CC BY
175Особенности структуры цементного камня и бетона
и
у
а
Королев Евгений Валерьевич
доктор технических наук, профессор кафедры «Строительные материалы», советник РААСН
Долговечность бетонных и железобетонных изделий и конструкций зависит в значительной степени от их структуры, которая формируется в процессе твердения. Структура цементного камня и бетона определяется соотношением твердой и жидкой фаз в цементном тесте и бетонной смеси (В/Ц-отношением), качеством и гранулометрическим составом заполнителей, тонкостью помола и видом цемента, характером контактной зоны. Направленно формируя ту или иную структуру, можно в широких пределах изменять свойства бетонов и повышать их долговечность. Главная особенность структуры цементных бетонов заключается в высокой степени ее неоднородности. Различное количественное содержание компонентов бетона с разнообразными химическими, физико-химическими и физико-механическими свойствами, наличие пор и микротрещин являются основной причиной неоднородности структуры.
Ключевые слова: цементный камень, бетон, железобетонные изделия, бетонные конструкции, долговечность
*
а о
Влияние структуры на коррозионные процессы
Долговечность бетонных и железобетонных изделий и конструкций зависит в значительной степени от их структуры, которая формируется в процессе твердения. Структура цементного камня и бетона определяется соотношением твердой и жидкой фаз в цементном тесте и бетонной смеси (В/Ц-отношением), качеством и гранулометрическим составом заполнителей, тонкостью помола и видом цемента, характером контактной зоны. Направленно формируя ту или иную структуру, можно в широких пределах изменять свойства бетонов и повышать их долговечность. Главная особенность структуры цементных бетонов заключается в высокой степени ее неоднородности. Различное количественное содержание компонентов бетона с разнообразными химическими, физико-химическими и физико-механическими свойствами, наличие пор и микротрещин являются основной причиной неоднородности структуры. Цементный бетон - это многоструктурное твердое тело. Отдельные исследователи выделяют в бетонах три типа структуры: микроструктуру - структуру цементного камня; мезоструктуру - структуру цементно-песчаного раствора; макроструктуру -структуру бетона как систему из заполнителя и цементно-песчаного раствора. Академиком П.А. Ребиндером показано, что в свою очередь микроструктура цементных бетонов может быть трех типов: коагуляционная, конденсационная и кристаллизационная. Коагуляционная структура наблюдается в свежезатворенном цементном тесте. Конденсационная структура формируется за счет слабых молекулярных сил типа Ван-дер-Ваальса. В процессе твердения эта структура постепенно переходит в кристаллизационную. Компоненты этой структуры связаны между собой химическими ковалентными, ионно-ковалентными и ионными связями. Именно эти химические связи и обеспечивают долговечность цементным бетонам.
Строение и взаимосвязь структурных элементов, размеры и характер пор и капилляров, соотношения между фазовыми составляющими зависят от минералогического состава цемента, количества воды затворения, технологии укладки, времени и режима твердения и других факторов. Цементный камень является капиллярно-
пористым телом и представляет собой трехфазную гетерогенную систему, состоящую из твердой, жидкой и газообразной фаз.
Твердая фаза цементного камня формируется из продуктов гидратации минералов и оставшихся непрогидратированными зерен исходного цемента (клинкерный фонд). Цементный камень - система нестабильная. В ней постоянно протекают химические, физико-химические превращения приводящие к формированию структуры, а также такие физические процессы, как седиментация и другие сложные процессы. Новообразования в цементном камне представлены волокнистой гелеобразной фазой, близкой по структуре и составу к тобермориту - С8Н(В), С8Н(!) (основная масса), кристаллической фазой, состоящей из очень тонких пластинок (около 1 мкм в поперечнике) гидроксида кальция Са(ОН)2, гексагональных пластинок четырех-кальциевого гидроалюмината, игольчатых и нитеобразных кристаллов эттрингита. По данным Грудемо волокна тоберморитопо-добных гидросиликатов кальция адсорбируются на поверхности пластинчатых гидроалюминатных фаз и определяют структуру цементного камня. Гидрат-ные новообразования цементного камня представляют собой частицы коллоидных размеров, длина которых составляет 50 нм, ширина - до 10 нм, а толщина - 3...4 ячейки их кристаллической решетки. Степень закристаллизованности тоберморитоподобных гидросиликатов кальция переменна и зависит от большого числа технологических факторов, вследствие этого микроструктура цементного камня может сильно видоизменяться. Большое многообразие микроструктур различных видов цементного камня приводит к единственному общему свойству всех цементов - огромной удельной поверхности, достигающей 500.700 м2/см3 («200 м2/г). Удельная поверхность цементного камня определяет прочностные и другие важные его свойства. Связь между частицами компонентов цементного камня разнообразна: от ковалентной до слабой молекулярной типа Ван-дер-Ваальса. Частицы тоберморитоподобных гидросиликатов кальция связаны ковалентными связями. Именно они придают цементному камню упругие свойства.
Гидратированные алюминатные составляющие, заполняющие отдельные объемы пространства геля, также препятствуют хрупкому разрушению структуры бетона. Адсорбционные связи гидратированных алюминатных фаз между собой и тоберморитоподобными гидросиликатами кальция легко разрываются и затем вновь образуются, придавая, тем самым, ползучесть бетону.
Исследованиями академика П.А. Ребиндера установлено, что «гели» кремниевой кислоты,
как и гидросиликатов кальция, не тиксотропны и при разрушении проявляют свойства упруго-хрупких тел. Отсутствие явления тиксотропии у гидросиликатов кальция подтверждает их кристаллический характер даже в момент их образования. Исследованиями В.Н. Вернигоровой показано, что уже через 5 минут от начала синтеза новообразования, полученные в системе «Са0-8Ю2-Н20», дают отчетливые рентгенограммы С8Н(В), С8Н(!) и других гидросиликатов кальция [2]. Гидросиликаты кальция различного переменного состава представляют собой соли слабой поликремниевой кислоты и более сильного основания Са(ОН)2. Константа диссоциации Н48Ю4 Кд1 = 1,3-10-11. Константа диссоциации Са(0Н)2 Кд2 = 410-2. В гидросиликатах кальция вода выравнивает силу поликремниевых кислот и Са(ОН)2, поэтому гидросиликаты кальция гидролизу не подвегаются и являются малорастворимыми в воде. Гидроалюминаты и гидроалю-моферриты кальция образованы еще более слабыми кислотами Н3А103 и Н3Ре03 и сильным основанием Са(ОН)2. Например, Кд1 для А1(0Н)3 равно 4,1-10-13. Это означает, что гидроалюминаты кальция являются неустойчивыми соединениями и как соли чрезвычайно слабой алюминиевой кислоты способны к обратной реакции -гидролизу, который может быть инициирован избыточным содержанием воды, примесями, обладающими каталитическими свойствами, механическим воздействием. Именно поэтому гидроалюминаты и гидроалюмоферриты кальция как бы обладают свойствами вязких тел и при разрушении или деформации структуры способны ее восстанавливать.
Высокая активность трехкальциевого алюмината 3Са0-А!203 объясняется тетраэдрической координацией катионов алюминия, а неустойчивость его обусловлена наличием в сырьевой шихте фторида кальция СаР2, кремнефторида натрия Ыа281Рб, сульфата кальция Са804. Доказано, что в щелочном растворе существуют только комплексные ионы А1(0Н)4-.
Основные минералы портландцементного клинкера алит и белит представляют собой твердые растворы. Так, электронный микроанализ позволил установить следующий состав бе-лита - Са87МдА1Ре (Ыа1/2,-К1/2) (А!38142018о). Миджлей обнаружил в составе белита следующие элементы: Ре, А!, К, Мд, Р, Сг, Т и следы Со и 8. Среднее содержание примесных элементов составляет (мол. %): Ыа20 - 0,008; К20 -0,008; Мд0 - 0,01; ТЮ2 - 0,002; А^3 + Ре203 -0,026.
Алит представляет собой твердый раствор трехкальциевого силиката 3Са0-8Ю2 с Мд0 и А!203. Методом электронного зонда был установлен состав алита: Са10бМд2(Ыа1/4 К1/4 Ре1/2)03б(А!28134044). Содержание примесей в
О
55 >
£
55 П П 1
9
8
и
у
а
г
*
а б
алите составляет (мас. %): А1203 - 0,6...1,1; МдО - 1,2...2,4. Кроме этих примесей в алите обнаружены твердые растворы Ыа, К, Мп, И, Р и Бг.
