§ 2. Понятие о макро- и микроструктуре бетона
Макроструктура определяет сложение бетона как искусственного конгломерата, подобно текстуре горных пород (рис. 62, а).
Объем уплотненной бетонной смеси (примем его равным 1) слагается из объемов: зерен заполнителя V3, цементного теста Уц.т и воздушных пор Увозд, которые выразим в долях от 1, следовательно,
У8+Уц.т+Увоад=1.
При хорошем уплотнении воздушная пористость близка к нулю (Увозд менее 2 — 3%), поэтому можно принять, что уплотненная смесь состоит в основном из двух составных частей — зерен заполнителя и цементного теста: Va + Уц.т = 1.
Поскольку цементное тесто состоит из зерен цемента и воды, уравнение, выражающее объем плотно уложенной бетонной смеси, примет вид.
У8 + Ц/Рц + В = 1,
где рц — плотность цемента, т/м3; Ц и В — соответственно количества цемента, т, и воды, м3, расходуемые на 1 м3 уплотненной бетонной смеси; Цец — абсолютный объем цемента.
Это уравнение называют уравнением абсолютных объемов, так как в него входят абсолютные объемы заполнителя и цемента.
Зависимость структуры бетонов слитного строения от В/Ц расходов цемента и воды представлена в виде номограммы (рис. 62,6).
Рис. 62. Структура бетона: а — макроструктура растворной части бетона видны зерна песка, сцементированные вяжущим (Х92); 6 — номограмма структур бетонов; в — микроструктура цемент» ного камня в бетоне; крупные кристаллы эттрингита, мелкие частицы гидросиликата кальция (Х9690)
По горизонтальной оси отложены значения В/Ц цементного теста, по вертикальной оси — расходы воды в м3 на 1 м3 бетона. Номограмма имеет вид семейства кривых, встречающихся в начале осей координат.
Каждая точка номограммы, полученная при пересечении кривой и наклонной прямой, соответствует бетону определенного состава. Например, взятая на номограмме точка А определяет бетон с В/Ц = 0,6, расходами воды и цемента соответственно 0,18 м3/м3 и 0,3 т/м3; макроструктура бетона характеризуется содержанием заполнителя У3 = 0,72 и цементного теста Уц.т = 0,28 м3.
На номограмме выделена (пунктиром) область бетонов, наиболее широко применяемых в строительстве.
Микроструктура характеризует строение твердого вещества (рис. 62, в), величину и характер пористости каждого из компонентов бетона (цементного камня и заполнителя), а также строение пограничного (контактного) слоя между ними.
Заполнитель влияет на тесто вяжущего вещества в бетоне и формирование структуры. На смачивание зерен плотного заполнителя тратится часть воды затворения, и структура цементного камня формируется при меньшем значении В/Ц, чем исходное; еще большее количество воды поглощает пористый заполнитель. При укладке подвижных смесей может происходить внутреннее водоотделение, и вода скапливается под зернами крупного заполнителя, при этом ослабляется связь между крупным заполнителем и растворной частью бетона (рис. 63). Вдоль слабой зоны развиваются внутренние усадочные трещины.
рис 63. Влияние внутреннего водоотделения:
Вода, смачивающая зерна заполнителя, участвует в формировании контактного слоя.
Контакт между зернами заполнителя и цементным камнем влияет на совместную работу камневидной составляющей и минерального клея под нагрузкой, а также на монолитность и стойкость бетона. Ширина контактной зоны цементного камня колеблется от 30 до 60 мкм. По своему составу и свойствам контактная зона отличается от остального цементного камня. Сращивание зерна заполнителя с цементным камнем связано с миграцией гидрата окиси кальция, получающегося при гидролизе трехкальциевого силиката, к поверхности зерна. В результате на поверхности заполнителя образуются кристаллы Са(ОН)2 и СаСОз. Возможно химическое взаимодействие некоторых видов заполнителя с продуктами гидратации цемента даже при нормальных условиях твердения, усиливающееся при тепловой обработке. Например, установлено, что на поверхности зерен карбонатного щебня (из известняка) образуются соединения типа карбоалюминатов, которые упрочняют сцепление. Некоторые природные и искусственные пористые заполнители (пемза керамзит) содержат свободную аморфную двуокись кремния, реагирующую с Са(ОН)2 с образованием гидросиликатов. В условиях автоклавной обработки даже зерна кварцевого песка вступают во взаимодействие с Са(ОН)г.
