH(II) – к гидросиликатам кальция с соотношением C/S = 1…1,5.

Кристаллические минералы группы тоберморита имеют несколько разновидностей, различающихся межплоскостным расстоянием и количеством межслоевой воды. Тоберморит C5S6H5 с расстоянием 11,3А называют «нормальным»; если в нем кремний замещен алюминием, то его называют АI – замещенным. Тоберморит чаще образуется при повышенных температурах. В материалах автоклавного твердения распространен минерал ксонотлит C3S3H, а также минералы типа — гидрата C2S (C2SH ), 3-хкаьциевого гидросиликата C3Sh4 и др.

Полукристаллические и аморфные формы гидросиликата кальция обозначают C – S – H, подразумевая неопределенность состава. Кристаллы гидроксида кальция выделяются в поровом пространстве между клинкерными зернами, на поверхности воздушных пор, в системе гидросиликатного геля, иногда срастаясь с кристаллами других минералов. Кристаллы различной формы образуют гидроалюминаты кальция и гидросульфоалюминаты.

Продукты гидратации алита – основного минерала цементного камня – образуют, по современным воззрениям, две оболочки; «внешнюю» — кристаллическую и «внутреннюю» — аморфную. Внешняя оболочка складывается из кристаллов различных минералов в зависимости от условий твердения и других факторов и может содержать материалы смене оформленной структурой, особенно если поровое пространство ограниченно. Внутренняя оболочка содержит слабо закристаллизованные продукты гидратации переменного состава, по соотношению C / S приближающиеся к исходному материалу. Граница между остаточным зерном C3S и внутренней оболочкой четкая, а граница между внутренней и внешней оболочкой расплывается. В этой зоне могут возникнуть микротрещины от усадки, нагревания и других видов воздействий.

Цем.камень содержит участки с различной структурой, сложенные разными минералами. Его строение отличается сложностью, многообразием и неоднородностью. Неоднородность строения обусловлена тем, что цем.камень состоит из глобул цем.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 цем.камня существенно влияет на его прочность и другие свойства.

Свойства цем.камня зависят от его минералогического состава. Изменяя минералогический состав вяжущего и условия твердения, можно получать различные типы микроструктуры цем.камня. В технологии бетона используются различные вяжущие вещества, применяются разнообразные условия твердения бетона, что обуславливает различные типы микроструктуры цем.камня.

Вблизи зерен заполнителя в результате влияния его поверхностных сил и ряда других причин микроструктура цем.камня может несколько изменяться по сравнению со структурой основной массы, поэтому часто рассматривают особо микроструктуру и свойства контактной зоны между цем.камнем и заполнителем, выделяя ее в виде отдельного структурного элемента.

Рис.5.Изменение микротвердости Н цем.

камня в контактной зоне у поверхности

заполнителя: 1-гранит; 2-кварц.

Определенное влияние на свойства бетона оказывает также микроструктура заполнителя. На рис.5 приведены данные опытов, показывающие изменение свойств материала в контактной зоне. Рассмотренная выше классификация структур применима как к макроструктуре, так и микроструктуре бетона, а данные опытов подтверждают, что при рассмотрении бетонов особое внимание надо обращать на контактную зону цем.камня и заполнителя.

Структура бетона, как правило, изотропна, т.е. ее свойства по разным направлениям 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. Примером может служить бетон на заполнителе с лещадными зернами, ориентированными в определенном направлении (рис.6).

Рис.6.Прочность бетона с лещадным

заполнителем.

Для различных видов бетона характерна своя структура. Для тяжелых бетонов характерна плотная структура. Подразделение на типы структур условно, в действительности структура бетона отличается большей сложностью, в плотной структуре тяжелого бетона цем.камень имеет значительное количество пор. 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, так как она определяет плотность упаковки структурных элементов, объем и характер дефектов (пор, микротрещин и др.). Значение величины физической связи между молекулами у бетонов на различных материалах близки между собой, и прочность в основном обуславливается плотностью бетона и характером его структуры.

В общем виде зависимость прочности бетона от его плотности может быть представлена выражением

R = R (p/p ) ,

где R — прочность материала при плотности р ; n –показатель степени, зависящий от структуры материала.

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 цем.камень и заполнитель, но и отдельные зерна заполнителя друг от друга и отдельные микрообъемы цем.камня.

Элементарная ячейка бетона показана на рис.4 чертежа. Наглядно видна неоднородность структуры, включающий плотный и прочный материал с разными свойствами, переходные зоны, пустоты. Неоднородность структуры обуславливает неоднородность прочности бетона по объему. На рис.7 показано возможное изменение прочности бетона по сечению. Структура и свойства бетона могут колебаться в незначительных пределах в рузных изделиях и образцах, даже изготовленных из одногои того же состава.

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

Рис.7.Неоднородность структуры и

прочности бетона по сечению

образца или изделия.

В бетоне в зависимости от предъявляемых проектом требований к показателям свойств используют различное соотношение между составляющими. На качество структуры материала влияют различия в их структуре и свойствах и их распределение по микро- и макрообъемам бетона, в том числе равномерность распределения жидкой и воздушной фазы в первоначально сформированной структуре бетона. При расслоении бетонной смеси при высоких значениях В/Ц или при ее недоуплотнении при низких значениях В/Ц в бетоне возникают дефекты, которые практически невозможно залечить в процессе последующей гидратации Ц, что ведет к снижению прочности и особенно долговечности бетона.

В бетоне различают макрорасслоение, когда нарушается равномерность распределения твердой фазы, например, тяжелый заполнитель опускается вниз или очень легкий поднимается в верхнюю часть образца или изделия, и микрорасслоение на уровне цем.камня, когда его отдельные объемы имеют различное В/Ц и структуру, например, вследствие опускания под действием сил тяжести частиц Ц в цементном тесте с высоким В/Ц. поскольку структура цементного камня является определяющей для получения качественного бетона, то микрорасслоение крайне не желательно.

Определить границы изменения В/Ц, при которых бетонная смесь и бетон остаются доброкачественными и не наблюдается расслоения или недоуплотнения можно используя понятие истинного В/Ц, т.е. прогнозируя поведение цем.теста и камня непосредственно в бетоне. Структура бетона будет доброкачественной, если В/Ц = (0,86…1,65)НГ.

studfiles.net

GardenWeb

Категория: Бетонные работы

Бетонная смесь представляет собой многокомпонентную систему, состоящую из цемента, воды и заполнителя. Заполнитель, в свою очередь, также является совокупностью мелких и крупных частиц. В ряде случаев в смесь вводят специальные добавки. В процессе ее приготовления часть объема занимает воздух. Таким образом, смесь представляет собой многофазную среду, которая по сбоим свойствам занимает промежуточное положение между вязкими жидкостями и сыпучими средами.

Свойства смеси зависят от количественного соотношения различных фаз, которые в целом определяют ее структуру.

По количественному состоянию растворной составляющей и заполнителя можно выделить три типа структур бетонной смеси.

В первой структуре зерна крупного заполнителя раздвинуты и не взаимодействуют между собой. Такая структура отличается более высоким содержанием цементного теста, и ее свойства в целом определяются этим компонентом. Это так называемая смесь с плавающим заполнителем, который при транспортировании, укладке и уплотнении смеси может оседать или всплывать, что значительно снижает однородность бетона и его прочностные характеристики.

Во второй структуре цементная прослойка только незначительно раздвигает заполнитель и его зерна перекрывают друг друга — образуется плотная упаковка заполнителя. В отличие от первого типа рассматриваемая структура обладает меньшими подвижностью и текучестью.

Третья структура представляет собой крупнопористую смесь с недостатком цементного теста, зерна заполнителя контактируют друг с другом. В пространстве между частицами имеются воздушные полости.

Анализируя три типа структур, можно сделать вывод, что в первом случае наблюдается избыток цементного теста, в последнем — недостаток. Физико-механические свойства бетона структуры первого типа определяются только свойствами цементного теста, в бетонах структуры второго, а особенно третьего типов заполнители существенно влияют на физико-механические и технологические свойства смеси. Бетоны второй и третьей структур характеризуются меньшим расходом цемента, что снижает их стоимость, но усложняет процесс укладки и получения плотных бетонов.

Структура тяжелых бетонных смесей относится ко второму типу. Эти смеси наиболее экономичны, легко уплотняются, образуя достаточно плотную структуру. Цементное тесто играет роль смазки между частицами заполнителя; при повышении водоце-ментного отношения свойства смеси приближаются к свойствам вязкой жидкости. Такая смесь хорошо транспортируется и укладывается в дело.

Вода в бетонной смеси находится в двух состояниях: химически связанном и свободном. Химически связанная — это вода, необходимая для процесса твердения (гидратации) цемента, она вступает в реакцию с цементом. Свободная вода в виде тонких пленок обволакивает частицы заполнителя. С увеличением содержания воды повышается подвижность цементного теста, но, как правило, снижаются его связующие свойства.

На свойства бетона существенное влияние оказывает плотность или пористость бетонной смеси. С учетом этого фактора (по классификации проф. Ю. М. Баженова) структура бетона может быть разделена на четыре типа (рис. 2): плотная, с пористым заполнителем, ячеистая и зернистая.

Первый тип — плотная структура — состоит из сплошной матрицы цементного камня, в которую вкраплены зерна плотного заполнителя, достаточно прочно связанные с цементным камнем. Между зернами заполнителя может быть много прослойки (в которой они находятся как бы в плавающем положении) или немного. В случае, когда прослойка настолько тонка, что зерна контактируют между собой, прочность бетона будет определяться механическими характеристиками заполнителя и в меньшей степени матрицей цементного камня.

Второй тип состоит также из сплошной матрицы, но в нее вкраплен пористый заполнитель. При этом цементный камень проникает в поры и неровности заполнителя, чем обеспечивается их прочное сцепление, и основную прочность несет матрица, которая служит как бы каркасом в системе.

Третий тип — ячеистая структура, которая представляет собой матрицу с пустотами, причем пустоты замкнуты и не соединяются друг с другом. В зависимости от концентрации пустот и размеров ячеек могут быть крупно- и мелкопористые ячеистые бетоны.

Четвертый тип — зернистая структура — представляет собой совокупность скрепленных между собой зерен твердого материала. Пористость такого материала непрерывна, т. е. воздушные поры сообщаются друг с другом.

Наибольшей прочностью из всех рассмотренных обладают плотные структуры бетона.

Мы рассмотрели так называемые макроструктуры бетонов, т. е. структуры, видимые невооруженным глазом. Определенное влияние на свойства бетона оказывает также микроструктура бетона. Изменяя минералогический состав вяжущего и условия твердения, можно получать различные микроструктуры цементного камня: ячеистую, зернистую, волокнистую или сотовую.

Рис. 2. Макроструктура бетонов: / — плотная. // — плотная с пористым заполнителем, III — ячеистая, IV — зернистая; 1 — матрица из цементного камня, 2 — заполнитель

Микроструктура существенное влияние оказывает на прочность матрицы и в целом бетона. Оценивают ее и рассматривают под микроскопом.

