3.2 Структура бетона. Структура 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.

www.uniexo.ru

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

gardenweb.ru

Структура бетона - это... Что такое Структура бетона?

Структура бетона – совокупность особенностей строения цементобетона, определяемая количеством и качеством минеральных составляющих, их взаимным расположением и характером связей между ними.

[Словарь основных терминов, необходимых при проектировании, строительстве и эксплуатации автомобильных дорог.]

Рубрика термина: Свойства бетона

Рубрики энциклопедии: Абразивное оборудование, Абразивы, Автодороги, Автотехника, Автотранспорт, Акустические материалы, Акустические свойства, Арки, Арматура, Арматурное оборудование, Архитектура, Асбест, Аспирация, Асфальт, Балки, Без рубрики, Бетон, Бетонные и железобетонные, Блоки, Блоки оконные и дверные, Бревно, Брус, Ванты, Вентиляция, Весовое оборудование, Виброзащита, Вибротехника, Виды арматуры, Виды бетона, Виды вибрации, Виды испарений, Виды испытаний, Виды камней, Виды кирпича, Виды кладки, Виды контроля, Виды коррозии, Виды нагрузок на материалы, Виды полов, Виды стекла, Виды цемента, Водонапорное оборудование, Водоснабжение, вода, Вяжущие вещества, Герметики, Гидроизоляционное оборудование, Гидроизоляционные материалы, Гипс, Горное оборудование, Горные породы, Горючесть материалов, Гравий, Грузоподъемные механизмы, Грунтовки, ДВП, Деревообрабатывающее оборудование, Деревообработка, ДЕФЕКТЫ, Дефекты керамики, Дефекты краски, Дефекты стекла, Дефекты структуры бетона, Дефекты, деревообработка, Деформации материалов, Добавки, Добавки в бетон, Добавки к цементу, Дозаторы, Древесина, ДСП, ЖД транспорт, Заводы, Заводы, производства, цеха, Замазки, Заполнители для бетона, Защита бетона, Защита древесины, Защита от коррозии, Звукопоглащающий материал, Золы, Известь, Изделия деревянные, Изделия из стекла, Инструменты, Инструменты геодезия, Испытания бетона, Испытательное оборудование, Качество цемента, Качество, контроль, Керамика, Керамика и огнеупоры, Клеи, Клинкер, Колодцы, Колонны, Компрессорное оборудование, Конвеера, Конструкции ЖБИ, Конструкции металлические, Конструкции прочие, Коррозия материалов, Крановое оборудование, Краски, Лаки, Легкие бетоны, Легкие наполнители для бетона, Лестницы, Лотки, Мастики, Мельницы, Минералы, Монтажное оборудование, Мосты, Напыления, Обжиговое оборудование, Обои, Оборудование, Оборудование для производства бетона, Оборудование для производства вяжущие, Оборудование для производства керамики, Оборудование для производства стекла, Оборудование для производства цемента, Общие, Общие термины, Общие термины, бетон, Общие термины, деревообработка, Общие термины, оборудование, Общие, заводы, Общие, заполнители, Общие, качество, Общие, коррозия, Общие, краски, Общие, стекло, Огнезащита материалов, Огнеупоры, Опалубка, Освещение, Отделочные материалы, Отклонения при испытаниях, Отходы, Отходы производства, Панели, Паркет, Перемычки, Песок, Пигменты, Пиломатериал, Питатели, Пластификаторы для бетона, Пластифицирующие добавки, Плиты, Покрытия, Полимерное оборудование, Полимеры, Половое покрытие, Полы, Прессовое оборудование, Приборы, Приспособления, Прогоны, Проектирование, Производства, Противоморозные добавки, Противопожарное оборудование, Прочие, Прочие, бетон, Прочие, замазки, Прочие, краски, Прочие, оборудование, Разновидности древесины, Разрушения материалов, Раствор, Ригеля, Сваи, Сваизабивное оборудование, Сварка, Сварочное оборудование, Свойства, Свойства бетона, Свойства вяжущих веществ, Свойства горной породы, Свойства камней, Свойства материалов, Свойства цемента, Сейсмика, Склады, Скобяные изделия, Смеси сухие, Смолы, Стекло, Строительная химия, Строительные материалы, Суперпластификаторы, Сушильное оборудование, Сушка, Сушка, деревообработка, Сырье, Теория и расчет конструкций, Тепловое оборудование, Тепловые свойства материалов, Теплоизоляционные материалы, Теплоизоляционные свойства материалов, Термовлажносная обработка бетона, Техника безопасности, Технологии, Технологии бетонирования, Технологии керамики, Трубы, Фанера, Фермы, Фибра, Фундаменты, Фурнитура, Цемент, Цеха, Шлаки, Шлифовальное оборудование, Шпаклевки, Шпон, Штукатурное оборудование, Шум, Щебень, Экономика, Эмали, Эмульсии, Энергетическое оборудование

Источник: Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов. - Калининград. Под редакцией Ложкина В.П.. 2015-2016.

construction_materials.academic.ru

2. Структура (строение) бетона

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

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

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

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

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

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

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

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

Общий объём пор в затвердевшем цементном камне достаточно велик и составляет при обычных условиях твердения бетона пример­но 25...40% от его видимого объёма. Причём, размеры поперечного сечения пор весьма малы: 60...80% от общего количества всех пор имеют размеры поперечного сечения, не превышающие 0,001 мм. С уменьшением W/C пористость цементного камня уменьшается, а прочность бетона повышается. Кроме того, бетоны из жёстких смесей (W/C = 0,3...0,4) при прочих равных условиях обладают меньшей деформативностью, требуют меньшего расхода цемента.

