Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




17.01.2018


17.01.2018


17.01.2018


16.01.2018


16.01.2018


12.01.2018


12.01.2018


12.01.2018


12.01.2018


11.01.2018





Яндекс.Метрика
         » » Взаимосвязь структуры и свойств бетона

Взаимосвязь структуры и свойств бетона

31.03.2016

Бетон — типичный пример композиционного материала, отличающийся сложностью структуры, количеством и характером компонентов, особенностями межфазовой поверхности, имеющей большое значение при воздействии внешней среды.
Под структурой бетона понимают определенное расположение в пространстве отдельных первичных элементов (зерен щебня, песка, кристаллов новообразований) с учетом их количественного соотношения и характера связи между ними.
При рассмотрении бетона как полиструктурного материала в зависимости от характера и механизма процессов структурообразования выделяют:
- микроструктуру — структуру цементного камня;
- мезоструктуру — структуру раствора в бетоне, рассматриваемого как двухкомпонентную систему «мелкий заполнитель — цементный камень»;
- макроструктуру — структуру двухкомпонентной системы «крупный заполнитель — раствор».
Микроструктура цементного камня в первом приближении характеризуется такими составляющими, как кристаллический сросток, тоберморитовый гель, не до конца гидратированные зерна цемента и поровое пространство. Наиболее важные технологические факторы, влияющие на формирование микроструктуры цементного камня, — химико-минералогический состав цемента, тонкость его помола, водоцементное отношение и условия твердения.
Мезоструктура цементно-песчаного раствора рассматривается как конгломератная структура, с матрицей в виде цементного камня, а макроструктура — как структура, в которой матрицей служит цементнопесчаный раствор.
Крупный заполнитель обусловливает макроструктуру бетона, причем особое значение имеет прочность и характер поверхности его зерен, их крупность, форма и гранулометрический состав. В известной степени свойства крупного заполнителя оказывают влияние на формирование мезо- и микроструктуры бетона, что связано с влиянием щебня на водопотребность бетонной смеси.
В свою очередь, мелкий заполнитель, определяя мезоструктуру бетона, влияет на формирование микроструктуры бетона, вследствие того что песок, взаимодействуя с цементным тестом, в значительной мере обусловливает значение В/Ц бетонной смеси. Кроме того, он способствует формированию макроструктуры цементного камня, так как оптимальная толщина растворной пленки на поверхности зерен щебня определяется средней крупностью песка.
Взаимовлияние различных подструктур на свойства получаемого бетона может быть отражено математической зависимостью
Xб = Aх1 Ax2 Ax3 Xц,

где Xб, Xц — показатели одноименных свойств бетона и цементного камня стандартной структуры; Aх1, Ах2, Ax3 — коэффициенты, учитывающие влияние макро-, мезо- и микроструктуры на свойства бетона.
Обычно коэффициенты структуры изменяются в некоторых пределах — от своего максимального значения Amax до минимального Аmin, причем эта область увеличивается при переходе от макро- к мезо- и далее к микроструктуре. Это обусловлено тем, что микроструктура цементного камня значительно больше влияет на свойства бетона, чем мезо- или макроструктура.
Приведенное деление структуры бетонов оправдывается тем, что механизм формирования и свойства макро-, мезо- и микроструктур принципиально отличны друг от друга. Кроме тоге, выделенные уровни можно рассматривать самостоятельно, при этом изучение сложной многокомпонентной системы в делом сводится к исследованию двухкомпонентных структур.
Поверхность между различными фазами компонентов бетона, а также внутренняя поверхность в сумме составляют поверхность контакта фаз в единице объема и влияют на процессы коррозии бетона как в качественном, так и количественном отношениях.
Одна из важнейших характеристик бетона обусловлена параметрами порового пространства и определяется: пористостью, т. е. частью общего объема, который занимают поры; внутренней удельной поверхностью пор, т. е. площадью или доступной поверхностью в единице объема или массы данного вещества; разделением пор по размерам, в частности разделением общего объема пор на поры в пределах некоторого диапазона размеров в зависимости от вида структуры.
Взаимосвязь структуры и свойств бетона

Для описания микроструктуры цементного камня и взаимодействия с водой разработан целый ряд моделей — Пауэрса, Исхай, Фельдмана — Середы итак называемая мниховская модель, отличающиеся друг от друга разными взглядами на физическое состояние межслоевой воды, в соответствии с которыми первоначальные промежутки между частицами цемента заполняются цементным гелем (пористость которого составляет около 28 %, представленным преимущественно слабозакристаллизованными гидросиликатами кальция. Пространство между частицами новообразований — гелевые поры — характеризуется весьма малыми размерами (ширина около 1,5 нм), соизмеримыми с размерами молекул воды. При гидратации цемента образуются и другие категории пор (рис. 1.1).
По данным поры в цементном камне по размеру и происхождению могут быть классифицированы следующим образом:
Взаимосвязь структуры и свойств бетона