Бетонные работы — Структура бетонной смеси и бетона

gardenweb.ru

Структура и свойства тяжелого бетона — Бетоны

Тяжелый бетон применяют наиболее часто для изготовления монолитных сооружений и сборных конструкций. Затвердевший бетон относится к материалам составного (конгломератного) типа, так как включает в себя заведомо разнородные элементы — зерна заполнителей, скрепленные цементным камнем. Структура бетона. В ней выделяют три элемента: цементный камень, заполнитель и зону контакта между ними. Количественные соотношения и качественное различие этих элементов предопределяют характер структуры и свойства бетона. Различают макро- и микроструктуру бетона. Макроструктура (рис. 32) зависит от соотношения между компонентами бетона, а также однородности их распределения. Надо учитывать и воздушные пустоты, возникающие вследствие недоуплотнения бетонной смеси. Большое влияние на свойства бетона оказывают также усадочные трещины, образующиеся в цементном камне и контактной зоне и нарушающие монолитность бетона. Микроструктура затвердевшего бетона характеризуется составом и строением твердого вещества, размерами и характером пор, а также’ строением контактной зоны между заполнителем и цементным камнем. Цементный камень скрепляет все компоненты бетона в единое целое. Поэтому к важнейшим свойствам, определяющим качество цементного камня, относятся прочность и адгезия, т. е. способность к сцеплению с зернами запол-’ нителя. В состав цементного камня входят продукты гидратации цемента и многочисленные включения в виде негидратированных зерен клинкера и минераль! ных добавок. Продукты гидратации представлены в основном мельчайшими кристаллами гидросиликатов кальция и, кроме того, более крупными кристаллами гидроксида кальция. Свойства бетона. Основные показатели качества тяжелого бетона — прочность на сжатие и растяжение, морозостойкость, водонепроницаемость. Прочность бетона в проектном возрасте характер ризуют классами прочности на сжатие и осевое рас* тяжение. Отличительная особенность бетонных paJ бот — значительная неоднородность получаемого бетона. Чем выше культура строительства, лучше качество приготовления и укладки бетона в конструкции, тем меньше колебания прочности. Следовательно, важно не только получить бетон заданной средней прочности, но и обеспечить ее во всем объеме изготовляемых конструкций. Рис. 32. Схематическое изображение макроструктуры бетона: 1 — крупный заполнитель, 2 —растворная часть, 3 — воздушные поры Показателем, который учитывает возможные колебания качества, является класс бетона. Класс бетона— численная характеристика какого-либо его свойства, принимаемая с гарантированной обеспеченностью (обычно 0,95). Это значит, что установленное классом свойство, например прочность бетона, достигается не менее чем в 95 случаях из 100. Понятие «класс бетона» позволяет назначать прочность с учетом ее фактической или возможной вариации. Чем меньше изменчивость прочности, тем выше класс бетона при одной и той же его средней прочности. ГОСТ 26633—85 устанавливает следующие классы тяжелого бетона по прочности на сжатие: 3,5; 5; 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 50; 55 и 60. Класс по прочности на сжатие обозначают латинской буквой В, справа от которой приписывают его предел прочности в МПа. Так, у бетона класса В15 предел прочности при сжатии не ниже 15 МПа с гарантированной обеспеченностью 0,95. В необходимых случаях устанавливают также класс бетона по прочности на осевое растяжение, обозначаемый индексом В*. Для тяжелого бетона приняты следующие классы: В stroy-server.ru

Твердение бетона

Процесс твердения бетона и формирования его структуры на первый взгляд не представляется сложным. Так, структура бетона фактически образуется в результате затвердения бетонной смеси с последующим превращением искомой смеси в камень. После уплотнения, бетонная смесь еще некоторое время, а именно: в начальный период гидратации, сохраняет склонность к разного рода пластическим деформациям.

С течением времени число всевозможных новообразований на цементном камне увеличивается, система продолжает уплотняться и, в конце концов, твердеет, в результате чего можно наблюдать образование камня с определенной структурой. Наиболее значительное влияние на формирование структуры цементного камня оказывают вид цемента, используемые химические добавки, температура бетонной смеси, уровень влажности среды и др.

Твердение бетона

Процесс твердения бетона и формирования его структуры на первый взгляд не представляется сложным. Так, структура бетона фактически образуется в результате затвердения бетонной смеси с последующим превращением искомой смеси в камень. После уплотнения, бетонная смесь еще некоторое время, а именно: в начальный период гидратации, сохраняет склонность к разного рода пластическим деформациям. С течением времени число всевозможных новообразований на цементном камне увеличивается, система продолжает уплотняться и, в конце концов, твердеет, в результате чего можно наблюдать образование камня с определенной структурой. Наиболее значительное влияние на формирование структуры цементного камня оказывают вид цемента, используемые химические добавки, температура бетонной смеси, уровень влажности среды и др.

Заказать качественный бетон с доставкой

вы можете по телефону (495) 234-42-01

Если в процессе приготовления бетона ввести пластифицирующие добавки, процессы схватывания цемента будут замедлены. Достаточно повысить температуру, и процессы схватывания, равно как и процесс твердения, вновь ускорятся. По своей структуре затвердевший тяжелый бетон представляет собой ничто иное, как цементный камень с множеством пустот и пор различных размеров, внутри которого неравномерно и беспорядочно разместились зерна заполнителя. Что же касается структуры бетона на макроуровне, то она может быть представлена в виде системы «щебень – цементно-песчаный раствор». Тогда как макроструктура бетона является отражением системы «песок – цементный камень», то микроструктура представляет собой тонкое строение этого же цементного камня (новообразования, микропоры, не вступившие в реакцию зерна цемента и пр.). По мере увеличения возраста бетонной конструкции, микроструктура изменяется под воздействием гидратации и ввиду роста новообразований; уменьшается пористость, изменяется распределение и размеры пор, а бетон становится прочнее и плотнее. Прочностные характеристики бетона растут и проявляются неравномерно. Так, в течение первых 7-ми суток с момента затвердения, прочность нарастает достаточно быстро, однако затем этот процесс существенно замедляется. Существует также зависимость между скоростью нарастания прочности бетона и видом цемента.

Замечено, что в первые дни затвердения, показатели прочности бетона выше на быстротвердеющих цементах, тогда как на белитовых цементах данный показатель ниже. Для лучшего твердения бетона необходимо поддержание теплой и влажной среды. Замечено, что при повышенных температурах процесс твердения протекает еще быстрее, тогда как при температуре в 15°С и ниже твердение замедляется, а при нуле градусов Цельсия и вовсе прекращается.

Учёные решили главную загадку структуры бетона / Хабр

Учёные-материаловеды, наконец, определились, является ли застывший бетон непрерывной структурой,- такой, как, например, металлы или камни,- или же спрессованной группой мелких частиц. Этот вопрос, несмотря на долгое и обильное использование этого строительного материала, длительное время оставался без ответа. Оказалось, что бетон сочетает в себе признаки обеих структур.