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

studfiles.net

Формирование структуры бетона

Количество просмотров публикации Формирование структуры бетона - 694

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 Н2О в процессе гидролиза С3S выделяется Са(ОН)2, образуя пересыщенный раствор, В этом растворе находятся ионы сульфата͵ гидрооксида и щелочей; Из раствора начинают осаждаться первые новообразования. Через 1 час наступает вторая стадия гидратации, которой характерно образование очень мелких гидросиликатов Са. Новообразования в первую очередь появляются на поверхности цементных зерен, с увеличением их количества и плотности их упаковки пограничный слой становится малопроницаемым для воды в течение 2-6 часов. Внутренние слои цементных зерен, реагируя с Н2О, стремятся расщепиться, ускоряется процесс гидратации. Наступает третья стадия процесса гидратации. Она характеризуется началом кристаллизации.

Этот процесс происходит очень интенсивно, т.к. на этом этапе количество гидратных фаз относительно мало, что в пространстве между частицами цемента происходит свободный рост тонких пластинок Cа(OH)2, гидросиликата Cа и эттрингита в виде длинных волокон, которые образуются одновременно. Волокна новообразований проходят через поры, разделяют их на более мелкие и создают пространственную сетку, 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 жёсткая структура сначала является очень рыхлой, но постепенно она уплотняется: в заполненных водой порах этой структуры непрерывно появляются новые гидратные фазы. Объём пор и их размеры уменьшаются, возрастает количество контактов между новообразованиями, утолщаются и уплотняются гелœевые оболочки на зернах цемента͵ срастающиеся в сплошной цементный гель, с включениями непрореагировавших центров цементных зерен. В результате возрастает прочность цементного камня и бетона.

При полной гидратации цемента в химическую связь с его минœералами вступает приблизительно 20-25% Н2О от массы цемента.

Гидратация цемента сопровождается изменением относительного объёма его разных фаз.

В процессе гидратации вода, вступая в реакцию с цементом, приобретает регулярную структуру и общий объём системы ʼʼцемент-водаʼʼ уменьшается, в то время, как объём твёрдой фазы за счёт присоединœения Н2О увеличивается. Гидратированный цемент занимает V в 2,1 – 2,2 раза больший, чем объём цемента до гидратации.

Уменьшение объёма системы ʼʼцемент-водаʼʼ в процессе гидратации получило название ʼʼконтракцииʼʼ. В среднем величина контракции составляет 7-9 мл на 100 г цемента.

В процессе гидратации размеры пор в цементном камне уменьшаются. Пористость геля составляет 28%. Наряду с порами геля в цементном камне сохраняются более крупные капиллярные поры, образовавшиеся приготовлением цементного теста.

При полной гидратации цемента пористость уменьшается при понижение В⁄Ц.

На пористость влияет также степень уплотнения цементного теста. При низких значениях В⁄Ц увеличивается флокуляция цементных частиц и объёмом вовлечения воздуха. В результате возрастает общая пористость цементного камня и понижается его R.

При низких В/Ц возрастает роль условий выдерживания. При твердении в Н2О увеличивается степень гидратации цемента͵ уменьшается пористость цементного камня, что обеспечивает повышение его R.

В обычных бетонах цемент редко гидратируется полностью, в связи с этим остаются непрогидратировавшие зерна и значительное количество капиллярных пор.

В бетоне цементный камень в результате введения заполнителя занимает только часть объёма, в результате изменяется и пористость.

Для практических целœей часто требуется знать сроки схватывания бетонной смеси.

Время от начала затвердения до момента резкого возрастания прочности принято называть пределом формирования структуры.

К концу периода формирования структуры цементное тесто превращается в камень, совершается резкий переход от пластической прочности цементного теста к хрупкой прочности затвердевшего цементного камня.

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

Заполнитель оказывает заметное влияние на структурообразование бетона после затвердения бетонной смеси формируя жёсткий каркас, упрочняющий структуру бетона. Заполнитель повышает водоудерживающею способность цементного теста͵ ограничивает усадочные деформации, способствует образованию кристаллического каркаса, влияет на изменение температуры и влажности твердеющего бетона.

Для удобства расчетов и прогнозирования свойств бетона процесс формирования его структуры можно разбить на три периода: первоначальный, в течение которого бетонная смесь превращается в бетон; второй, во время которого структура бетона постепенно упрочняется, и третий, когда структура стабилизируется и почти не изменяется во времени.

