Основные этапы развития технологии бетона

Литые смеси способны уплотняться под действием собственной массы. Для повышения эффекта уплотнения их иногда подвергают кратковременной вибрации. Таким образом, могут быть выделены следующие способы уплотнения бетонных смесей: вибрирование, прессование, прокат, трамбование и литье. Наиболее эффективным как в техническом, так и в экономическом отношениях является способ вибрирования. Его успешно применяют также в сочетании с другими способами механического уплотнения — трамбованием (вибротрамбование} прессованием (вибропрессование), прокатом (вибропрокат). разновидностью механических способов уплотнения подвижных бетонных смесей является центрифугирование, используемое при формовании полых изделий трубчатого сечения. Хорошие результаты в отношении получения бетона высокого качества дает вакуумирование смеси в процессе ее механического уплотнения (преимущественно вибрированием), однако значительная продолжительность операции вакуумирования существенно снижает ее технико-экономический эффект, и поэтому этот способ мало распространен в технологии сборного железобетона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18.Формирование  структуры бетона.

 

Структурообразование бетона

 В процессе формирования  структуры бетона и ее последующего  твердения изменяется не только  прочность бетона, но и другие  свойства: пористость, тепловыделение, электропроводность и т.д.

 Формирование структуры бетона

Процессы формирования структуры сопровождаются объемными изменениями. В зависимости от условий твердения бетон может либо увеличиваться, либо уменьшаться в объеме. Последнее происходит чаще и носит название усадки.

Все эти изменения более значительны на первоначальном этапе формирования структуры и постепенно затихают с возрастом бетона.

Изменения свойств бетона во времени определяется главным образом гидратацией цемента. Протекание этого процесса определяет изменение структуры и свойств бетона.

Структура бетона образуется в результате затвердевания (схватывания) бетонной смеси и последующего твердения бетона. Определяющее влияние на ее формирование оказывают: гидратация цемента, его схватывание и твердение.

По современным воззрениям, в начальный период при смешивании цемента с 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.

Формирование оптимальной структуры бетона тесно связано с технологическими свойствами бетонной смеси – сопротивление сдвигу и вязкость. Определение этих показателей чрезвычайно затруднено, так как бетонная смесь является грубодисперсной. Грубодисперсность смесей и изменяемость их свойств во времени затрудняют разработку простых методов и удобных, компактных приборов  для определения показателей сопротивление сдвигу и вязкости. Поэтому разработаны другие показатели оценки технологических свойств бетонной смеси – подвижность и жесткость (удобоукладываемость). Требования к бетонным смесям нормируются ГОСТ 7473-93 «Смеси бетонные. Технические условия».

В соответствии с данным нормативным документам по степени готовности бетонные смеси подразделяют на:

- бетонные смеси готовые  к употреблению (БСГ);

- бетонные смеси сухие (БСС).

В зависимости от показателя удобоукладываемости бетонные смеси подразделяют на три группы:

- сверхжесткие (СЖ);

-  жесткие (Ж);

- подвижные (П).

Твердение бетона и формирование его структуры. Структура бетона образуется в результате затвердевания бетонной смеси и его превращения в камень. Уплотненная бетонная смесь в начальный период гидратации цемента сохраняет способность к пластическим деформациям. Со временем количество новообразований цементного камня увеличивается, система уплотняется и твердеет, образуется прочный камень определенной структуры. На формирование структуры оказывают влияние вид цемента, химические добавки, В/Ц, температура бетонной смеси, влажность среды и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19.Структура  бетона.

 

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: Rб - 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