Международной организацией IUPAK, также как и классификацией Дубинина, предусмотрено деление пор по размеру на микропоры (меньше 2 нм), мезопоры (2—50 нм) и макропоры (больше 50 нм).
При анализе поровой структуры цементного камня следует учитывать поры — дефекты структуры, которые могут отрицательно влиять на долговечность бетона. К ним относятся, например, усадочные, температурные и другие трещины. В бетоне в результате механических напряжений могут появиться трещины в контактном слое между цементным камнем, раствором и зернами заполнителя. Образование этих трещин объясняется объемными изменениями при гидратации цемента вследствие седиментации смеси под крупными плоскими зернами в бетоне.
Наиболее полные данные о влиянии отдельных категорий пор на свойства цементного камня представлены в табл. 1.1.
Взаимосвязь структуры и свойств бетона

Поровая структура цементного камня определяется исходным физическим состоянием свежеприготовленной смеси, а также составом продуктов гидратации, их размерами и морфологией. Из известных технологических факторов наибольшее влияние на поровую структуру оказывает водоцементное отношение (рис. 1.2).
Количество воды затворения зависит от свойств цемента, тонины помола и определяется необходимыми реологическими свойствами, обусловливающими различную водопотребность при достижении нормальной густоты цементного теста. С повышением В/Ц увеличивается средний размер образующихся пор, возрастает пористость, наблюдается разделение пор по размерам.
При В/Ц более высоком, чем 0,38, синтезируемая в составе продуктов гидратации гелевидная фаза не заполняет объем в твердеющем цементном тесте, и поэтому всегда остается какой-то объем капиллярных пор даже в случае полной гидратации цемента.
Взаимосвязь структуры и свойств бетона

При В/Ц > 0,7 в цементном камне образуется взаимосвязанная система капиллярных пор, и по этой причине невозможно получить бетон, стойкий в агрессивных средах, так как внутренняя поверхность цементного камня становится доступной для контакта с компонентами окружающей среды.
Эти данные согласуются с результатами исследований структурной пористости бетонов, подтверждающими отсутствие связи между объемом микропор и В/Ц. Объем микропор, увеличивающийся со временем, определяется в основном степенью гидратации цемента, но не зависит от количества воды затворения.
Объем макропор, напротив, зависит от водоцементного отношения, поскольку он прямо пропорционален объему воды затворения, введенной в бетонную смесь сверх необходимого количества для гидратации.
Именно объемом пор (их размером и взаимной сообщаемостью) определяется проницаемость бетона, обусловливающая в значительной степени его коррозионную стойкость. В связи с изложенным становится понятной зависимость проницаемости и коррозионной стойкости бетона от значения В/Ц.
При дальнейшем повышении В/Ц от 0,8 до 1 и более пористость цементного камня снижается практически незначительно (рис. 1.3). При этом наступают характерные изменения в поровой системе, проявляющиеся в пониженном объеме мелких пор за счет того, что объем продуктов гидратации при высоких В/Ц недостаточен для заполнения порового пространства и не разделяет более крупные поры на поры меньших размеров.
Взаимосвязь структуры и свойств бетона

Необходимо еще раз подчеркнуть взаимосвязь различных видов пористости и степени гидратации: по мере твердения цементного камня с увеличением объема гелевидной фазы общая и капиллярная пористость снижаются, а гелевидная возрастает (рис. 1.4).
Пористость оказывает значительное влияние на такие физико-механические свойства искусственного камня, как предел прочности при сжатии и изгибе, твердость, модуль упругости, усадка, ползучесть, диффузия, проницаемость.
Замечено, что крупные поры в тесте влияют не только на его прочность, но и на проницаемость, которая в свою очередь отражается на долговечности.
Согласно результатам исследований предел прочности при сжатии и проницаемость камня предопределяются объемом пор свыше 50 или 100 нм, тогда как усадка при высыхании и пластическая деформация зависят от объема пор менее 10 нм.
Взаимосвязь структуры и свойств бетона