Вопросами внутренней структуры материала занимается раздел физики конденсированных сред под названием «мезоскопическая физика». В ней рассматриваются свойства систем на масштабах, промежуточных между макроскопическим и микроскопическим – то есть, лежащих между размерами отдельных атомов и такими, на которых прекращаются квантовые эффекты.

Бетон,- смесь воды, гравия, цемента и песка,- исследовала международная команда из Массачусетского технологического, Университета Джорджтауна, французского Национального центра научных исследований и других заведений. Учёные уверяют, что их открытия касательно структуры бетона позволят инженерам создавать более эффективные материалы, как с точки зрения прочности, так и с точки зрения уменьшения выброса парниковых газов при изготовлении. Это очень важно, поскольку в мире используется столько бетона, что его производство является одним из самых главных факторов выброса парниковых газов.

Оказалось, что в бетоне мелкие частички распределяются таким образом, что между несколькими более крупными всегда есть более мелкие. Один из авторов исследования, Роланд Пеленк [Roland Pellenq], поясняет, что эти мелкие частицы очень плотно взаимодействуют между собой на мезоскопических масштабах. При этом частицы не настолько мелки, чтобы достигать состояния с минимальной энергией – из-за этого материал подвержен изменениям, и со временем может крошиться или трескаться.

Определение влияния размера пор, находящихся на мезоскопических масштабах, на свойства материала до этого момента не проводилось. А именно наличие пор таких размеров и определяет свойства материала и подверженность его деградации. В частности, выяснилось, что растрескивание бетона происходит не из-за того, что в эти поры проникает вода, которая затем замерзает при отрицательных температурах.

Новые компьютерные симуляции свойств готового материала позволяют точно настраивать пропорции компонентов, необходимые для получения более качественного результата. Например, слишком малое количество воды сделает раствор недостаточно жидким для заливки, а слишком большое – оставит после её испарения большие пустоты в готовом материале.

Бетонная конструкция – обзор

1 Введение

Бетонные конструкции, особенно железобетонные конструкции, являются одним из наиболее распространенных типов конструкций, используемых во всем мире. Связь между сталью и бетоном позволяет инженерам проектировать композитные конструкции с учетом сложной архитектурной геометрии по разумной цене. Когда эти конструкции расположены в неагрессивной среде, они в целом соответствуют прогнозируемому сроку службы конструкции. Однако долговечность конструкции сильно снижается под действием процессов окружающей среды, которые имеют физическое, химическое или механическое происхождение [1–4].

В последние десятилетия резко возросло количество структурных проблем, связанных с нарушением долговечности железобетонных конструкций [5–7]. На рис. 5.1 представлены две колонны, механически поврежденные в результате воздействия коррозии арматуры. На этом рисунке наблюдаются явления роста трещины и выкрашивания. В дополнение к экономическим и финансовым последствиям, связанным с затратами на ремонт, проблемы долговечности также имеют промышленные, экологические и социальные последствия из-за применения ремонтных материалов и снижения безопасности этих конструкций [8-10].

Рисунок 5.1. Колонны повреждены из-за воздействия коррозии арматуры. Личная фотография автора.

Высокие затраты, связанные как с потерей стали, механическим разрушением и ремонтом конструкционных материалов, так и с потерей устойчивости конструкции и повторением этих проблем, делают коррозию арматуры основным патологическим проявлением в железобетонных конструкциях [11–14]. В таблице 5.1 представлены затраты на строительство и ремонт/техническое обслуживание в некоторых странах Европы.Как видно из цифр, представленных в этой таблице, затраты, связанные с ремонтом/обслуживанием, нельзя игнорировать.

Таблица 5.1. Стоимость со строительством и ремонтом для некоторых европейских стран [13]

Страна	Стоимость с новыми конструкциями (10 6 €)	Стоимость с обслуживанием и ремонтом (10 6 €)
Франция	85,6	79,6
Германия	99.7	99.0	99.0
Italy	58.6	58.6	76,8	70016	Великобритания
Великобритания	60.7	61.2

г. Коррозия подкреплений напрямую связана с долговечностью железобетонных конструкций. Кроме того, диффузия хлоридов признана одним из важнейших источников, запускающих процесс коррозии [15,16]. Поэтому при моделировании этого явления эффективно оцениваются потери арматуры, степень повреждения бетона и, следовательно, долговечность конструкции.

Проникновение хлоридов в поры бетона контролируется сложными физическими и химическими механизмами. Моделирование этого явления часто без существенной потери наглядности упрощается процессом, контролируемым только диффузией ионов хлора в поры бетона. Коррозия начинается при достижении порогового уровня концентрации хлоридов вблизи арматуры, что приводит к ее депассивации [17,18].

В литературе было предложено несколько моделей для точного представления такого явления.Среди них следует отметить [19,20], где уравнение Нернста-Планка-Пуассона было применено для описания движения многокомпонентных материалов в насыщенном бетоне. Бастидас-Артеага и др. [21] представили модель деградации железобетонных конструкций, в которой процессы механической деградации вызваны источниками биоповреждения (т. е. действием живых организмов), коррозией стали и растрескиванием бетона. Чжао и др. [22] проанализировали повреждения бетонного покрытия, вызванные коррозией в железобетонных конструкциях, с использованием простой аналитической модели.Эта модель была основана на механике повреждений и эластостатической механики, которая рассматривает стадии отсутствия трещин и частичных трещин.

Подход с использованием клеточных автоматов был использован для моделирования механизма диффузии в поры бетона Biondini et al. [23]. Механическое повреждение, связанное с диффузией, оценивается путем введения закона механического разрушения как для бетонной матрицы, так и для стальной арматуры с точки зрения подходящих показателей повреждения. Механическая модель, предложенная Биондини и соавт. [23] была применена для оценки долговечности железобетонных конструкций с учетом присущей случайности переменных задачи Биондини и др.[24]. Вероятностный анализ был выполнен с использованием моделирования методом Монте-Карло, и было предложено планирование технического обслуживания конструкции на основе показателя надежности. Тематическое исследование вантовых мостов с использованием этой модели представлено в Ref. [25]. Эволюция характеристик конструкции на протяжении всего срока службы с учетом неопределенностей представлена ​​в [1]. [26], используя подходы, представленные в [26]. [23–25].

Анализ надежности железобетонных автомобильных балочных мостов, подверженных воздействию зависящих от времени нагрузок и сопротивлений, в зависимости от времени представлен в работах.[27–29]. Упрощенная механическая модель, основанная на аналитическом уравнении и двух случайных величинах, используется для представления механического поведения балок во времени. В этих работах используется закон Фика для определения времени начала коррозии и применяется моделирование Монте-Карло для расчета вероятности разрушения конструкции. Закон Фика и упрощенные соотношения для представления потери стали во времени приняты в работе. [30], чтобы сформулировать задачу оптимизации проектирования на основе надежности.Общая стоимость конструкции минимизируется с учетом индивидуальных затрат на строительство и разрушение.

Некоторые численные исследования с использованием метода конечных элементов (МКЭ) уже были представлены в литературе [31–33]. В этих исследованиях анализируется механическая проблема коррозии арматуры, наносящая ущерб области арматуры, и моделируется повреждение бетона с помощью эмпирических/аналитических подходов. В упомянутых выше исследованиях представлены теоретические/численные/эмпирические подходы, которые позволяют проводить механическое моделирование железобетонных конструкций, подверженных коррозии арматуры.Тем не менее, численный подход, который реалистично учитывает механическую деградацию как стали, так и бетона с течением времени, в сочетании с численным методом, способным к общему структурному моделированию, все еще остается проблемой в этой важной научной области.

В связи с этим в этой главе предлагается численная механическая модель для структурного анализа железобетонных каркасов, подверженных проникновению хлоридов и коррозии арматуры, на основе МКЭ. Нелинейное механическое поведение стали и бетона моделируется с учетом упругопластического критерия и подхода механики повреждений соответственно.Геометрическая нелинейность учитывается обновленным лагранжевым описанием, позволяющим записывать условия структурного равновесия на последней равновесной конфигурации. Чтобы улучшить моделирование влияния сдвига, учитываются дополнительные механизмы прочности бетона, такие как блокировка заполнителя и действие дюбеля. Стоит отметить, что моделирование таких нелинейных явлений является одним из вкладов этого исследования. Принят закон Фика для определения роста концентрации хлоридов на структурном покрытии во времени.Потеря площади арматуры во времени из-за процесса коррозии рассчитывается с использованием модели, предложенной Валом и Стюартом [17], Валом и Мелчерсом [34] и Ву и Стюартом [35], которая основана на экспериментальных данных.

В этом исследовании изогнутые конструкции анализируются с учетом предложенной нелинейной численной формулировки. Результаты, полученные с помощью предложенной модели, сравниваются с ответами, доступными в литературе. Предложенная нелинейная формула FEM позволяет оценить остаточное структурное сопротивление с течением времени, учитывая проникновение хлоридов и сопротивление структурным потерям из-за явления коррозии.Это один вклад настоящего исследования. В дополнение к этому, эта модель также позволяет определить режим разрушения конструкции и его изменение во времени, что является основным вкладом этой работы.

Бетонная конструкция – обзор

6.1 Введение

Бетонные конструкции подвержены разрушению из-за замедленных деформаций, которые влияют на их запас прочности и срок службы, особенно когда они подвергаются высокому уровню нагрузки.

В нескольких исследованиях изучалось влияние нагрузки при ползучести на механизмы разрушения, включая ее влияние на прочность, жесткость и энергию разрушения.В большинстве этих исследований предпринимались попытки количественно оценить влияние ползучести на поведение бетона, главным образом путем измерения остаточной прочности (Carpinteri, Valente, Zhou, Ferrara, & Melchiorri, 1997; Cook & Haque, 1974; Denarié; Cécot, & Huet, 2006; Liniers, 1987; Omar, Loukili, Pijaudier-Cabot, & Le Pape, 2009; Shah & Chandra, 1970).

Деформация и разрушение бетона связаны с очень сложным прогрессирующим разрушением, и обычно считается, что процесс разрушения при длительной нагрузке связан с развитием и ростом микротрещин (Barpi & Valente, 2005; Bazant & Li, 1997; Росси, Годар, Роберт, Жерве и Брюа, 1994; Росси, Тайлхан, Ле Мау, Гайе и Мартин, 2012).Таким образом, понимание поведения бетона требует детальной оценки ползучести и доли повреждения. Микротрещины и локализация повреждений в бетонных балках не могут быть исследованы классическими механическими измерениями. Так, в рамках исследования может применяться метод акустической эмиссии (АЭ).

В последние годы широко применяются неразрушающие и инструментальные методы исследования, такие как метод АЭ. Этот метод оказался очень эффективным, особенно для проверки и измерения микротрещин, возникающих внутри конструкции под механической нагрузкой, и особенно рекомендуется для обнаружения и локализации трещин в бетоне (Chen & Liu, 2004; Granger, Loukili; Pijaudier- Cabot, & Chanvillard, 2007; Landis & Shah, 1995; Otsuka & Date, 2000; Wu, Chen, & Yao, 2000).

Бетонный каркас. Проектирование зданий

Бетонный каркас представляет собой общую форму конструкции, состоящую из сети колонн и соединительных балок, образующих структурный «скелет» здания. Эта сетка из балок и колонн обычно строится на бетонном фундаменте и используется для поддержки полов здания, крыши, стен, облицовки и так далее.

Балки — горизонтальные несущие элементы рамы. Они классифицируются как:

Колонны — это вертикальные элементы каркаса и основной несущий элемент здания.Они передают нагрузки от балки на фундамент.

Материалы, которые можно использовать в качестве стен для конструкций с бетонным каркасом , многочисленны, включая тяжелые варианты кладки (например, кирпич, блоки, камень) и легкие варианты (например, гипсокартон, древесина). Точно так же для облицовки конструкций из бетонного каркаса можно использовать любой вид облицовочных материалов.