Структура бетона

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

При этом на свойства бетона определяющее влияние оказывает его плотность или пористость.

При прочих равных условиях объём и характер пористости, а так же соотношение в свойствах отдельных составляющих бетона определяют его основные технологические свойства, долговечность, стойкость в различных условиях.

В этой связи целœесообразно классифицировать структуру бетона с учётом её плотности:

1) плотная;

2) с пористым заполнителœем;

3) ячеистая;

4) зернистая.

Плотная структура, в свою очередь, может иметь контактное расположение заполнителя, когда его зерна соприкасаются друг с другом через тонкую прослойку цементного камня, и ʼʼплавающиеʼʼ расположение заполнителя, когда его зерна находятся на значительном удалении друг от друга.

Плотная структура состоит из сплошной матрицы твердого материала, к примеру, цементного камня, в котором направлены зерна другого твердого материала (заполнителя) достаточно прочно связанные с материалом матрицы. Ячеистая структура отличается тем, что в сплошной среде твердого материала распределœены поры различных размеров в виде отдельных условно замкнутых ячеек. Зернистая структура представляет собой совокупность скрепленных между собой зёрен твердого материала.

Наибольшей R обладает материал с плотной структурой, наименьшей - с зернистой. Большое влияние на свойства материала оказывает размер зёрен, пор или других структурных элементов. В этой связи в бетоне различают макро- и микроструктуру. Под макроструктурой понимают структуру, видимую глазом. В качестве структурных элементов здесь различают: крупный заполнитель, песок, цементный камень, воздушные поры.

Микроструктурой называют структуру, видимую при небольшом увеличении под микроскопом. Для бетона большое значение имеет микроструктура цементного камня, который состоит из непрореагированных зерен цемента͵ новообразований и микропор различных размеров.

Цементный камень определяет свойства и долговечность бетона. Основной составляющей микроструктуры цементного камня являются гидросиликаты кальция. Цементный камень содержит участки с различной структурой, сложенные разными минœералами. Его строение отличается сложностью, многообразием и неоднородностью.

Изменяя минœералогический состав вяжущего и условия твердения, можно получить различные типы микроструктуры цементного камня: ячеистый, зернистый, волокнистый, сотовую или сложные структуры, состоящие из сочетания разных типов структуры.

Определяющее влияние на свойства бетона оказывает также микроструктура заполнителя. Структура бетона изотропна, ᴛ.ᴇ. ее свойства одинаковы по всœем направлениям: однако путем особых приемов формирования, или введения специальных структурообразующих элементов структуре бетона должна быть придана анизотропность, ᴛ.ᴇ. ее свойства в одном направлении будут заметно отличаться от свойств в другом направлении.

Примером может служить бетон на заполнителœе с лещадными зернами, ориентированными в определœенном направлении.

Для разных видов бетона характерна своя структура. Для тяжелых – плотная, для легких конструктивных – плотная структура с пористыми включениями, ячеистый бетон имеет ячеистую структуру, крупнопористый – зернистую. При этом подразделœение на приведенные типы структур – условно, в действительности структура бетона отличается сложностью. Прочность бетона обуславливается его плотностью и характером его структуры

– относительная плотность,

R1 – прочность материала при плотности ;

n – показатель, зависящий от структуры материала.

В случае если принять, что – есть характеристика материала, численно равная его прочности при ρ =1 то выражение можно записать

Выражение показывает, что R пористого материала пропорционально его ρ – колеблется от 2 до 6. Для материала ячеистой структуры его ориентировочно можно принять ~ 2. Для материала зернистой структуры показатель ʼʼnʼʼ зависит от формы зерен составляющих материалов и R их контактов, его можно принять равным 4 (при колебаниях от 3 до 6).

Итак, структура бетона неоднородна. Отдельные объёмы материала могут значительно отличаться по своим свойствам, что оказывает заметное влияние на суммарные свойства материала.

Могут различаться по свойствам не только цементный камень и заполнитель, но и отдельные зерна заполнителя друг от друга и отдельные микрообъемы цементного камня.

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

Влияние температуры на рост прочности ( твердение) бетона

1. Твердение бетона при нормальной температуре.

При возведении монолитных конструкций и изготовлении изделий на полигонах, бетон твердеет при положительной температуре 5-35оС. При достаточной влажности рост R продолжается долгое время.

Для ориентировочного определœения R бетона в разном возрасте

используют формулу

Rn , R28 - прочность в n и 28 суток ;

lgn , lg28 -десятичный логарифм возраста бетона.

Эта формула дает удовлетворительные результаты при n > 3 для бетонов, приготовляя на рядовом портландцементе и твердеющих при температуре 15-20оС. В действительности темп роста R бетона, особенно в раннем возрасте, будет зависеть от многих факторов: минœералогического состава и тонкости помола цемента͵ состава бетона, В/Ц, вида и дозировки использованных химических добавок. Нарастание R ускоряется, в случае если применить БТЦ, добавки-ускорители твердения, бетоны с низким В/Ц.

Наиболее существенное влияние на темп твердения бетона оказывает минœералогический состав цемента.

Алюминатный (СзА 12%) цемент и алитовый цемент обеспечивают более быстрое нарастание R бетона в раннем возрасте, резко замедляют прирост R в длительные сроки твердения, а бетоны на цементах со сложным минœеральным составом, пуццолановом, на шлакопордландцементе и белит. п/ц, медленно твердеющих вначале, показывают заметный рост прочности в течение длительного времени. При благоприятных условиях R бетона на этих цементах к полугодовому возрасту возрастает в 1,5-1,8 раза по сравнению с R в возрасте 28 суток, отличается рост R в течение нескольких лет.

При пониженных температурах и W воздуха твердение бетона резко замедляется. Заметное влияние на твердение бетона оказывают даже сравнительно небольшие колебания температур.

По этой причине, при бетонировании масштабных сооружений, особенно в весенне-осœенний период, крайне важно по возможности учитывать колебания температуры и ее влияние на твердение бетона. В действительности изменение температуры не происходит мгновенно. Интенсивность нагрева и остывания зависит от перепада температур, свойств бетона, массивности конструкций и других факторов. Обычно расчет очень трудоемок.

Большое значение для твердения бетона имеет организация ухода за ним, особенно в раннем возрасте. Целью ухода является сохранение надлежащей W среды. Для этого бетон укрывают полимерной пленкой, посыпают песком, который постоянно увлажняют, используя синтетический материал, предохраняют бетон от высыхания, чтобы избежать замедления процессов гидратации цемента и роста R бетона.

При быстром высыхании бетона в раннем возрасте возникают значительные деформации усадки, появляются микротрещины. В результате ухудшается структура бетона, снижается его конечная R. Исправить структуру впоследствии не удается. По этой причине правильный уход за бетоном в раннем возрасте является необходимым условием получения доброкачественного бетона.

Твердение бетона в зимний период

При пониженных температурах R бетона нарастает медленнее, чем при нормальной. При температуре бетона ниже 0оС, твердение бетона прекращается, в случае если только в бетон не добавить соли, снижающую точку замерзания воды.

Бетон, начавший твердеть, а затем замерзающий после оттаивания продолжает твердеть в теплой среде. И если он не был поврежден замерзающей водой в самом начале твердения, R его постепенно нарастает, однако отстает от роста R бетона, твердеющего при нормальной температуре.

Бетон, укладываемый зимой, должен приобрести R, достаточную, для разопалубки, частичной нагрузки или даже для полной нагрузки сооружения. Замерзание бетона в раннем возрасте влечет за собой значительное понижение R после оттаивания и в процессе дальнейшего твердения по сравнению с нормально твердеющим бетоном.

Это объясняется тем, что свежий бетон насыщен водой, которая при замерзании расширяется и разрывает связи между поверхностью заполнителœей и слабым цементным камнем.

Прочность бетона тем ближе к нормальной, чем позже он был заморожен. Вместе с тем, из-за раннего замораживания уменьшается сцепление бетона со стальной арматурой в желœезобетоне. При любом способе производства бетонных работ бетон следует предохранять от замерзания до приобретения им минимальной (критической) R, которая обеспечивает крайне важно е сопротивление давлению льда и сохранению в последующем при положительных температурах способности к твердению без значительного ухудшения базовых свойств бетона. В случае если к бетону предъявлять повышенные требования по динамическим свойствам, водонепроницаемости и морозостойкости, то его следует предохранять от замерзания до достижения марочной R.

Способ зимнего бетонирования с противоморозными добавками прост и экономичен, но большое количество солей может ухудшить структуру бетона, долговечность и некоторые особые свойства, также имеется опасность коррозии арматуры от действия хлористых солей. Вместе с тем, образующиеся в процессе твердения едкие щелочи могут вступить в реакцию с активным кремнеземом, содержащимся в некоторых заполнителях и вызвать коррозию.

По этой причине бетон с противоморозными добавками не рекомендуется применять в ответственных конструкциях, в конструкциях, предназначенных для эксплуатации во влажных условиях.

Твердение бетона при повышенных температурах

Для ускорения твердения используют различные способы:

Механические - повышение удельной поверхности цемента или активация бетонной смеси;

Химические - введение добавок ускоряющих твердение;

Тепловые - пропаривание и электропрогрев.

Как известно, нагрев ускоряет химические реакции. Повышение температуры бетона активирует взаимодействие воды и цемента и ускоряет твердение бетона. При этом фазовый состав продуктов гидратации цемента͵ твердеющий при разных температурах, практически остается одинаковым. Установлено, что минœералогический состав цемента оказывает заметное влияние на R бетона.

Поскольку скорость нарастания прочности в процессе тепловой обработки, достигая наивысших значений в первые часы, затем резко уменьшается, то практически целœесообразно проводить обработку до получения предельной R. Обычно тепловую обработку заканчивают при R бетона 70-80% от предельных значений. В этом случае обеспечивается достаточно интенсивный рост R после тепловой обработки, и она достигает в возрасте 28 суток заданной средней R, а время прогрева сокращается в 2-3 раза по сравнению с тем временем, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ потребовалось бы для получения предельной R. При этом предполагается, что пропаривание начинается приблизительно через 2 часа после формования изделия, а подъём температуры будет плавным (в течение 3 часов до 80оС).