Характерное проявление пористой структуры цементного камня — часто наблюдаемое снижение предела прочности при изгибе может быть рассмотрено как следствие наличия пор крупностью более 100 мкм. Причем низкое значение предела прочности при изгибе обусловлено, преимущественно, преобладанием макроскопических трещин; влияние же микроскопических трещин и физико-химических особенностей геля незначительно, поэтому общепринятая зависимость и классическое представление о линейной зависимости «прочность — общая пористость» не могут быть признаны корректными.
Авторы работ полагают, что увеличение прочности материала нельзя связывать с общей пористостью, но, в соответствии с теорией Гриффитса, возможно — с максимальным размером пор.
Известен ряд работ, в которых предприняты попытки установить связь структуры бетона с его прочностью. Обзор таких структурных теорий прочности приведен в работе А.Е. Десова.
По данным Т.К. Пауэрса и Т.Л. Брунауэра зависимость прочности от пористости определяется отношением объема гидратированной цементной пасты к суммарному объему гидратированного цемента и капиллярных пор. В их поздних работах пористость выражена через объем пор по отношению к общему объему образца.
Соотношение между пористостью и прочностью описывается уравнением Ферета, в котором предел прочности при сжатии σсж связан с объемом цемента Vц, воды Vв и воздуха Vвозд:
σсж = A [Vц/(Vц + Vв + Vвозд)]2,

где А — константа.
Таким образом, на пористость, а следовательно, и на прочность эффективно влияют два основных фактора: водоцементное отношение и условия твердения.
Л. Коупленд и Д. Вербек вывели формулу зависимости предела прочности цементного камня от объема продуктов гидратации и объема пор.
Р. Фельдман и Дж. Бодуэн скорректировали прочностные характеристики и модели упругости для некоторых вяжущих систем в широком интервале их пористости. Эти системы включали пасты, гидратированные при комнатной температуре, автоклавированные цементные пасты с добавкой золы-уноса и без них. Были использованы данные, полученные некоторыми исследователями для таких же систем. Установлено, что при пористости более 27 % пасты, изготовленные при комнатной температуре, имеют большую прочность, чем изготовленные при автоклавировании.
По данным Я. Ямбора фактор, оказывающий значительное влияние на прочность материала, — распределение пор по размерам. В частности показано, что вяжущие композиции, содержащие близкие по типу продукты гидратации, характеризуются подобным распределением пор по размерам.
Ниже представлены значения среднего размера пор цементного камня, нм, содержащего продукты гидратации цементов разных типов:
Взаимосвязь структуры и свойств бетона

В то же время (рис. 1.5) прочность при сжатии различных материалов, характеризующихся различными значениями пористости, может значительно различаться, что, вероятно, обусловлено разницей в значениях размеров пор в каждой отдельно взятой композиции: чем меньше размер пор, тем выше прочность.
Однако очень низкие значения общей пористости не влияют на прочность (рис. 1.6), при этом механические свойства преимущественно зависят от качественного состава твердой фазы.
Анализ исследований позволяет сделать вывод, что между прочностью и характером структуры действительно существует тесная связь (особенно проявляющаяся при использовании различных технологий получения строительных материалов), но оба эти свойства определяются как типом, так и объемом продуктов гидратации вяжущего, причем различные гидратные фазы обладают различной вяжущей способностью (см. рис. 1.5). Тоберморитовые фазы проявляют наивысшую вяжущую способность в цементном тесте, твердеющем при температуре от 293 до 448 К; вяжущая способность тоберморитового геля достигает примерно 40—60 % вяжущей способности тоберморитоподобных фаз. Присутствие гидроалюминатов кальция в тоберморитовом геле вызывает снижение вяжущей способности. Смесь тоберморитового геля с гидроалюминатами кальция, обычно составляющая большую часть продуктов гидратации портландцементного теста, характеризуется вяжущей способностью, которая на 20—40% ниже, чем вяжущая способность отдельно взятого тоберморитового геля. При твердении глиноземистого цемента прочность образцов, представленных CAH10, выше прочности образцов, содержащих C2AH8 + AH3 или C3AH6 + AH3. Присутствие C3AH6 всегда снижает прочность образующегося камня, однако по данным возможно образование прочного камня, состав продуктов гидратации которого представлен кубическим C3AH6.
Взаимосвязь структуры и свойств бетона

По данным наличие C2AH3. и CAH10, способных к полному срастанию с образованием трехмерных структур, обусловливает получение высокопрочного камня. Эти результаты подтверждаются исследованиями, согласно которым формирование пластинчатых кристаллов гексагональных гидроалюминатов кальция способствует синтезу более прочной структуры, по сравнению со структурой, состоящей из изометрических зерен C3AH6, образующихся при длительном твердении камня. Однако по данным при низком водоцементном отношении и температуре 353 К перекристаллизация гексагональных гидроалюмосиликатов кальция в кубические сопровождается появлением большого числа контактов срастания между новообразованиями, способствующими увеличению прочности камня (на всех этапах его твердения).
Изометрические кристаллы гидрограната, как показал Б.Н. Виноградов, обычно не выполняют функции активного структурообразующего элемента и являются лишь наполнителями, которые цементируются гелевидными гидросиликатами. Это подтверждается данными. Возможность образования прочных сростков гидрогранатов допускается либо при прессовании гидратированных дисперсий, либо при термической обработке их при температуре выше 433 К.
Взаимосвязь структуры и свойств бетона