Так как бетон имеет низкую прочность на растяжение, его обычно необходимо армировать. Арматура, также известная как арматурная сталь (или арматурная сталь), представляет собой стальной стержень или сетку из стальной проволоки, используемую для укрепления и удерживания бетона в напряжении.Для улучшения качества сцепления с бетоном поверхность арматуры часто узорчатая. Для получения дополнительной информации см.: Арматура.

Бетонные рамы могут быть сборными (изготовлены за пределами площадки) или отлиты на месте.

Каркасы из сборного железобетона обычно используются для одноэтажных и малоэтажных конструкций. Бетонные элементы доставляются на площадку, где их затем поднимает кран и устанавливает на место для возведения каркаса:

Дополнительные сведения см. в разделе Сборные соединения.

Предварительно напряженный бетон представляет собой конструкционный материал, который позволяет прикладывать к элементам заданные инженерные напряжения для противодействия напряжениям, возникающим при воздействии на них нагрузки. Он сочетает в себе высокую прочность на сжатие бетона с высокой прочностью на растяжение стали.

Для получения дополнительной информации см. Предварительно напряженный бетон.

Бетонные элементы могут формироваться на месте с использованием опалубки. Это временная форма, в которую заливается бетон.Традиционная опалубка изготавливается из дерева, но ее также можно изготовить из стали, пластика, армированного стекловолокном, и других материалов. Опалубка является, пожалуй, самым популярным типом опалубки и обычно изготавливается на месте с использованием древесины и фанеры.

Для получения дополнительной информации см.: Опалубка

Скользящая опалубка — это метод строительства, при котором бетон заливается в верхнюю часть непрерывно движущейся опалубки. По мере заливки бетона опалубка поднимается вертикально со скоростью, которая позволяет бетону затвердеть до того, как он освободится от опалубки в нижней части.. Скользящая форма наиболее экономична для конструкций высотой более 7 этажей, таких как мосты и башни, поскольку это самый быстрый метод строительства вертикальных железобетонных конструкций, но ее также можно использовать для горизонтальных конструкций, таких как проезжие части.

Для получения дополнительной информации см. Бланк накладной.

[править] Статьи по теме Designing Buildings Wiki

Конкретизация ваших планов

Посмотрите, как мы помогали нашим клиентам на протяжении многих лет.

Компания Concrete Structures, находящаяся в семейном владении с 1960 года, непрерывно работает, выполняя такие разнообразные проекты, как высотные здания, спортивные объекты, взлетно-посадочные полосы, мосты, туннели, производственные и распределительные объекты, центры обработки данных, парковки и очистные сооружения.

О нас

Компания

Concrete Structures of the Midwest, Inc. работает в столичном районе Чикаго с момента ее открытия семьей в 1960 году.Узнайте больше о нас здесь.

Просмотреть еще

Услуги

Как подрядчик по монолитному бетону, мы специализируемся на крупномасштабных строительных бетонных работах, начиная от высотных зданий и заканчивая тяжелым строительством.

Просмотреть еще

Союзный подрядчик

Concrete Structures на протяжении многих лет гордится своим профсоюзным подрядчиком.Чтобы просмотреть список профсоюзов, с которыми мы работаем, воспользуйтесь ссылкой ниже.

Просмотреть еще

Свяжитесь с нами сегодня

Используйте нашу онлайн-форму, чтобы связаться с нами и обсудить свой проект сегодня.

Что мы можем сделать для вас

• Бетонные работы
• Высотные здания
• Мосты и туннели
• Тяжелая конструкция

Посмотреть наши услуги

Наши проекты

У нас есть проекты по всему городу Чикаго и его окрестностям.Вот список множества разнообразных проектов, которые мы выполнили для наших клиентов.

Посмотреть наши проекты

О нас

Философия нашей компании заключается в объединении принципов структурной инженерии и надежной практики строительства для производства качественных бетонных конструкций по конкурентоспособным ценам.

Мы находимся в семейном владении и управляем с 1960 года, и мы гордимся тем, что являемся подрядчиком профсоюза.

© Concrete Structures of the Midwest, Inc., Западный Чикаго, Иллинойс

Бетонная каркасная конструкция — типы и основные компоненты

🕑 Время чтения: 1 минута

Строительство с бетонным каркасом — это метод строительства, который включает сеть колонн и балок для успешной передачи нагрузок, приходящихся на конструкцию, на фундамент. В целом он образует структурный каркас здания, который используется для поддержки других элементов, таких как полы, крыша, стены и облицовка.

Рис. 1: Каркасная конструкция.

В этой статье мы изучаем типы, основные компоненты, преимущества и недостатки бетонного каркасного строительства.

Тип рамной конструкции

1.

Жесткая рама

Эти рамы изготавливаются на месте и могут быть залиты или не залиты монолитно. Они обеспечивают большую стабильность и эффективно сопротивляются вращению. Преимущество жесткого каркаса в том, что они обладают положительными и отрицательными изгибающими моментами по всей конструкции из-за взаимодействия стен, балок и плит.

2.

Распорки Рамная конструкция

Эта рамная конструкция противостоит боковым силам за счет распорок диагональных элементов, используемых для сопротивления боковым силам. Конструкция крепится за счет вставки диагональных элементов конструкции в прямоугольные области несущей рамы. Структурные рамы с раскосами более эффективны, чем жесткие конструктивные рамы.

Основные детали конструкции бетонного каркаса

1. Колонны в каркасной конструкции

Колонны являются важным конструктивным элементом каркасного здания.Это вертикальные элементы, которые несут нагрузку от балки и верхних колонн и передают ее на фундамент.

Рис. 2: Колонна в каркасной конструкции.

Переносимые нагрузки могут быть осевыми или эксцентричными. Дизайн колонн более важен, чем дизайн балок и плит. Это связано с тем, что если выйдет из строя одна балка, то это будет локальный отказ одного этажа, а если выйдет из строя одна колонна, то это может привести к обрушению всей конструкции.

