Твердение и структурообразование бетона

Структурообразование бетона Происходит в результате схватывания и затвердевания бетонной смеси и последующего твердения бетона. Главным в становлении структуры бетона является схватывание и твердение цемента. Различают три стадии структурообразования бетона: превращение бетонной смеси в бетон; постепенное упрочнение бетона; стабилизированный период, когда структура бетона во времени не изменяется. В процессе формирования структуры бетона и ее последующего твердения изменяется не только прочность бетона, но и другие свойства, как, например, пористость, тепловыделение и другие. В дальнейшем в процессе эксплуатации под воздействием внешних факторов (температура, влага и других) структура бетона может изменяться.

После укладки, бетон должен затвердеть, набрать прочность.После того, как бетон схватился, он уже является твердым телом, но недостаточно прочным.Поместим бетон в воду или будем непрерывно увлажнять - прочность бетона будет расти! При увлажнении в бетоне будут происходить химические процессы. Они превратят минералы, из которых состоят цементные зерна в новые стабильные образования – гидросиликаты калия. Этот процесс преобразования очень длительный; он может совершаться годами. Но строителям столько ждать нельзя!В связи с этим, устанавливают контрольный срок твердения бетона, после которого бетон можно подвергать расчетной нагрузке. Для бетона, изготовленного в условиях стройки, твердеющего в естественных условиях, срок твердения равен 28-30 суток.В некоторых случаях можно допустить более долгий срок твердения бетона – при возведении морских сооружений, дамб, плотин, набережных, мостов. Они строятся очень медленно, а поэтому полная нагрузка к уложенному бетону может быть приложена через довольно долгое время. В этих случаях в расчетах можно учитывать 90-суточную прочность бетона; она примерно на 20% выше 28-суточной.Но после установленного контрольного срока твердение бетона продолжается и бетон продолжает набирать прочность, правда, значительно медленнее. Этот процесс медленного твердения бетона в расчетах не учитывается. Прирост прочности бетона во времени, превышающем установленные контрольные сроки твердения, оказывается как бы гарантией надежности бетонных, железобетонных конструкций.Высокие температуры (порядка 80-90^o С) ускоряют химические реакции в бетоне. Если бетон пропарить, т. е. прогреть во влажной среде при такой температуре 12-16 часов, то можно получить бетон с прочностью, равной 65-70% прочности 28-суточного бетона. Именно так поступают при заводском изготовлении железобетонных изделий.

А если еще больше повысить температуру? Ускорится ли твердение бетона? Да, и настолько, что при температуре 170-180^o С за те же 12-16 часов прочность бетона так возрастет, что превысит годичный уровень прочности. Однако при таком сильном прогреве бетон очень быстро высыхает и перестает твердеть. Это объясняется интенсивным испарением заключенной в бетоне воды. Чтобы «затормозить» испарение воды, надо обеспечить в камере прогрева (автоклаве) высокое давление пара (порядка 0,8 – 1,2 МПа, или 8 – 12 атм.). Такой процесс термовлажностной обработки называется запаркой под давлением, или автоклавной обработкой бетона. При этом цемент можно заменить известью, а крупный заполнитель – песком без ущерба для качества изделий.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 2 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, стремяться расщипиться, ускоряется процесс гидратации.Наступает 3 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 CA(OH)₂,гидросиликата Cа и эттрингида 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.Образовавшиеся жесткая 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 гелевые оболочки на зернах цемента, срастающиеся сплошной цементный гель, с включениями непререагировавших центров цементных зерен. В результате возрастает прочность цементного камня и бетона.При полной гидратации цемента в химическую связь с его минералами вступает приблизительно 20-25% Н₂О от массы цемента.Гидратация цемента сопровождается изменением относительного объёма его разных фаз.В процессе гидратации воды, вступая в реакцию с цементом, приобретает регулярную структуру и общий объём системы цемент. вода уменьшается, в то время, как объём твердения фазы за счет присоединения Н₂О увеличивается. Гидратированный цемент занимает V в 2.1 – 2.2 раза больший, чем V цемента до гидратации.Уменьшение V системы цемент. вода в процессе гидратации получило название «контракции». 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 V вовлечения воздуха. В результате возрастает общая пористость цементного камня и понижается его R.При низких В/Ц возрастает роль условий выдерживания. При твердение в Н₂О увеличивается степень гидратации цемента, уменьшается пористость цементного камня, что обеспечивает повышение его R.В обычных бетонах цемент редко гидратируется полностью, поэтому 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 целей часто требуется знать сроки схватывания бетонной смеси.Время от начала затвердения до момента резкого возрастания прочности называется 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 вследствии 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 заполнитель создает жесткий каркас, упрочняющий структуру бетона. Заполнитель повышает водоудерживающею способность цементного теста ограничивает усадочные деформац., способствует образованию кристаллического каркаса, влияет на изменение t и влажности твердеющего бетона.Для удобства расчетов и прогнозирования свойств бетона процесс формирования его структуры можно разбить на 3 периода: первоначальный в течение которого бетонная смесь превращается в бетон; последующий во время которого структура бетона постепенно упрочняется, и третий, когда структура стабилизируется и почти не изменяется во времени.