Высокоосновные гидросиликаты кальция типа C2SHх в составе новообразований обусловливают, как правило, низкую прочность получаемого камня, а присутствие низкоосновных гидросиликатных фаз, в частности CSH (I), способствует повышению прочности как при сжатии, так и при изгибе. По данным В.В. Тимашева теоретическая прочность низкоосновных гидросиликатов кальция, определяемая их химическим составом и строением кристаллической решетки, почти в 2 раза выше прочности высокоосновных гидросиликатов кальция, не превышающей 770—830 МПа.
A.А. Говоров показал, что наибольшую прочность камня обеспечивают новообразования, относящиеся к тоберморитовой и гиролитовой группам, а поданным прочность образцов на основе алюминий-замещенного тоберморита сравнима с прочностью чистых «ксонотлитовых» структур.
Образование низкоосновных гидросиликатов кальция с высокой удельной поверхностью согласно приводит к уменьшению эффективного радиуса пор и способствует формированию замкнутых пор, не участвующих в процессе переноса влаги. Все эти изменения вызывают увеличение прочности, деформативности и трещиностойкости, уменьшение усадки, газо- и водопроницаемости, а также долговечности, которая обеспечивается за счет высокого содержания гидросиликатов кальция пониженной основности, способных защищать гидроалюминатные фазы.
При рассмотрении проблемы «пористость — прочность» важное значение имеет тип связи внутри тела материала или между кристаллами, их морфология и степень кристалличности, а также размер отдельных гидратных фаз.
B. Рамачандран и Р. Фельдман, исследуя системы на основе CA и C3A, показали, что при понижении пористости можно получать более высокое значение прочности и на образцах, представленных C3AH6, благодаря увеличению поверхности контактов, образующихся между этими кристаллами.
X.Ф.У. Тейлор и другие отмечали значение степени кристаллизации в системе С—S—H при синтезе прочности кальцийсиликатных материалов. Увеличением степени кристаллизации CSH можно либо повысить, либо снизить прочность материала в зависимости от содержания и размера частиц непрореагировавшего кварца. Данные Дж. М. Креннана свидетельствуют о том, что эффект, обусловленный различным размером частиц, может превосходить тот, который обеспечивается изменением пористости. Я. Александерсон также установил присутствие максимума на кривых зависимости прочности от степени закристаллизованности гидросиликатов кальция. Важная роль кристаллической структуры гидратов отмечена в работах Н.В. Белова.
По данным X.С. Мамедова структурный критерий вяжущих свойств гидросиликатов кальция определяется их кристаллохимическими особенностями, обусловливающими, в частности, проявление таких свойств, как сильная анизотропия роста: нестехиометричность, т. е. нечувствительность структуры цементного камня к точности стехиометрии образующихся соединений, сильно развитая поверхность, структурное сходство или идентичность поверхностей отдельных частиц и их высокая регулярность (что очень важно для эпитаксиального роста), высокая дисперсность образующихся частиц.
Помимо степени закристаллизованности гидратных новообразований важную роль в создании структуры камня играет форма частиц новообразований. Одни исследователи полагают, что наибольшую прочность обеспечивают пластинчатые частицы, в то же время другие приписывают главную структурообразующую роль волокнистым новообразованиям. В.Н. Юнг и Р.П. Бергер, сравнивая структуру C3S, гидратированного в различных условиях, отметили, что при одинаковой степени гидратации различие во внешней морфологии образцов отражает разницу в распределении пор по размерам. Пористость и распределение пор по размерам были приняты как важнейшие параметры, влияющие на развитие прочности.
По Г.Д. Лоуренсу, исследовавшему пасты на основе C3S, внешняя морфология, наблюдаемая с помощью сканирующего электронного микроскопа, не так важна, как точки тесного контакта новообразований с негидратированными зернами.
Таким образом, морфология, пористость, плотность и химический состав — это взаимосвязанные факторы, определяющие структурные и прочностные характеристики материала.
В то же время, поровое пространство бетона и цементного раствора характеризуется размером пор, вид и изменчивость которых обусловливаются способом отверждения и при одинаковых технологических параметрах производства являются следствием конкретного состава бетонной смеси, цемента и особенностей формирующихся гидратных новообразований.
Таким образом, строение и взаимосвязь элементов микроструктуры цементного камня, размеры и характер пор, соотношение между фазовыми составляющими зависят от состава продуктов гидратации, предопределяемого химико-минералогическими особенностями исходных вяжущих веществ и количеством воды затворения (при условии соблюдения оптимальной технологии приготовления и укладки бетонной смеси, времени и режима твердения).
Формируемая структура бетона в значительной степени обусловливается микроструктурой цементного камня, поэтому, изменяя ее характер и учитывая особенности, можно управлять свойствами бетона в достаточно широких пределах.