Прочность сцепления между заполнителем и цементным камнем зависит от природы заполнителя, его пористости, шероховатости и чистоты поверхности зерен, а также от вида и активности цемента, водоцементного отношения и условий твердения бетона. У бетонов на плотных заполнителях она меньше прочности цементного камня на растяжение.
Поры бетона по местоположению делят на следующие виды:
1) поры в цементном камне Яц.к, подразделяемые на поры геля ЯГ) капиллярные Як и образованные вовлеченным воздухом ПВ03Д; 2) поры в заполнителе Я3; 3) межзерновые пустоты Ямз — пространство между зернами заполнителя, не заполненное цементным тестом.
Общая пористость бетона может быть представлена в виде суммы составных ее частей:
Пб = Пг + Пк + Явозд + Я3 + Ямз.
Пористость бетона прямо пропорциональна объему цементного' камня в бетоне и, следовательно, равна произведению пористости цементного камня на Vn.r. Этим путем получим формулы для вычисления пористости бетона, изготовленного на плотном заполнителе (Яэ=0) при плотной укладке бетонной смеси (Ямз=0); воздушная пористость принята равной 2 — 6%.
С помощью формул можно определить общую пористость бетона и расчленить ее на группы. Для этого нужно экспериментально определить степень гидратации цемента (количественным рентгеновским анализом либо при помощи автоматического прибора — дериватографа или другим способом). Поэтому данный метод определения групповой пористости бетона называется экспериментально-расчетным.
Рис. 64. Графики, характеризующие распределение воды и изменение пористости бетона в зависимости от степени гидратации цемента а (для единичного расхода цемента 1 т/м3)
На рис. 64 представлены графики приведенных формул для единичного расхода цемента (Ц=1 т/м3). Общее количество воды, связанной в цементном камне бетона, равное 0,5 аЦ, возрастает в прямой зависимости от степени гидратации цемента (рис. 64, а). Связанная вода разделяется примерно поровну: половина ее связана цементом химически и примерно столько же (0,25 аЦ) — физико-химически в порах цементного геля.
Объем пор геля также увеличивается в прямой зависимости от степени гидратации (рис. 64, б) и достигает максимума при а=1. Из всей гелевой пористости (0,29 аЦ) можно выделить контракционный объем, равный ЯКонтр=0,09 аЦ.
Объем капиллярных пор зависит не только от Ц и а, но и от начального В/Ц. Сразу после затворения и уплотнения бетонной смеси объем капиллярных пор равен объему воды затворения; по мере возрастания количества связанной воды капиллярная пористость бетона уменьшается и становится наименьшей при полной гидратации цемента. Выше указывалось (см. разд. IV), что капиллярные поры, образованные несвязанной водой затворения, скапливающейся между агрегатами частиц геля, имеют большой размер (более 1000 А) и сообщаются с окружающей средой. Поэтому они ухудшают морозостойкость бетона, увеличивают его проницаемость.
Можно определить плотный бетон как монолитный бетон с однородной структурой и с минимальным объемом капиллярных пор (теоретически он должен быть равен нулю).
Капиллярная пористость бетона, изготовленного с начальным В/Ц<0,5, будет равна нулю при достижении степени гидратации а=2 В/Ц (табл. 24, рис. 64,в). Бетоны с В/Ц>0,5 всегда имеют капиллярные поры, если даже а=1 (рис. 64,в). Вот почему значение В/Ц принимают не более 0,4 — 0,5, если бетон служит в суровых условиях (многократное замораживание при одновременном действии морской воды и т. п.).
На рис. 64,г общая пористость бетона представлена в виде суммы капиллярной и гелевой пористости. В бетоне с В/Ц<0,5 (например, В/Ц = 0,4) общая пористость достигает наименьшего значения при а=2 В/Ц (на ломаной АБВ); если же происходит дальнейшая гидратация цемента, то пористость бетона растет (линия БВ) вследствие увеличения количества геля и прироста гелевой пористости.
Снижение водоцементного отношения путем увеличения расхода цемента неэффективно как по экономическим, так и по техническим соображениям. При возрастании количества цемента В/Ц уменьшается, но зато увеличивается объем цементного теста, поэтому капиллярная пористость убывает медленно, а усадка бетона сильно возрастает. Гораздо эффективнее уменьшать количество воды без ухудшения удобоукладываемости путем применения пластифицирующих добавок. Для уменьшения капиллярной пористости на 1 % надо снизить расход воды на 10 л/м3 или увеличить расход цемента на 25 — 33 кг/м3 в зависимости от степени гидратации цемента.