Наличие большого количества примесей в белите и алите делает структуру этих минералов дефектной, неустойчивой и химически активной. В процессе гидратации происходит гидролиз этих минералов и в результате сложных химических и физико-химических превращений образуются новообразования - соединения переменного состава - гидросиликаты кальция. Имеющиеся в клинкере примеси внедряются в тетраэдрические и октаэдрические пустоты структуры гидросиликатов кальция, гидроалюминатов и гидроалюмоферритов кальция. Примеси - это подвижная, активная часть структуры цементного камня. Химическая коррозия цементного камня и бетона начинается с момента взаимодействия именно примесей с водой, располагающейся в порах цементного камня (поро-вая вода). Диффузия в твердом теле протекает медленно. Однако имеющиеся в структуре цементного камня дефекты облегчают процесс диффузии. В работе [2] рассчитана величина блоков мозаики и плотность дислокаций р в структуре модифицированных гидросиликатов кальция, полученных в системе «СаО-БЮг-Н20». Плотность дислокаций зависит от природы и концентрации добавки, а также от температуры. Плотность дислокаций изменяется в пределах 1010...1012 см-1, причем с добавками апротонных кислот она больше, чем с добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Скопление дислокаций вызывает возникновение зародышей трещин. Бетонная конструкция в процессе эксплуатации находится под механическим напряжением, которое смещает атомы из равновесных положений в кристаллической решетке и увеличивает их энергию. Если атомы попадают на линию дислокаций, то энергия их увеличивается приблизительно на 42 кДж/моль по сравнению с энергией находящихся в равновесии атомов. Перемещение атомов по дислокациям облегчается и наблюдается пластическое деформирование бетона.
После совмещения портландцемента с водой образуются частицы новообразований неправильной формы, которые в начале имеют размер 7.8 нм. Химическое взаимодействие этих частиц происходит не по всей поверхности, а только локально - в местах скопления свободных радикалов. Поэтому в цементном камне появляются поры и зазоры между частицами. В начальный момент схватывания количество пор составляет около 28%, а их средний размер колеблется от 1 до 4 нм, что почти в пять раз превышает диаметр молекулы воды.
Цементный камень - полидисперсный поликристаллический материал. Кристаллиты камня
размерам поперечника Ь делятся на четыре тпы: 1) I = 104 нм; 2) I = 102 нм; 3) I = 3 нм; 4)
по
группы: 1) I = 104 нм; 2) I = 102 нм; 3) I = 3 нм; 4) Ь < 3 нм. Новообразования первой группы фактически являются монокристаллами; новообразования более мелкой второй группы являются оптимальными по размерам и четко детектируются на рентгенограммах; новообразования третьей группы на рентгенограммах дают уширенные линии; новообразования четвертой самой высокодисперсной группы с размерами кристаллов менее 3 нм дают дифракционные максимумы, сливающиеся с фоном. Именно четвертую самую высокодисперсную группу кристаллитов, образующихся в начале процесса схватывания, принято условно называть «гелем». Цементный гель - это один из важнейших компонентов цементного камня. Другим компонентом является «свободное» пространство, первоначально заполненное водой. Это так называемые пустоты. В общем случае Пауэрс порами считает промежутки, которые могут быть заполнены водой, способной испаряться при постоянной низкой внешней влажности и при данной температуре. Изменение условий влажного и температурного режимов хранения цементного камня вызывает соответствующее изменение кажущегося отношения Ут/Уп (здесь V - объем твердой фазы; Уп - объем пор). Если цементное тесто хорошо уплотнено, а воздушная пористость составляет не более 1.2%, то поры в твердеющем цементном камне образуются вследствие испарения воды. Кроме пор геля в цементном камне можно выделить еще две группы пор: капиллярные и контракционные. Капиллярные поры образуются в результате испарения воды, которая удерживается в цементном камне силами капиллярного давления. По данным Н.А. Мощанского эти поры имеют размеры, в тысячи раз превышающие размеры пор геля: от 1 до 50 мкм. Капиллярные поры обеспечивают поглощение и миграцию воды. Вода в этих порах замерзает, начиная с -6°С, а в порах геля она замерзает при температуре -40°С и даже при -78°С. Капиллярные поры -основной дефект структуры плотно уложенного бетона. Контракционные поры образуются за счет уменьшения абсолютного объема смеси «цемент - вода» при их химическом взаимодействии. Контракционные поры по размерам занимают промежуточное положение. Содержащаяся в порах вода вызывает набухание, поэтому количество жидкости, которое может поместиться в промежуточном пространстве, частично зависит и от величины набухания.
Свойства цементного геля и степень его «разбавления» капиллярными пустотами, а также поведение воды в порах геля и в капиллярах определяют важнейшие показатели качества цементного камня и бетона: прочность, дефор-
мативность, проницаемость для молекул воды, газов, солей, содержащихся в агрессивной окружающей среде, и долговечность. Очень важную работу по исследованию структурной пористости цементного камня проделал П.П. Сту-паченко. Он оценивает пористость цементного камня по радиусам. Микропорами он считает поры с радиусом 2,5.5 нм (поры геля); переходные поры - это поры с радиусом от 2,5.5 до 50.100 нм. Эти поры представляют собой основную часть капиллярной пористоти. Макропоры - это поры с радиусом более 50.100 нм. Поры с радиусом более 10000 нм, то есть более 10 мкм, уже не являются порами, а представляют собой пустоты и неровности структуры, так как в них поверхность мениска воды практически плоская. Под радиусом поры понимается не истинный радиус, а усредненный, эффективный радиус. По данным П.П. Ступаченко в цементном камне максимум пористости приходится на микро- и переходные поры с радиусом до 100 нм.
Условия и сроки твердения существенно влияют на суммарную пористость. Так, при твердении во влажных условиях в течение полугода по сравнению с твердением в течение 28 суток суммарная пористость цементного камня с В/Ц=0,25 уменьшается на 35%, макропористость - на 42%, микропереходная пористость - на 65%. Это указывает на необходимость длительного выдерживания во влажных условиях бетонов всех видов, за счет чего значительно повышается их водонепроницаемость и морозостойкость. Значительное уплотнение цементного камня и раствора при длительном влажном твердении происходит за счет заполнения объема капилляров плотными гелеподобными фазами. Твердение цементных материалов на воздухе также сопровождается значительными структурными изменениями. Испытания показали, что в возрасте 28 суток при малоизменив-шейся суммарной пористости у цементного камня с В/Ц=0,25 увеличилась на 18% макропористость, а объем микропереходных пор уменьшился на 50%. Значительное уменьшение микропереходной пористости связано с физическими процессами испарения воды, располагающейся в порах геля и капиллярах, а увеличение макропористости - с контракцией цементного камня.
Попеременное замораживание и оттаивание цементного камня и бетона вызывает микронарушения поровой структуры. После 50 циклов замораживания и оттаивания у раствора с В/Ц=0,5 увеличилась суммарная макропористость и уменьшилась микропереходная пористость. Увеличение объема крупных пор и уменьшение микропор объясняется расклинивающим действием на микроструктуру цемент-
ного камня воды, отжимаемой твердеющей фазой льда в микрокапилляры и поры, что приводит к микро-нарушениям структуры и некоторому снижению прочности. Тепловлажностная обработка также изменяет структуру цементного камня. При пропаривании цементного теста нормальной густоты суммарная пористость увеличивается на 2,8%, объем переходных и мак-ропор возрастает на 6,4%, а объем микропор и мельчайших переходных пор уменьшается на 44%. Таким образом, пропаривание не только увеличивает общую пористость, но и смещает баланс порового пространства цементного камня в область макропор. Это приводит к снижению непроницаемости и морозостойкости. Изменение структуры особенно четко проявляется у пропаренных бетонов. При В/Ц=0,5 и 0,6 суммарная пористость растворной части бетона увеличивается на 4,3.5,7%, микропористость уменьшилась незначительно, но переходная макропористость возрастает в 1,5.2 раза. Это объясняется преобразованием большого объема мельчайших переходных пор и капилляров с радиусом 20.50 нм в более крупные переходные поры и капилляры. Увеличение объема пор при пропаривании цементного камня, растворов и бетонов и образование макропор объясняется меньшей степенью гидратации цемента, а следовательно, меньшим количеством образующихся гелеподобных масс. Автоклавное запаривание цементных растворов и бетонов также приводит к изменению структурной пористости цементного камня по сравнению с цементным камнем обычного влажного твердения. Суммарная пористость автоклавных цементных растворов выше, чем у подобных по составу образцов, твердеющих в обычных влажностных условиях. При повышении температуры и давления автоклавной обработки значительно изменяется величина общей пористости. При давлении пара, равном 12.16 атм, пористость уменьшается, а затем намного увеличивается. Максимум пористости всех образцов автоклавного и обычного твердения лежит в пределах 40.80 нм, то есть максимум приходится на поры геля и мельчайшие капилляры цементирующей массы и межкристаллических сростков. Условия автоклавного твердения способствуют появлению второго максимума пористости в пределах 1.2 мкм, то есть в зоне макропор, доступных для фильтрации воды и других жидкостей. Абсолютный объем таких пор у автоклавных бетонов выше, чем у бетона, твердеющего длительное время во влажных условиях. При В/Ц=0,5 наблюдаются еще большие структурные изменения. Вместе с ростом максимума в области мелких переходных пор у цементного камня из портланд- и пуц-цоланового цемента появляется второй максимум, также значительный по величине. У пуццо-
О
55 >
£
55
РЧ
п 1
9
8
и
у
а
г
*
а б
ланового цемента этот максимум полностью входит в зону пор диаметром более 1 мкм, то есть в зону возможной фильтрации воды, и объем такой пористости значителен. У тампо-нажного цемента второй максимум пористости не появляется из-за повышенного содержания гипса. Исследованиями многих ученых установлено, что у алитового цемента больше всего крупных переходных пор и макропор радиусом более 100 нм. Сульфатостойкий цемент занимает промежуточное положение. При введении воздухововлекающих добавок не образуются совершенно замкнутые поры. Поры размером более 1.2 мкм положительно влияют на морозостойкость. При добавлении ГКЖ-10 структурная пористость цементного камня изменяется незначительно. В цементном камне 80.90% объема пор приходится на микропоры с размерами менее 0,1 мкм, то есть 100 нм. В растворах и бетонах удельное количество микропор возрастает. Изменение В/Ц-отношения или соотношения цемента и заполнителя изменяет общую пористость. Однако эти структурные преобразования происходят только у пор с размером 10 мкм. Поры меньших размеров почти во всех случаях занимают одинаковые объемы, независимо от различия в составах. Грудемо установил, что даже большие изменения в минералогическом составе цемента не приводят к существенным изменениям в микроструктуре цементного камня. Пауэрсом установлено, что химический состав цемента не оказывает значительного влияния на удельную поверхность новообразований цементного камня. Стольников показал, что размеры пор в цементном камне зависят от тонкости помола. При увеличении тонкости помола цемента резко уменьшаются размеры пор. По данным О.П. Мчедлова-Петросяна и Д.А. Угинчуса структура цементного камня без добавок в возрасте до 10 дней характеризуется тремя максимумами распределения пор по размерам: 10-6>г>10-7 м, 10-7>г>(2.4)-10-9 м и г=(2.4) -10-9 м, а в более поздние сроки - двумя максимумами: 10-6>г>10-7 м и г=(2.4) -10-9 см. Область микропор 10-7>г>(2.4) -10-9 м в поздние сроки твердения отсутствует или очень незначительна. По пористости бетона нельзя судить о его проницаемости. Для бетонов с сообщающимися порами и капиллярами переменного сечения проницаемость определяется наименьшим диаметром каналов. Размеры сквозных пор, капилляров и щелей, которые могут образовываться в бетоне, составляют от 5-10-7 до 2-10-2 м. Поскольку размеры пор в бетоне в основном менее 1-10-4 м, то проницаемость плотного бетона будет характеризоваться только двумя механизмами переноса газа через тело бетона: вязкостным (пуазейлевским) потоком в
ламинарном и турбулентном режимах и молекулярным (кнудсеновским) потоком. При нормальном атмосферном давлении, когда молекулы газа имеют свободный пробег порядка 10-5 см, вязкостный и молекулярный потоки могут различаться в зависимости от размера радиусов капилляров, то есть при г>>10-7 м течение газа является вязкостным, а при г<<10-7 м - молекулярным. Диффузионная проницаемость характерна только для бетонов, поры которых заполнены жидкостью или полимерным веществом. Диффузия описывается законом Фика.