2. Балки в каркасной конструкции

Балки — это горизонтальные несущие элементы каркасной конструкции.Они воспринимают нагрузки от перекрытий, а также прямые нагрузки от каменных стен и их собственного веса.

Рис. 3: Балки в рамной конструкции

 Балки могут опираться на другие балки или могут поддерживаться колоннами, составляющими неотъемлемую часть рамы. В первую очередь это изгибные элементы. Они подразделяются на 2 типа:

1. Главные балки — передача нагрузок от пола и второстепенных балок на колонны.
2. Второстепенные балки — передача нагрузок от пола на главные балки.

3. Плита в каркасной конструкции

Плита представляет собой плоское горизонтальное место, которое используется для покрытия здания сверху и обеспечивает укрытие для жителей. Это пластинчатый элемент, несущий нагрузки в основном за счет изгиба. Обычно они несут вертикальные нагрузки.

Рис. 4: Плиты в каркасной конструкции.

Под действием горизонтальных нагрузок из-за большого момента инерции они могут нести большие ветровые и сейсмические силы, а затем передавать их на балку.

4. Фундамент в рамной конструкции

Единственной функцией фундамента является передача нагрузки от вышеперечисленных колонн и балок на твердую почву.

Рис. 5: Фундамент в рамной конструкции

5. Стены жесткости в рамной конструкции

Это важные конструктивные элементы высотных зданий. Стены сдвига на самом деле представляют собой очень большие колонны, из-за чего они выглядят как стены, а не колонны. Они заботятся о горизонтальных нагрузках, таких как ветровые нагрузки и нагрузки от землетрясений.

Рис. 6: Стены сдвига в рамной конструкции Стены жесткости

также воспринимают вертикальные нагрузки. Важно понимать, что они работают только для горизонтальных нагрузок в одном направлении, которое является осью длинного размера стены.

6. Шахта лифта в рамной конструкции

Шахта лифта представляет собой вертикальную бетонную коробку, в которой лифт может двигаться вверх и вниз. Эти валы помогают противостоять горизонтальным нагрузкам, а также несут вертикальные нагрузки.

Рис. 7: Шахта лифта в рамной конструкции.

Преимущества каркасной бетонной конструкции

1. Хорошо сжимается по сравнению с другими материалами, используемыми в строительстве. Кроме того, конструкция хороша и на растяжение.
2. Его огнестойкость выше, чем у стали, поэтому он способен противостоять огню в течение более длительного времени.
3. Обладает длительным сроком службы при низких затратах на обслуживание.
4. В некоторых конструкциях, таких как опоры, дамбы и фундаменты, это самый экономичный конструкционный материал.
5. Ему можно придать любую требуемую форму, что делает его наиболее экономичным конструкционным материалом.
6. Позволяет получить жесткие элементы с минимальным прогибом.
7. Предел текучести стали примерно в 15 раз превышает предел прочности при сжатии конструкционного бетона и более чем в 100 раз превышает его предел прочности при растяжении.
8. При использовании стали в бетоне размер поперечного сечения может быть уменьшен.
9. Для монтажа требуется менее квалифицированная рабочая сила по сравнению с другими конструкционными системами.

Недостатки каркасной бетонной конструкции

1. Требуется тщательное смешивание, отливка и отверждение, и все это влияет на окончательную прочность элемента.
2. Стоимость опалубки, используемой для заливки бетона, относительно высока.
3. Обладает низкой прочностью на сжатие по сравнению со сталью, что приводит к большим сечениям колонн/балок в многоэтажных зданиях, образованию трещин в бетоне из-за усадки и высоким приложениям временных нагрузок.
4. Если бетонирование выполнено неправильно, сталь начинает корродировать, что приводит к потере прочности и, в конечном счете, к сокращению срока службы. Кроме того, ремонт потом очень дорогой и сложный.

Коды для проектирования рамных конструкций

1. IS (Индийский стандарт) 456-2000
2. ACI (Американский институт бетона) 318-89
3. ICC (Международный строительный кодекс) 2009
4. NZS (Новозеландский стандарт) 3101
5. Евро 2

   8 Читайте также:

   Строительство фундаментов, колонн, балок и перекрытий стальных каркасных конструкций
   Несущая конструкция и компоненты в сравнении с каркасной конструкционной системой

   Сравнение стальной конструкции и бетонной конструкции

   Бетон и сталь являются одними из наиболее распространенных строительных материалов, и многие строительные проекты могут использовать любой из них в качестве базовой конструкции.У каждого материала есть свои преимущества и ограничения, как и у любого инженерного решения, и в этой статье приводится общее сравнение. Ни один материал нельзя считать лучше другого для всех случаев, и лучший вариант определяется условиями проекта.

   ---

   Снизьте стоимость вашего следующего строительного проекта.

   ---

   Бетонная конструкция

   Бетон марки

   — второй по популярности материал в строительстве после воды: он отличается универсальностью, долговечностью и простотой изготовления, а также ему можно придать любую форму.

   • Бетонные конструкции очень устойчивы к сжатию, но не могут эффективно выдерживать растяжение.

   • По этой причине большинство бетонных конструкций армируются стальными стержнями, обеспечивающими дополнительную опору для растягивающих нагрузок, и такое сочетание называется железобетонным.

   Бетонные конструкции могут быть построены несколькими способами с использованием различных типов бетона. Тремя наиболее распространенными типами являются простой цементобетон, железобетон и предварительно напряженный бетон.

   Обычный цементный бетон получают путем смешивания цемента, крупного заполнителя (гравия), мелкого заполнителя (песка) и воды в заданной пропорции в соответствии с требованиями проекта. При затвердевании эти материалы становятся однородной массой.

   • Конструкции из простого цементного бетона обладают высокой прочностью на сжатие, но практически не обладают прочностью на растяжение.

   • Поэтому простой цементобетон в основном используется в дорогах и бетонных блоках для стен, так как эти конструкции подвержены сжимающим нагрузкам.

   Железобетон в основном представляет собой простой цементный бетон со стальными стержнями, которые обеспечивают дополнительную прочность на растяжение. Это наиболее распространенный тип бетона, используемый в строительстве, который применяется не только в зданиях, но и в таких конструкциях, как резервуары для воды.

