Типы структуры бетонной смеси

Структура бетонной смеси сохраняется и при затвердевании. По­этому структуру бетона следует классифицировать по содержанию цемент­ного камня и его размещению в бетоне. Однако на свойства бетона опреде­ляющее влияние оказывает его плотность или пористость. При прочих рав­ных условиях объем и характер пористости, а также соотношение в свойст­вах отдельных составляющих бетона определяют его основные технические свойства, долговечность, стойкость в различных условиях. В этой связи це­лесообразно классифицировать структуру бетона с учетом ее плотности.

На рис. 1 показаны основные типы структур: плотная, с пористым заполнителем, ячеистая и зернистая. Плотная структура, в свою очередь, может иметь контактное расположение заполнителя, когда его зерна сопри­касаются друг с другом через тонкую прослойку цементного камня, и «пла­вающее» расположение заполнителя, когда его зерна находятся на значи­тельном удалении друг от друга. 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. Ячеистая структура отличается тем, что в сплошной среде твердого материала распределены поры различных размеров в виде отдельных условно замкнутых ячеек. Зернистая струк­тура представляет собой совокупность скрепленных между собой зерен твердого материала. Пористость зернистой структуры непрерывна и анало­гична пустотности сыпучего материала.

Рис. 1 Основные типы макроструктуры бетона: а - плотная; б - плотная с пористым заполнителем; в - ячеистая; г - зернистая: R_б - средняя прочность структуры; R₁и R₂ - прочности составляющих бетона.

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

Большое влияние на свойства материала оказывает размер зерен, пор или других структурных элементов. В этой связи в бетоне различают мак­роструктуру и микроструктуру. Под макроструктурой понимают структу­ру, видимую глазом или при небольшом увеличении. В качестве структур­ных элементов здесь различают крупный заполнитель, песок, цементный камень, воздушные поры. Иногда для анализа и построения технологичес­ких расчетов условно принимают макроструктуру, состоящую из двух 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 цементного камня, которая состоит из непрореагировав­ших зерен цемента, новообразований и микропор различных размеров. По своему строению она напоминает бетон (если считать непрореагировавшие зерна заполнителем). Проф. В. Н. Юнгом подобная структура была образно названа «микробетоном».

Цементный камень является основным компонентом бетона, опреде­ляющим его свойства и долговечность. Основной составляющей микрост­руктуры цементного камня являются 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), различающиеся по составу и степени закристаллизованное™. 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.

Полукристаллические и аморфные формы гидросиликата кальция обозначают С - S - Н, подразумевая неопределенность состава. 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. Кристаллы различной формы образуют гидроалюминаты кальция и гидросульфоалюминаты (минерал эттренгит и др.).

Свойства цементного камня зависят от его минералогического соста­ва. Изменяя минералогический состав вяжущего и условия твердения, мож­но получать различные типы микроструктуры цементного камня: ячеистую, зернистую, волокнистую, сотовую или сложные структуры, состоящие из сочетания разных типов структуры. В технологии бетона используются раз­личные вяжущие вещества, применяются разнообразные условия твердения бетона, что обусловливает различные типы микроструктуры цементного камня.

Определенное влияние на свойства бетона оказывает также

микроструктура запол­нителя. На рис. 2 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 цементного

камня и заполнителя.

Рис. 2

Изменение микротвердости Н цементного

камня в контактной зоне у

поверхности заполнителя: 1 -

гранит; 2 - кварц.

Структура бетона, как правило, изо­тропна, т. е. ее свойства

по разным направле­ниям (приблизительно) одинаковы.

Однако путем особых приемов формования или вве­дения

специальных структурообразующих

элементов структуре бетона может быть прида­на

анизотропность, т. е. ее свойства в одном направлении будут

заметно отличаться от свойств в другом направлении.

Примером мо­жет служить бетон на заполнителе с лещадными

зернами, ориентированными в определен­ном направлении (рис. 3).

Рис. 3.

Прочность бетона

с лещадным заполнителем.

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

R = R₁(p/p₁)ⁿ,

(4.1)

где R₁ - прочность материала при плотности р₁; п - показатель сте­пени, зависящий от структуры материала.

Если принять, что R₁ / рⁿ = А есть характеристика данного матери­ала, численно равная его прочности при плотности, равной 1, то выражение (4.1) можно записать в виде:

R=Apⁿ. (4.2)

Структура бетона неоднородна. Отдельные объемы материала могут зна­чительно отличаться по своим свойствам, что оказывает заметное влияние на суммарные свойства материала. Могут различаться по свойствам не только цементный камень и заполнитель, но и отдельные зерна заполнителя друг от друга и отдельные микрообъемы це­ментного камня. Выше приводился пример изменения свойств цементного камня в контактной зоне. Сама контактная зона, как и основной массив це­ментного камня, неоднородна, в ней содержатся более или менее дефектные места, непрореагировавшие зерна, микротрещины и другие элементы, сни­жающие однородность материала.

Рис. 4. Элементарная ячейка

структуры бетона: 1 - зерназаполнителя;

2 - контактная зона;

3 -зона ослабленной структуры вследствиеседиментации;

4 - воздушные пузырьки;

5 - зона уплотнений структуры;

6 -крупные седиментационные поры.

На рис. 4. показана элементарная ячейка бетона.

Наглядно видна неоднородность структуры,

включающей плотный и прочный материал

с разными свойствами, переходные зоны, пустоты.

Неоднородность структу­ры обусловливает

неоднородность прочности бетона по объему.

Изменяя сырье, составы и технологию, можно получать разнообраз­ные структуры и свойства бетона в зависимости от его предназначения.

Литература:

1. Баженов Ю. М. «Технология бетона»

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: