Рис.1 – Основные типы макроструктуры бетона: 1 – плотная; 2 – плотная с пористым заполнителем; 3 – ячеистая; 4 – зернистая; Rб – средняя прочность структуры; R1 и R2 – прочности составляющих бетона
Авторы: К. т. н., доц. Шкуматов А. Н., студ. Оттонбаатар Дарханмунх, г. Донецк, Украина
Источник: Материалы Международой научно–технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, организованной кафедрой Строительства шахт и подземных сооружений
Бетон можно представить как цементный камень с утопленными в него заполнителями, имеющий поры и пустоты различных размеров и разнообразного происхождения. Плотные тяжелые и легкие бетоны, как правило, характеризуются поровой макроструктурой (рис.1) и включают каркас заполнителей, активно влияющих на их свойства [1].
Рис.1 – Основные типы макроструктуры бетона: 1 – плотная; 2 – плотная с пористым заполнителем; 3 – ячеистая; 4 – зернистая; Rб – средняя прочность структуры; R1 и R2 – прочности составляющих бетона
Такая структура является рациональной, поскольку обеспечивает низкую пористость бетонов при умеренном расходе цемента. Легкие бетоны по строению отличаются от тяжелых наличием дополнительных пор в зернах заполнителей. Микроструктура бетона отражает строение цементного камня. Цементный камень представляет собой конгломерат продуктов гидратации цемента, включений негидратированных зерен клинкера, добавок и пузырьков воздуха. Поры в цементном камне представлены в виде сообщающихся друг с другом каналов капилляров, разобщенных продуктами гидратации цемента (цементным гелем). По происхождению поры разделяют на поры геля и капиллярные поры.
Капиллярные поры, образованные избыточной механически связанной водой, имеют размеры обычно более 0,1 мкм. Они ухудшают основные свойства бетона, особенно морозостойкость. Капиллярная пористость уменьшается по мере снижения водоцементного отношения, расхода воды и увеличения длительности гидратации. Наряду с капиллярными отрицательное влияние на свойства бетона оказывают поры и пустоты, являющиеся результатом плохого уплотнения. Общий объем пор в цементном камне составляет 25—40% общего объема, при этом основная доля приходится на капиллярные поры. С увеличением длительности твердения уменьшается общая пористость и объем макрокапилляров, что приводит к улучшению свойств бетона.
Наряду с процессами совершенствования структуры в бетоне со временем развиваются и деструктивные, т. е. разрушительные, процессы в основном за счет агрессивных факторов окружающей среды. Активным средством управления структурой являются поверхностно-активные и другие добавки. 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, 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.
Наибольшей прочностью обладают материалы с плотной структурой, а 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. Микроструктурой называют структуру, видимую при большом увеличении под микроскопом, которая состоит из не прореагировавших зерен цемента, новообразований и микропор различных размеров.
Цементный камень является основным компонентом бетона, определяющим его свойства и долговечность. Основной составляющей микроструктуры цементного камня являются гидросиликаты кальция. Они создают определенную пространственную структуру, которая включает непрореагировавшую часть зерен цемента с оболочкой новообразований в виде системы глобул и межзерновое пространство, заполненное в той или иной мере новообразованиями. Цементный камень содержит участки с различной структурой, сложенные разными минералами. Его строение отличается сложностью, многообразием и неоднородностью. Неоднородность строения обусловлена тем, что цементный камень состоит из глобул цементных зерен с постепенно убывающей к их поверхности плотностью, контактной зоны между глобулами, состоящей из различных новообразований, а также включает поры, неплотности и дефекты структуры. Необходимо учитывать и химическую неоднородность камня, т.е. то, что отдельные участки состоят из отличающихся друг от друга минералов, и в некоторых местах возможно значительное увеличение содержания отдельных компонентов по сравнению с их средним значением, определяемым физико-химическим анализом. Микроструктура и неоднородность цементного камня существенно влияют на его прочность и другие свойства. 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. В технологии бетона используются различные вяжущие вещества, применяются разнообразные условия твердения бетона, что обусловливает различные типы микроструктуры цементного камня. Вблизи зерен заполнителя в результате влияния его поверхностных сил и ряда других причин микроструктура цементного камня может изменяться по сравнению со структурой основной массы, поэтому часто рассматривают особо микроструктуру и свойства контактной зоны между цементным камнем и заполнителем, выделяя ее в виде отдельного структурного элемента. 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.
Для различных видов бетона характерна своя структура. Для тяжелых бетонов характерна плотная структура, для легких конструктивных – плотная структура с пористыми включениями, ячеистые бетоны имеют ячеистую структуру, крупнопористые – зернистую. Представление о различных типах структур позволяет более четко проектировать состав бетона, используя характерные для каждого случая зависимости.
Особый интерес представляет фибробетон - новое поколение современных качественных армированных бетонов. Для их производства применяют полипропиленовые фибры, что уменьшает образование трещин и усадку бетона. Существенно улучшается качество поверхности бетона. Кроме того повышаются водонепроницаемость, устойчивость к проникновению химических веществ, сопротивление удару, а также морозостойкость бетона. В несколько раз увеличивается его уплотняемость и снижается истираемость. Наличие фиброволокон повышает адгезию - способность бетонной смеси к сцеплению. Сокращаются затраты и сроки проведения работ, за счет более быстрого набора прочности бетона и фибробетона. Армирующие полипропиленовое фиброволокно, как добавка для бетона в фибробетон, изготавливается непрерывным методом из гранул чистого полипропилена посредством экструзии, а также вытяжки при нагревании. Когда армирующие полипропиленовые волокна разогреваются до определённой температуры, на их поверхность наносится замасливающий состав. Именно этот состав и способствует сцеплению и рассеиванию поверхности полипропиленовой фибры с цементным раствором.
Для проведения лабораторных экспериментов по изучению свойств анизотропных свойств бетона изготовлены цементно-песчаные и шлакобетонные модели, приведенные на рис.2. Цементно-песчаные модели имели размеры 200х200х200 мм., шлакобетонная модель – 1000х1000х650 мм. Для изготовления цементно-песчаных моделей использовался цемент М500 с соотношением Ц:П=1:4. Для определения прочности моделей использовался молоток Шмидта.
Рис.2 – Модели для испытаний: а) цементно-песчаная; б) шлакобетонная модель
Задачей дальнейших исследований является изучение влияния различных добавок [2] на повышение прочности и водонепроницаемости бетона, а также снижение стоимости бетонной смеси.
1. Структура и свойства бетона [Электронный ресурс] – Режим доступа к сайту
2. Байбосынова И. Б. Новые технологические добавки для улучшения качества растворобетонной смеси // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. научн.трудов, № 18, Донецк, 2012 – с. 251–255.