Применение коротких режимов будет приводить к перерасходу цемента.

Проницаемость бетона

Для бетона гидротехнических и ряда других сооружений важной характеристикой является его проницаемость. Она в известной мере определяет способность материала сопротивляться воздействию увлажнения и замораживания, влиянию различных атмосферных и других факторов и агрессивных сред.

Проницаемость – бетона зависит от его пористости, структуры пор и свойств вяжущего и заполнителœей.

При увлажнении бетона мельчайшие поры и капилляры заполняются водой, которая под воздействием физических поверхностных сил значительно теряет свою подвижность и как бы закупоривает эти капилляры. Наступает ʼʼкольматацияʼʼ пор и капилляров, что приводит к уменьшению проницаемости бетона с увеличением возраста бетона изменятся характер его пористости, постепенно уменьшается объём макропор, которые как бы зарастают продуктами гидратации цемента и в результате уменьшается проницаемость бетона.

K пр. Размещено на реф.рф= At (p1-p2)

A – площадь образца

t - время

р1-р2 – градиент давления.

Коэффициент проницания оценивается количеством воды, прошедшим через 1 см образца в течение 1 часа при постоянном давлении.

Плотные бетоны обычно не фильтруют воду, в связи с этим для их оценки используют другие понятия – марка по водонепроницаемости. К примеру, W2,W4 и т. д. Эта характеристика показывает до какого давления бетон является непроницаемым для воды.

Появления микротрещин вследствие усадки бетона при попеременном увлажнении и замораживании или высыхании может существенно снизить непроницаемость бетона. Для повышения непроницаемости бетона применяют так же специальные методы: введение при приготовлении бетона органических и гидрофобных добавок, неорганических добавок, загустевших веществ или гетермопластичных полимеров, пропитка специальными веществами, гидрофобизация поверхностных слоев бетона, покрытие специальными пленкообразующими составами, пропитка мономеров с последующей полимеризацией.

Морозостойкость бетона

Под морозостойкостью бетона понимают его способность в насыщении водой в состоянии выдерживания многократно попеременного замораживания и оттаивания.

При замерзании вода увеличивается в объёме, более чем на 9%. Расширению Н2О препятствует твердый скелœет бетона, в котором могут возникать очень высокие напряжения. Повторяемость замерзания и оттаивания приводит к постепенному разупрочнению структуры бетона и к его разрушению. Сначала начинают рушиться выступающие грани, затем поверхностные слои и постепенно разрушение распространиться вглубь бетона. Неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ влияние будут оказывать и напряжения, вызываемые различием в коэффициентах и температурных расширенных составляющих бетона и температурно-влажностным градиентом.

Критерием морозостойкости бетона является количество циклов, при котором потеря в массе образца < 5%, а его R снижается не менее чем на 25%. Это количество циклов определяет марку бетона по морозостойкости: для тяжелого бетона F50 … F500, которая назначается зависимости от условий эксплуатации конструкции. Морозостойкость бетона зависит от его строения, особенно от характеристик пористости.

Существуют два способа повышения морозостойкости бетона:

1) повышение плотности ρ бетона, уменьшение объёма макропор и их проницаемости для воды, к примеру за счёт снижения В/Ц , применения добавок, гидрофибизирующих стенки пор, или кольматации при пропитке специальным составом.

2) создание в бетоне с помощью специальных воздухововлекающих добавок резервного объёма воздушных пор (более 20% V замерзающей воды). Чтобы получить морозостойкий бетон В/Ц должно быть < 0,5. Вместе с тем, расстояние между пузырьками воздуха, ᴛ.ᴇ. толщина прослоек между сосœедними воздушными порами не должна превышать 0,025 см ᴛ.ᴇ. крайне важно получение воздушных пор меньшего размера. Оптимальный объём вовлечения воздуха составляет 4-6 % и определяется расходом цемента͵ воды и крупных заполнителœей.

Механические свойства

Прочность бетона при сжатии. Для конструкций, которые проектируют с учетом требований СТ СЭВ 1406-78, Rб на сжатие характеризуется классами. Класс бетона определяется величиной гарантированной прочности на сжатие с обеспеченностью 0.95. Бетоны подразделяют на классы: В1; В1,5; В2; В2,5; В3,5; 5; 7,5;10; 12,5; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 50; 55;60.

Между классами бетона и его средней прочностью имеется зависимость

В=R (1- t υ)

В – класс бетона по R мПа;

R – средняя R, которую следует обеспечить при производстве конструкций ,

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

υ - коэффициент вариации прочности бетона.

Для перехода от класса бетона В к средней Rб (МПа) калибруемой на производстве для образцов 15х15х15 см (при нормативном коэффициенте вариаций 13,5% и t = 0,95) следует применять формулу Rб =В/0,778. К примеру, для класса В5 получим среднюю Rб =6,43 МПа, а для класса В40 – Rб =51,4МПа.

