Технология бетона
Содержание
1. Процессы, что происходят в
цементно-водной системе
. Механизм
коагуляционно-кристализационного структурообразования в цементно-водных
системах
. Регулирование свойств
бетона в период службы
. Роль клинкерных остатков в
бетоне в период службы
Список литературы
. Процессы, что
происходят в цементно-водной системе
В зависимости от характера связей контактируемых
частиц однородные микроструктуры подразделяются на коагуляционные,
конденсационные и кристаллизационные (рис. 1.1).
Рисунок 1.1 - Схема возможных контактов между
частицами:
а - коагуляционный; б - конденсационный
(точечный);
в - кристаллизационный контакт срастания
(фазовый)
Коагуляционными
называют структуры, в образовании которых участвуют сравнительно слабые силы
молекулярного взаимодействия между частицами - ван-дер-ваальсовы силы
сцепления, действующие через прослойки жидкой среды. Коагуляционные структуры
образуются при потере дисперсной системой агрегативной устойчивости, при достаточном
содержании дисперсной фазы обеспечивается армирование всего объема дисперсной
системы.
Характерным свойством коагуляционных структур
наряду с относительно невысокой прочностью является их обратимость по отношению
к механическим воздействиям - способность к самопроизвольному восстановлению
после механических разрушений (в подвижной дисперсионной среде); это свойство
называют тиксотропией. Коагуляционные дисперсные структуры образуются
пигментами и наполнителями лаков, красок, полимеров.
Конденсационными
называют структуры, возникающие при непосредственном взаимодействии частиц или
под влиянием химических соединений в соответствии с валентностью контактирующих
атомов или под влиянием ионных и ковалентных связей.
Кристаллизационными
(или кристаллическими) называют структуры, образовавшиеся путем
выкристаллизовывания твердой фазы из расплава или раствора и последующего
прямого срастания отдельных кристаллов в прочный их агрегат, в том числе под
влиянием химических связей.
Академик П. А. Ребиндер, разделивший
микроструктуры на эти три разновидности, отмечал возможным, и даже более
типичным, образование смешанных структур как совокупности двух или трех
однородных, например кристаллизационно-коагуляционной структуры и т. п. При
определенных условиях возможен самопроизвольный (спонтанный) переход с
различной скоростью коагуляционной структуры в
конденсационно-кристаллизационную и т.п. С реальным характером микроструктур
связаны в известной мере представления об их качественных характеристиках. Так,
например, при коагуляционных структурах почти всегда наблюдается пониженная
прочность вещества, способность к самостоятельному восстановлению структуры,
разрушенной под влиянием механического воздействия, например вибрирования.
Конденсационные и особенно кристаллизационные структуры придают веществу
повышенную прочность, но вместе с тем усиливают его хрупкость, снижают
тиксотропность. Некоторые модификации кристаллов одного вещества могут иметь
низкую (например, графит) и очень высокую (например, алмаз) твердость и прочность
[1].
На рисунке 1.2 схематично показаны виды
возможных контактов между частицами в структурированных дисперсных системах.
Выделяют два, резко различающихся по своим свойствам, типа пространственных
структур, названных П. А. Ребиндером коагуляционными и конденсационными
структурами. Основное различие этих структур состоит в неодинаковой природе
контакта между частицами дисперсной фазы. В коагуляционных структурах этот
контакт осуществляется или через очень тонкие прослойки дисперсионной среды (рис.
104, а) и точечные контакты (рис. 104, в), или при участии макромолекул (рис.
104,б). Конденсационные структуры возникают как результат склеивания,
сваривания, срастания частиц дисперсной фазы на отдельных участках поверхности
(рис. 104, г).
Рисунок 1.2 - Виды контактов в пространственных
дисперсных структурах: а, б - коагуляционные с низкомолекулярными сольватными
(а) и высокомолекулярными (б) слоями; в - точечные; г - фазовые контакты
На первых этапах коагуляционного взаимодействия
возникают агрегаты из двух, трех, а иногда и цепочки первичных дисперсных
частиц; коллоидный раствор сохраняет текучесть, так как развитие структуры не
дошло до образования непрерывной сетки. Возникает жидкообразная коагуляционная
структура (соответствующая стадии скрытой коагуляции). В потоке жидкости
агрегаты распадаются и вновь образуются; каждой скорости потока соответствует
своя равновесная величина агрегатов, а следовательно, и оказываемого ими
сопротивления потоку жидкости. Поэтому возникновение пространственных структур
в растворах обнаруживается по изменению вязкости в зависимости от скорости
потока жидкости.
Дальнейший рост агрегатов приводит к образованию
коагулята (седимента) или геля (рис. 1.3). Возникает твердообразная
пространственная коагуляционная структура, которая может быть плотной или
рыхлой.
Рисунок 1.3 - Связнодисперсные (а - в) и
капилярнодисперсные (г,д) системы: а - гель, б - коагулят с плотной структурой,
в
- коагулят с рыхлой "арочной" структурой
Плотная структура (рис. 1.3, б) возникает, когда
частицы дисперсной фазы укладываются в осадке наиболее плотно,
"скользя" друг относительно друга; если первичные частицы соединяются
в цепочки, то коагуляционная структура будет рыхлой - "арочной" (рис.
1.3, в). Образованию геля (рис. 1.3, а) особенно благоприятствует вытянутая
форма частиц дисперсной фазы, но при больших концентрациях гелеобразование
возможно и в случае сферических частиц, если они склонны к цепочкообразованию.
Свежеполученные коагуляты во многих случаях
способны вновь переходить в состояние золя. Такой изотермический переход
коагулянт-золь называют пептизацией, а вызывающие его вещества - петизаторами.
Пептизаторы являются стабилизаторами дисперсных систем и могут быть веществами
как ионной (электролиты), так и молекулярной природы. Адсорбируясь на
поверхности первичных частиц, пептизаторы ослабляют взаимодействие между ними,
что приводит к распаду агрегатов и переходу коагулята в состояние золя.
Пептизацию часто наблюдают при промывании дистиллированной водой находящихся на
фильтре свежеполученных осадков гидроксидов и сульфидов металлов. Промывание
дистиллированной водой уменьшает концентрацию электролитов, что приводит к
изменению структуры двойного электрического слоя - часть противоионов переходит
из адсорбционного в диффузный слой, возрастает электрокинетический потенциал
частиц коагулята. В результате осадок гидроксида или сульфида на фильтре
уменьшается - пептизируется, проходя через поры фильтра в виде золя.
Коагуляционные структуры обладают определенным
комплексом механических свойств, обусловленным тонкими прослойками
дисперсионной среды на участках контактов частиц дисперсной фазы. Сетчатый
каркас из дисперсных частиц удерживается за счет межмолекулярных сил, которые
невелики. Поэтому прочность коагуляционных структур незначительна.
Для коагуляционных структур, образованных
частицами вытянутой или пластинчатой формы, а также цепочечными агрегатами,
характерна тиксоропия (от греч, "тиксис" - встряхивание,
"трепо" - изменяется). Так называют обратимое разрушение структуры с
переходом в текучее состояние при механических воздействиях, например при
встряхивании, и самопроизвольное восстановление структуры, "отвердевание"
в покое. Тиксотропность может быть полезным свойством: например, масляные
краски, будучи разжижены механическим воздействием, не стекают с вертикальных
поверхностей в результате тиксотропного структурирования.
Коагуляционные структуры проявляют структурную
вязкость, т. е. изменение вязкости от предельно высоких значений, когда
структура еще не разрушена, до предельно низких величин при полном разрушении
структуры и ориентации частиц их длинной осью по направлению потока жидкости.
Различие между этими предельными значениями вязкости может достигать 108…109
раз. Высококонцентрированные коагуляционные структуры (пасты) пластичны, т. е.
их деформация необратима.
При высушивании материалов, имеющих
коагуляционную структуру, коагуляционные контакты переходят в точечные,
прочность материала быстро возрастает, но он теряет пластичность. Оводнение
такого высушенного материала (например, бумажной массы, высушенной глины,
керамической массы) приводит к его размоканию со снижением прочности.
Слабое взаимодействие частиц в сухих дисперсных
системах обусловливает их пылевидность, что, в частности, отрицательно
сказывается на плодородии слабоструктурированных почв. Плохую структуру почв
исправляют, внося в них органические удобрения. В настоящее время структуру
почв улучшают также, вводя в них синтетические полимеры, например
полиакриламиды. Концентрация их в почве должна быть такова, чтобы
макромолекулы, адсорбируясь на почвенных частицах, связали несколько таких
частиц в единый агрегат. Аналогичным путем достигают закрепления песков и
создают упрочненные грунтовые дороги.
Конденсационные дисперсные структуры в
зависимости от механизма возникновения фазового контакта между частицами
дисперсной фазы подразделяются на два подтипа:
а) структуры спекания (срастания);
б) кристаллизационные структуры твердения.
Конденсационные структуры спекания (срастания)
возникают в результате сварки, сплавления, спекания или склеивания дисперсных
частиц в точках касания. Такая структура получается при термической обработке
коагуляционной структуры, когда частицы дисперсной фазы "свариваются"
по местам точечных контактов. Она характерна для ряда адсорбентов (силикагель,
алюмогель), которые вследствие рыхлой их структуры являются хрупкими.
При высокой плотности упаковки дисперсных частиц
конденсационные структуры спекания приобретают высокую прочность и часто
жаропрочность.
Конденсационная структура может быть получена и
при конденсации дисперсной фазы из пересыщенных паров, растворов или расплавов.
При образовании и росте зародышей новой фазы из концентрированных пересыщенных
систем может возникнуть непрерывный сетчатый каркас путем срастания и
переплетения растущих частиц дисперсной фазы. Если эти частицы представляют
собой кристаллы, возникающие структуры называют
кристаллизационно-конденсационными структурами твердения.
Образование кристаллизационных структур в
процессе гидратационного твердения минеральных вяжущих материалов
(алюминатно-силикатных цементов, гипса, извести) детально изучено школой П. А.
Ребиндера.
Бетонная смесь состоит из цемента, заполнителей
- песка, гравия, щебня и воды. Зерна цемента, представляющие собой алюминаты и
силикаты кальция, постепенно растворяются, и из пересыщенного раствора
выделяются менее растворимые кристаллы гидратов.
Твердение бетонной массы состоит в срастании и
переплетении этих кристаллов, связывающих песок, гравий и щебень в монолит.
Введение в бетонные смеси поверхностно-активных веществ, электролитов,
применение вибрационных механических воздействий привели к разработке новой
технологии изготовления бетонных изделии повышенной прочности и твердости с
одновременным улучшением экономических показателей производства.
Сцепление
элементов конденсационных структур осуществляется путем образования химических
связей, что обусловливает значительную прочность этих структур. Конденсационные
структуры не тиксотропны и не пластичны, это упруго-хрупкие, необратимо
разрушаемые структуры, в отличие от тиксотропно-обратимых коагуляционных
структур.
Коагуляционно-кристаллизационные структуры не
обладают тиксотропными свойствами и при разрушении не восстанавливаются. Вот
почему для таких структур процесс формования должен заканчиваться до момента
образования кристаллизационных связей.
Если образец приобретает коагуляционно-кристаллизационную
структуру, то при погружении конуса вместо течения развиваются явления смятия.
Свойства обычных активированных цементных
растворов. В последующий период упрочнения коагуляционно-кристаллизационной
структуры более резкий рост прочности наблюдается у растворов, подвергнутых
обработке в роторном активаторе. Эта закономерность характерна для
активированных растворов с различными расходами цемента.
Исходим из того, что
коагуляционно-кристаллизационная структура цементного камня, образовавшаяся при
высоком пересыщении, термодинамически неустойчива и при определенных условиях в
результате растворения контактов срастания из наиболее мелких частиц может
перейти в более крупные изолированные кристаллы.
Предлагаемая монография возникла на основе
многолетних работ, ведущихся в отделах физико-химической механики дисперсных
систем и материалов и коагуляционно-кристаллизационных структур Института
коллоидной химии и химии воды АН УССР. Она является научным обобщением и
содержит новейшие данные о формировании и существовании коагуляционных структур
дисперсных минералов в различных средах и при различных воздействиях.
Форсированный разогрев бетонной смеси
одновременно с вибрационными воздействиями дает также возможность управлять
структурообразованием бетона, при этом наблюдается ускорение физико-химических
процессов: растворение вяжущих и коагуляция, возникновение обратимой
коагуляционно-кристаллизационной структуры, постепенное превращение ее в
необратимую кристаллизационную структуру и упрочнение последней.
Таким образом, имеются все основания считать,
что одной из основных причин деструктивных явлений во второй стадии
струк-турообразования являются превращения глобулярных частиц извести и,
возможно, других новообразований в результате внут-риглобулярной кристаллизации
в большое количество кристалликов, которые в дальнейшем растут и объединяются
во вторичные коагуляционно-кристаллизационные структуры.
Принципиальная схема автоматизации
четырехблочной автоклавной установки. Объективность значения пластической
прочности как выражения предельного статического напряжения сдвига сохраняется
только при измерении пластического цементного раствора, имеющего коагуляционную
структуру. Когда образец приобретает коагуляционно-кристаллизационную
структуру, то при погружении конуса вместо течения развиваются явления смятия,
этим и объясняется условность значений пластической прочности для такого
состояния системы.
В последние два десятилетия был достигнут
значительный прогресс в изучении кристаллической структуры дисперсных
минералов. Однако поверхностные свойства дисперсных минералов до недавнего
времени были мало изучены. В частности, еще не выявлены закономерности
ионообменных реакций для глинистых минералов и цеолитов, отсутствуют
достоверные данные о положении обменных катионов в их решетке, до конца не
раскрыта роль кристаллического и субмикроскопического строений, а также
обменных катионов в адсорбционных процессах и формировании
коагуляционно-кристаллизационных структур.
Их взаимосвязь определяет пластичность
практически неразрушенной и разрушенной структур и кинетику возрастания предела
текучести и пластической вязкости неразрушенной структуры во времени. В своей
работе авторы показали, что структурообразование цементного теста с момента
затворения цемента водой протекает в 2 периода. Первый период-период
пластичного состояния цементного теста, который назван периодом формирования
структуры. Он характеризуется наличием коагуляционной структуры, обладающей
пластичностью и способностью тиксотропно восстанавливать свои свойства. Во
второй период структурооб-разования цементное тесто теряет свою пластичность в
результате образования коагуляционно-кристаллизационной структуры со свойствами
упруго-хрупкого тела. Кристаллизационная структура определяет прочность цементного
камня и бетона.
цементный коагуляционный бетон
клинкерный
3.
Регулирование свойств бетона в период службы
Существенным недостатком обычных бетонов
является наличие разветвленной сети пор, капилляров, различных микродефектов,
образующихся при формовании бетонных и железобетонных изделии, их твердении и в
процессе эксплуатации. Дефекты и поры понижают прочность бетона, а также его
долговечность и стойкость к воздействию агрессивных сред, так как открывают
последним доступ внутрь бетона.
Свойства бетона можно изменить, если поры и
капилляры заполнить другим веществом. Для этого готовые бетонные или
железобетонные изделия или конструкции подвергают специальной обработке. Эта
обработка включает сушку изделий, вакуумирование, пропитку специальным составом
и полимеризацию при пропитке мономерами. Окончательные свойства материала будут
зависеть как от свойств обрабатываемого бетона и используемого для заполнения
пор вещества или состава, так и от технологии обработки [4].
При поверхностной обработке материала структура
бетонополимера и соответствующее изменение свойств материала наблюдаются только
в поверхностных слоях Внутри массива бетон сохраняет свои структуру и свойства.
Пропитка бетона мономером с его последующей полимеризацией в теле бетона
приводит к резкому увеличению прочности и улучшению других свойств бетона.
Прочность бетонополимера на сжатие по сравнению с исходным контрольным бетоном
повышается в 2 10 раз, вместо бетона прочности 20. .50 МПа получают
бетонополимер прочностью 80... 200 МПа. Прочность бетонополимера на сжатие
зависит от прочности исходного материала, свойств полимера, содержания его в
бетоне. С увеличением содержания полимера в бетоне прочность бетонополимера
возрастает.
Добавки, придающие затвердевшему бетону
специальные свойства, подразделяют на следующие разновидности.
Добавки, уменьшающие смачивание бетона, это
гидрофобизирующие добавки.
Гидрофобизирующие добавки -
это вещества, придающие стенкам пор и капилляров в бетоне гидрофобные
(водоотталкивающие) свойства.
Гидрофобизирующие добавки, к числу которых
принадлежат многие органические вещества с резкой ассиметрией в строении их
молекул, вводят в бетонные и растворные смеси с целью:
- уменьшения смачивания стенок пор и
капилляров, а также поверхности изделий;
- повышения связности и подвижности
бетонной смеси, происходящего за счет равномерно распределенных в ней пузырьков
воздуха или газа.
Придание бетонам и растворам водоотталкивающих
свойств с применением гидрофобизирующих добавок наиболее эффективно в
тонкостенных элементах конструкций полов, облицовок резервуаров, лотков, а
также при необходимости исключить возможность взаимодействия жидкостей с
цементом и при высоких гигиенических требованиях к покрытию полов, резервуаров
и других поверхностей, увлажнение которых нежелательно по технологическим или
гигиеническим соображениям.
Механизм действия гидрофобизирующих добавок
состоит в том, что они при контакте с продуктами гидратации цемента осаждаются
в виде мельчайших капелек на стенках мелких пор и капилляров, образуя
гидрофобные покрытия. В результате этого возникает контакт, имеющий обратный
угол, при котором силы поверхностного натяжения выталкивают воду из пор.