   Предварительно напряженный бетон подвергается предварительному напряжению за счет приложения сжимающего напряжения до того, как он будет подвергаться какой-либо нагрузке, кроме собственного веса. Сжатие производится путем натяжения арматуры из высокопрочной стали в объеме бетона перед приложением внешних нагрузок.Это повышает его производительность после эксплуатации.

   В следующей таблице приведены преимущества и недостатки бетонных конструкций:

   
   

   Стальная конструкция

   Сталь

   представляет собой сплав железа, углерода и других элементов. В зависимости от химического состава она классифицируется как мягкая сталь, среднеуглеродистая сталь, высокоуглеродистая сталь, низколегированная сталь или высоколегированная сталь.

   Как следует из названия, конструкционная сталь относится к категории стали, используемой в строительной отрасли .Формы и свойства конструкционной стали регулируются стандартами, такими как стандарты Американского института стальных конструкций (AISC).

   • Большинство профилей из конструкционной стали представляют собой удлиненные балки с определенным поперечным сечением.

   • Наиболее распространенной формой является двутавровая балка, которая очень жесткая по отношению к площади поперечного сечения. Поэтому он может выдерживать высокие нагрузки без деформаций

   В следующих таблицах приведены преимущества и недостатки стальных конструкций:

   
   

   Прямое сравнение между бетоном и сталью

   Оба материала обладают многочисленными преимуществами, как описано в предыдущих разделах.При выборе между бетонной конструкцией и стальной конструкцией можно ожидать следующие отличия:

   Наиболее подходящий строительный материал для вашего здания определяется потребностями конкретного проекта. Например, бетон позволяет снизить затраты на строительство в обмен на более длительное время строительства, в то время как сталь предпочтительнее, когда приоритетом является быстрое строительство. В тех случаях, когда пространство ограничено, сталь экономит место по сравнению с более громоздкой бетонной конструкцией.

    

   Эта ультратонкая бетонная конструкция была построена с использованием новой системы опалубки из стальной сетки

   Эта ультратонкая бетонная конструкция была построена с использованием новой системы опалубки из стальной сетки

   © Block Research Group, ETH Zürich / Michael Lyrenmann ShareShare

   • Facebook

   • Twitter

   • Pinterest

   • WhatsApp

   • Mail

   или

   HTTPS: // www.archdaily.com/882360/this-ultra-thin-concrete-structure-was-constructed-using-a-novel-steel-net-formwork-system

   Исследователи материалов из группы исследований блоков в Швейцарской высшей технической школе Цюриха вместе с суперманевром архитекторов , представили прототип ультратонкой извилистой бетонной кровельной системы со средней толщиной всего 5 сантиметров. Используя цифровые технологии проектирования и изготовления, команда смогла рассчитать и построить самонесущую конструкцию оболочки, используя минимально необходимый материал.Этому способствовало использование новой системы опалубки, состоящей из сетки стальных тросов и полимерной ткани, натянутой в многоразовую конструкцию лесов.

   Прототип занимает площадь 120 квадратных метров с площадью поверхности 160 квадратных метров. Структурный анализ рассчитал точную толщину материала по всей оболочке, при этом толщина варьировалась от 3 сантиметров по краям крыши до 12 сантиметров на важнейших опорных поверхностях.

    Исследователи, работающие в Block Research Group, считают, что уникальная система опалубки из стальной сетки, разработанная для проекта, может быть быстро принята в строительной отрасли, поскольку она позволяет снизить стоимость материалов и менее инвазивное структурирование — во время бетонирования крыши. , область под ним оставалась свободной, что позволяло одновременно продолжать внутренние работы. В ходе четырехлетнего исследовательского процесса команда также разработала запатентованную технику распыления, которая позволяет бетону быть достаточно вязким, чтобы прилипать к опалубке, оставаясь при этом достаточно жидким, чтобы распылять через форсунку.

   © Block Research Group, ETH Zürich / Naida Iljazovic

   Эта новая технология опалубки будет впервые использована в реальном проекте в запланированном жилом блоке на крыше под названием HiLo, построенном на крыше жилой лаборатории NEST в Дюбендорф, Швейцария. В рамках этого проекта на внутренний слой бетона будут интегрированы изоляционные и нагревательные и охлаждающие змеевики, на которые будет напыляться второй слой бетона. Затем верхняя поверхность будет покрыта тонкопленочными фотогальваническими элементами, чтобы дом был энергоэффективным.

   © Block Research Group, ETH Zürich / Naida Iljazovic

   «Мы показали, что можно построить интересную конструкцию из тонкой бетонной оболочки, используя легкую, гибкую опалубку, тем самым продемонстрировав, что сложные бетонные конструкции могут быть сформированы без потери большого количества материала для их строительства», — говорит профессор Блок, руководитель Block Research Group. «Поскольку мы разработали систему и построили прототип шаг за шагом с нашими партнерами из отрасли, теперь мы знаем, что наш подход будет работать на строительной площадке NEST.

   Подробнее здесь.

   Проектирование и проектирование: Block Research Group, ETH Zürich: Филипп Блок, Том Ван Меле, Томас Мендес Эхенагусия, Эндрю Лью, Иоаннис Миртсопулос; суперманевр: Дэйв Пиграм, Иэн Максвелл, Оливер Беннетт; Боллинджер+Громанн; Математическая и физическая геодезия, ETH Zürich; Лаборатория автоматического управления, ETH Zürich

   Строительство: Марти [генеральный подрядчик]; Bürgin Creations [бетонные работы]; Holcim Schweiz [разработка бетона]; Doka [подмости]

   Изготовление: Jakob [кабели]; Бруно Леманн [стержни + компоненты кабельной сети]; Блумер Леманн [древесина]; Dafotech [стальные опоры + плиты]; Bieri [раскрой ткани + шитье]

   Спонсоры: ETH Zürich; Цифровое производство NCCR; Holcim Schweiz

   Клиент: Empa

   .