В строительстве используют следующие марки: М50; М75; 100; 150; 200; 250; 300; 400; 450; 500; 600 и выше. Превышение заданной R допускается не более чем на 15%, т. к. это ведет к перерасходу цемента. Размер ребра контролируемого образца бетона должен быть в 3 раза больше максимальной крупности зерен заполнителя. Для определœения марки бетона на кубах с другими размерами вводятся специализирующие переходные коэффициенты.

Размер куба , см 7х7х7, 10х10х10, 15х15х15, 20х20х20

Коэффициент 0,85 0,85 1,0 1,05

На практике наблюдаются значительные отклонения от приведенных выше коэффициентов, т.к. их значение зависит от жесткости опорных плит пресса, марки бетона и других факторов. Для получения более достоверных результатов крайне важно , чтобы толщина опорных плит пресса была не менее половины величины ребра испытываемого куба. В этом случае действительны переходные коэффициенты могут оказаться выше рекомендованных и проектирование бетона с использованием последних повышает запас R конструкции. Средний R легкого бетона определяют также при сжатии кубов 15х15х15 см. При испытании кубов других размеров переходный коэффициент не вводится. Для лёгких бетонов установлены классы: В2,5; В3,5: 5; 7,5; 10; 12,5; 15;20;25;30;35;40.

При изготовлении сборных ж/б конструкций, а так же при срочных работах, когда используется БТЦ или применяют различные способы ускорения твердения, R его определяют в более короткий срок твердения: 1, 3, 7 суток.

Наоборот, бетоны не медленно твердеющие вяжущие, к примеру, в монолитных массивных сооружениях могут иметь расчетные сроки твердения: 60, 90, 180 суток. Увеличение расчетного срока твердения бетона обычно ведет к экономии цемента.

Для правильного определœения состава бетона важно знать, как зависит его R от количества цемента и заполнителœей, соотношение между составляющими и прочих факторов.

Rб в определœенный срок при твердении в нормальных условиях зависит главным образом от R (активности) цемента и В/Ц отношение Rб повышается с увеличением R/Ц или уменьшением В/Ц.

Rб = Rц /(А (В/ц)1/2) А коэффициент, увеличивает влияние других факторов.

При очень низких В/Ц отношениях, даже при повышенных расходах цемента и h3O не удается получить удобообрабатываемой бетонной смеси и необходимую плотность бетона. С дальнейшим уменьшением В/Ц , Rб не увеличивается , а затем даже начинает уменьшается.

Зависимость Rц от В/Ц строго соблюдается лишь при испытании бетона на одинаковых материалах, с близкой подвижностью бетонной смеси.

При значениях В/ц = 0,4-0,7 существует прямолинœейная зависимость между Rб, активностью цемента и Ц/В отношением.

При одинаковом В/Ц отношении Rб мало зависит от подвижности бетонной смеси, приготовленной из жёстких бетонных смесей, был выше Rб образцов из пластичной смеси в среднем на 1-5%.

На основании опытных данных была выведена единая формула с усреднен. коэффициентом Rб = 0,56 Rц (Ц/В-0,5).

Опыт показывает, что замена щебня гравием вызывает снижение Rб/Rц до 25%.

При Ц/В больше 2,5 прямолинœейная зависимость между прочностью бетона Ц/В отношение нарушается. Действительные значения прочности получаются ниже расчетных. Для расчета состава бетона используется две эмпирические формулы .

Для бетонов с В/ц >= 0,4(Ц/В<=2,5)

Rб = АRц (Ц/В-0,5)

Для бетонов с В/ц<=0,4(Ц/В>=2,5)

Rб = А1 *Rц (Ц/В+0,5)

А- характерное качество заполнителя.

Методика испытаний

На результаты определœения Rб влияет много факторов, даже образцы одного и того же замеса, твердеющие в одинаковых условиях и испытанные на одном прессе, показывает различные значения. В случае если же имеются отклонения в методике испытаний, то различия в R существенные.

Рассмотрим влияния различных факторов, связанных с подготовкой и испытанием образцов на Rб при сжатии. Эти факторы можно разделить на три группы: статические, технологические, методические.

Факторы, связанные с приготовлением образцов и их качеством, относятся к технологическим. К методическим факторам относится различные аспекты методики испытаний, каждый из которых оказывает определœенное влияние на его результат как показывает статистика определœенную роль играет и организация технологического процесса, чем лучше организован процесс и ниже коэффициент вариации прочности бетона, тем меньшей мере должен проявляться масштабный эффект.

Прочность бетона на растяжении при изгибе

Для тяжелых бетонов, применяемых в строительстве дорог и аэродромов, устанавливаются марки бетонов по прочности на растяжение при изгибе, которые определяют путем испытаний балочек квадратного сечения. Балку испытывают с приложением сил в 1/3 пролета.

Прочность на растяжение при изгибе Rизг(МПа) вычисляют по формуле Rизг=k . Pmax/(b h3 ), где Pmax - разрушающая сила, кН, b- ширина образца. см, h-высота͵ см, k-коэффициент; для балочек L = 40 см; k = 31,5; L= 50 см; k =45; L = 80 см; k = 57.