Применение гидрофобизирующих добавок в цементных
системах способствует формированию плотной и однородной структуры. Это
выражается в уменьшении количества и размеров макропор (радиус пор менее 10
мкм), а также в их более равномерном распределении в массе цементного камня.
Количество макропор в цементных системах с добавками в 2...4 раза меньше, чем в
без добавочных системах. Макропоры, как правило, замкнутые, имеют правильные
окружные формы с ровными краями. Их размеры находятся в пределах от 0,5 до 0,05
мм с преобладанием пор размером 0,1 мм.
Добавки, изменяющие электропроводность,
применяют при производстве бетона электротехнических конструкций. К лучшим
относятся добавки технического углерода.
Кроме перечисленных применяют и другие
специальные добавки: повышающие защиту от радиации (в конструкциях ядерных
энергетических установок); увеличивающие жаростойкость бетона; придающие бетону
бактерицидные свойства; повышающие его стойкость против коррозии.
Добавки полифункционального действия
(комплексные) позволяют одновременно управлять несколькими свойствами бетонной
смеси и затвердевшего бетона, например повышать пластичность смеси и
увеличивать прочность бетона. Это добавки составного типа, включающие в себя
несколько компонентов, каждый из которых регулирует одно свойство. например,
комплексная добавка ЛСТ + СНВ пластифицирует бетонную смесь и повышает
морозостойкость бетона, добавка ЛСТ + ХК также пластифицирует смесь и ускоряет
твердение бетона. Одновременно эта добавка сокращает расход цемента.
4.
Роль клинкерный остатков в бетоне в период службы
Бетон ведь "искусственный" камень,
структура которого непрерывно изменяется. В нем все еще происходят реакции. Они
протекают медленно, но играют еще очень большую роль. На бетон также влияют
внешние условия, в которых он находится при эксплуатации сооружения, а также
физико-механические воздействия.
С возрастом он упрочняется и как бы набирает
силу. В зависимости от состава бетон обладает рядом как бы "прирожденных
свойств" Другие свойства развиваются в процессе его созревания. Все это
придает бетону сходство с живым организмом, который непрерывно развивается. В
этом и заключается его отличие от природных камней.
Эти процессы обусловлены тем, что в затвердевшем
бетоне остались не прореагированые частички клинкера, которые при
взаимодействии с влагой (водой) медленно годами реагируют, тем самым
увеличивают прочность бетонного камня.
После затворения цемента водой образовавшеяся
жесткая структура сначала является очень рыхлой, но постепенно она уплотняется:
в заполненных водой порах непрерывно появляются новые гидратные фазы. Объем пор
и их размеры уменьшаются, возрастает количество контактов кристаллов и
коллоидных частиц, утолщаются и уплотняются гелевые оболочки на зернах цемента,
срастающиеся в сплошной цементный гель с включением непрореагировавших частиц
цемента. В результате возрастает прочность цементного камня и бетона (рис. 4.1)
[4].
Рисунок 4.1 - Схема процесса преобразований в
структуре цементного теста и камня при гидратации цемента: а - цементные
зерна в начальный период гидратации; б - образование гелевой оболочки на
цементных зернах - скрытый период гидратации; в - вторичный рост гелевой
оболочки после осмотического разрушения первоначальной оболочки, образование
волокнистых и столбчатых структур на поверхности зерен и в порах цементного
камня - третий период гидратации; г - уплотнение структуры цементного
камня при последующей гидратации цемента
В обычных бетонах цемент редко гидратируется
полностью. При обычных сроках твердения полностью прогидратироваться успевает
только часть цемента, поэтому даже при В/Ц > 0,5 в цементе
сохраняются непрогидратированные зерна цемента. Этим и обусловлен процесс
набора прочности затвердевшего бетона с годами.
Список литературы
. http://www.smokinjays.org/stroymaterialy/materialovedenie/struktura_stroitelnykh_materialov2/.
. http://alnam.ru/book_chem.php?id=260.
. http://www.ai08.org/index.php/term/%D0%A2%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9+%D1%81%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%80%D1%8C+%D0%A2%D0%BE%D0%BC+IV,13406-koagulyatsionno-kristallizatsionnaya-struktura.xhtml
. Баженов Ю.М. Технология
бетона : учеб. / Ю.М. Баженов. - М. : Изд-во АСВ, 2003. - 500 с.
. П.С. Красовский
"Бетоны с заданными свойствами для климатических условий дальнего
востока"