Прочность бетона при изгибе несколько раз меньше его прочности при сжатии марки бетона на растяжение при изгибе: М5; М10;М15;М20;М25;М30;М35;М40;М45;М50.

Деформативные свойства.

Первоначальная усадка бетонной смеси

Деформативные свойства бетона учитывают при проектировании конструкций, они оказывают большое влияние на качество и долговечность бетонных и желœезобетонных сооружений.

Условно деформации бетона можно разделить на следующие виды: собственные деформации бетонной смеси (первоначальная усадка), возникающие под действием физико-химических процессов, протекающих в бетоне; деформации от действия механических нагрузок, причем различают деформации от кратковременного действия нагрузок и от длительного действия полученного бетона; температурные деформации бетона.

Величина первоначальной усадки зависит от состава бетонной смеси и свойств используемых материалов. Жесткие бетонные смеси имеют меньшие величины первоначальной усадки, чем пластичные и тем более литые смеси. Первоначальная усадка уменьшается со снижением водосодержания бетонной смеси и уменьшением расхода цемента͵ при применении тонкомолотых добавок, хорошо удерживающих воду при высоком содержанием крупного заполнителя, обеспечивается создание жесткого скелœета бетонной смеси. На величину первоначальной усадки могут оказывать влияние формы, арматурный каркас и производственные факторы. Густое армирование и узкая форма будут препятствовать проявлению первоначальной усадки.

Создание жёсткого скелœета в бетонной смеси с большим расходом h3O уменьшая внешнюю первоначальную усадку не может препятствовать протеканию седиментационных процессов между зернами крупного заполнителя. По этой причине в бетоне увеличивается доля скрытой усадки, протекающей в отдельных микрообъемах и вызывающей расслоение и ухудшение качества бетонной смеси. Деформации первоначальной усадки и упругого последействия крайне важно учитывать при формовании бетонных и ж/б изделий, т.к. они влияют на окончательные размеры изделия и качество его открытых поверхностей.

Усадка бетона.

Процесс твердения бетона сопровождается изменением его объёма. Наиболее значительным является уменьшение объёма при твердении в атмосферных условиях или при недостаточной W среды, получившее название усадки бетона.

Усадка вызывается физико-химическими процессами, происходящими в бетоне при твердении, и изменением его влажности. Суммарная величина деформаций усадки складывается из ряда составляющих, из которых наиболее существенное значение имеют влажностная, контракционная и карбонизационная деформация, названные так по виду определяющего фактора.

Влажностная усадка - вызывается изменением распределœения перемещением и испарением влаги в образовавшемся скелœете цементного камня. Это составляющее играет ведущую роль в суммарной усадке бетона.

Контракционная усадка - вызывается тем, что объём новообразований цементного камня меньше объёма, занимаемого веществами , вступающими в реакцию. Обычно эта усадка развивается в период затвердевания бетона, когда он ещё достаточно пластичен, и в связи с этим всœе сопровождается заметным растрескиванием материала.

Карбонизационная усадка - вызывается карбонизаций гидроксида кальция и развивается постепенно с поверхности бетона в глубину.

Величина усадки бетона зависит от его состава и свойств использованных материалов. Усадка увеличивается при повышении содержания цемента и Н2О, применении высокоалюминатных цементов, мелкозернистых и пористых заполнителœей. Быстрое высыхание бетона приводит к значительной и неравномерной усадке( усадка поверхностных слоев материала выше) и может вызвать появление усадочных трещин.

Модуль упругости и деформации бетона при кратковременном напряжении.

Деформации ползучести.

Температурные деформации. (самостоятельно)

Проектирование состава тяжелого бетона

В результате проектирования состава бетона должно быть определœено такое соотношение между материалами, при котором будет гарантировано Rб в конструкции с учетом технологии её изготовления, необходимая подвижность бетонной смеси и экономичность бетона (минимальный расход цемента).

Проектирование состава бетона включает:

а) назначение требований к бетону, исходя из вида и особенностей службы и изготовления конструкций;

б) выбор материалов для бетона и получение необходимых данных, характеризующих их свойства;

в) определœение предварительного состава бетона;

г) проверку состава в пробных замесах;

д) контроль за бетонированием;

е) корректировку состава в процессе производства при колебаниях свойств заполнителя и др. Размещено на реф.рффакторов.

Определœение предварительного состава бетона производят на базе зависимости Rб от активности цемента͵ Ц/В отношения, количества используемых материалов, и зависимости подвижности бетонной смеси от расхода Н2О.

Для получения уточненной зависимости свойств бетона и бетонной смеси от его состава, в случае если имеется возможность, проводят предварительные испытания.

Подвижность (жесткость) бетонной смеси назначают исходя из размеров конструкции, густоты армирования, способов укладки и уплотнения. Бетонная смесь обладает крайне важно й удобоукладываемостью только при содержании в ней достаточного количества цемента. Уменьшение количества цемента до определœенных значений повышает опасность расслоения бетонной смеси и может привести к появлению в смеси микропустот и снижению R и долговечности бетона. Минимальный расход цемента зависит от консистенции бетонной смеси и крупности заполнителя. Для экономии расхода цемента крайне важно , чтобы его марка по возможности превышала требуемую Rб.

Прочность бетона, МПа 10 15 20 30 40 50

Марка цемента 300 400 400 500 600 600

В качестве заполнителя бетона стремятся использовать, как правило, местные материалы, или материалы из близко расположенных карьеров, но выбирают из них те, которые позволяют получать бетон с заданными свойствами при минимальных расходах цемента.

Заданную подвижность бетонной смеси обеспечивают правильным назначением расхода воды, а прочность бетона - правильным назначением В/Ц - отношения и расхода цемента.

Минимального расхода цемента добиваются правильным выбором содержания крупного и мелкого заполнителя. В современных методах расчета обычно используют коэффициент раздвижки зерен щебня (гравия) раствором, который показывает, насколько объём раствора превышает объём пустот в щебне.

Оптимальные значения коэффициента ʼʼаʼʼ в пластичной бетонной смеси зависят от содержания в бетоне цементного теста и крупности песка: они возрастают с увеличением цементного теста и крупности песка.

В жесткой бетонной смеси наилучшая удобоукладываемость бетонной смеси и R бетона достигаются при минимальной раздвижке зерен щебня (гравия), т.к. при этом расход песка и суммарная площадь поверхности заполнителœей являются также минимальными. В результате зерна заполнителя укладываются наиболее плотно, обеспечивая хорошее качество бетона.

С увеличением количества Н2О для придания бетонной смеси большей подвижности абсолютный объём цементного теста возрастает, а его вязкость понижается. Чтобы избежать водоотделœения и расслоения бетонной смеси и обеспечить её связанность, крайне важно увеличить коэффициент ʼʼаʼʼ, сохраняя тем самым, а иногда даже увеличивая (при высоких значениях В/Ц) соотношение между песком и щебнем. При постоянном расходе цемента увеличение В/Ц ведёт к увеличению расхода Н2О и объёма цементного теста и соответственно к повышению оптимальных значений коэффициента ʼʼаʼʼ.

Уменьшение крупности песка при прочих равных условиях вызывает уменьшение оптимальных значений ʼʼаʼʼ. Это объясняется тем, что более мелкие пески с повышенной удельной поверхностью обладают более высокой водоудерживающей способностью и позволяют получить связную и нерасслаиваемую бетонную смесь при меньшем расходе песка. Форма зёрен крупного заполнителя практически не влияет на оптимальные значения коэффициента ʼʼаʼʼ, ᴛ.ᴇ. для бетона на щебне и гравии можно применять одинаковые значения ʼʼаʼʼ.

Введение в бетонную смесь химических добавок практически не изменяет оптимальных значений коэффициента ʼʼаʼʼ если водоудерживающая способность бетонной смеси достаточна. В случае если же при введении пластификаторов и суперпластификаторов получаются литые бетонные смеси и возникает опасность их расслоения, то коэффициент ʼʼаʼʼ повышают, чтобы увеличить водоудерживающие свойства смеси. При введении воздухововлекающих добавок как бы увеличивая объём цементного теста за с

referatwork.ru

Структура бетона | Будмаш

Структура бетона

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

Основные типы структур показаны на рис. 5.

 

Рисунок 5. Основные типы микроструктуры бетона:

 

1. Плотная структура состоит из сплошной матрицы твердого материала (например, цементного камня), в которую вкраплены зерна другого твердого материала (заполнителя), достаточно прочно связанные с материалом матрицы.

Плотная структура, в свою очередь, может иметь разное расположение заполнителя: когда его зерна соприкасаются друг с другом через тонкую прослойку цементного камня, и «плавающее»  расположение заполнителя, когда его зерна находятся на значительном удалении друг от друга.

2. Плотная структура с пористым заполнителем.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

Рисунок 6. Элементарная ячейка структуры бетона:

1 – зерна заполнителя;

2 – контактная зона;

3 – зона ослабленной структуры вследствие седиментации;

4 – воздушные пузырьки;

5 – зона уплотненной структуры;

6 – крупные седиментационные поры.

 

 

 

 

Купить бетономешалку

budmash.ua

3.2 Структура бетона

Структура бетонной смеси сохраняется и при затвердевании.

  Однако на свойства бетона определяющее влияние оказывает его плотность или пористость. При прочих равных условиях, объем и характер пористости, а также соотношение в свойствах отдельных составляющих бетона определяют его основные технические свойства, долговечность, стойкость в различных условиях. В этой связи целесообразно классифицировать структуру бетона с учетом ее плотности. На рисунке 3.2.1 показаны основные типы структур.

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

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

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

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

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

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

4 Технологические свойства

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

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

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

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

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

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

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

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

Подвижность бетонкой смеси определяют по осадке стандартного конуса.

 

 

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

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

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

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

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

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

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

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

studfiles.net


Смотрите также