При воздействии на бетон и железобетон агрессивных агентов необходимо наряду с общей величиной открытой пористости знать объем пор, по которым движутся эти вещества. Объем открытых пор, по которым может двигаться жидкость или газ, называется проницаемой или эффективной пористостью Пэф. Отношение эффективной к общей пористости Поб называется фактором лабиринта:
Фл = Пэф/Поб
Зная величину фактора лабиринта Фл, можно определить фактор структуры К:
К = Фл(1 - Поб) / (1 - Фл)
Особенности структуры растворов и бетона
В бетонах различают в их макро- и мезо-структурах различные формы цементации. При базальной цементации зерна щебня не образуют взаимных контактов, и свойства бетонов преимущественно определяются свойствами раствора, зерна щебня при этом не повышают прочность структуры бетона, а, наоборот, действуют как концентраторы напряжений и снижают ее. Для поровой цементации характерно более полное насыщение бетона зернами щебня. В данном случае щебень в структуре бетона образует плотный каркас, в котором отдельные зерна щебня склеены в монолит сравнительно тонкой прослойкой раствора и способны воспринимать значительные усилия. При дальнейшем увеличении количества щебня в бетоне с поровой цементацией наблюдается переход к структуре с контактной цементацией, характерной для крупнопористых бетонов . Для дорожных и гидротехнических бетонов с точки зрения прочности и долговечности целесообразной является структура с поровой цементацией. Песок с цементным тестом формирует мезоструктуру бетона: на формирование мезоструктуры оказывают влияние количество песка и бетонной смеси, гранулометрический состав песка, форма поверхности. Оптимальное количество песка при определенном расходе воды и цемента должно обеспечить максимальную подвижность бетонной смеси. С этой целью определяют оптимальную толщину растворной пленки или ко-
эффициент раздвижки зерен а, а затем вычисляют расход щебня и раствора на 1 м3 бетона. Для каждой конкретной технологии приготовления и уплотнения смесей, включающей вибрационное и принудительное перемешивание, виброуплотнение с пригрузом, следует подбирать оптимальные по крупности пески. При выборе мелкого заполнителя необходимо уделять особое внимание различным примесям в них, которые влияют на формирование мезострукту-ры. Особенно вредными являются пылеватог-линистые частицы, так как они способствуют формированию коагуляционной структуры и увеличению числа дефектов в ней. Поэтому следует отдавать предпочтение чистым и мелкозернистым пескам.
Важными показателями, определяющими структуру и технологические свойства бетонов, являются удобоукладываемость бетонных смесей и их способность не расслаиваться, которая определяется интенсивностью седиментацион-ных процессов.
В свою очередь седиментационные процессы обусловлены различием в средних плотностях компонентов бетона.
В бетонной смеси в первую очередь осаждаются зерна крупного заполнителя, образующие каркас системы, затем - зерна песка и частицы цемента. При таком стесненном осаждении происходит самоуплотнение бетона и отжатие воды. Часть воды при своем движении у поверхностей заполнителя образует сеть сообщающихся открытых капиллярных ходов, а другая часть воды скапливается под нижними поверхностями заполнителей, образует прослойки, которые в последующем становятся участками ослабленного контакта заполнителей с цементным камнем. Система капилляров в зоне контакта - основной путь проникновения воды в бетон. Именно в этой зоне образуются основные очаги разрушения бетона агрессивными водами при всех видах агрессивного воздействия. Результатом седиментационных процессов является появление капиллярных ходов, размеры которых составляют 50.100 и более мкм, что значительно больше размеров капилляров в цементном камне, возникающих в процессе гидратации (1.10 мкм). Необходимо уменьшать скорость седиментации, которая зависит от вида цемента, его минералогического состава, тонкости помола, весовой влажности. На ранних стадиях седиментационное расслоение можно устранить путем увеличения интенсивности тиксотропного структурообразования, препятствующего отслоению цементной пасты от заполнителей со стороны их нижней поверхности, а также уменьшив весовую влажность бетонной смеси. Бетоны, имеющие седиментационные поры и капилляры в значительном количестве, не могут
в необходимой степени самоуплотняться за счет набухания и кольматации, так как они труднее закупориваются и закрываются, чем в цементном камне. Этим объясняется недостаточная стойкость в условиях переменного темпера-турно-влажностного режима бетонов на мелкозернистых и загрязненных песках и бетонов на цементах, содержащих тонкомолотые добавки. Развитая поверхность контакта зерен заполнителей с частицами цемента обеспечивает образование большого количества седиментацион-ных пор в зоне этого контакта, что намного увеличивает их капиллярную всасываемость и понижает стойкость таких бетонов и растворов к воздействию внешней агрессивной среды.
Седиментация цементного теста возможна только при определенных промежутках между зернами заполнителя, в связи с чем в цементных растворах характер пористости будет определяться крупностью песка и величиной В/Ц, которая зависит от удобоукладываемости. Крупные пески в цементных растворах способны образовывать каркас, в ячейках которого может происходить седиментация цементного теста. Мелкие пески затрудняют седиментацию, так как размеры ячеек между песчинками малы. Но мелкие пески для получения удобоукладывае-мой смеси требуют большего количества воды, что приводит к увеличению числа пор в цементном камне, хотя эти поры менее опасны для процессов фильтрации и химической коррозии. Недостатком мелких песков является то, что они сильнее, чем крупные пески, загрязнены глинистыми и пылевидными частицами, что приводит к увеличению дефектов структуры. Седимента-ционное расслаивание зависит от тонкости помола: чем больше тонкость помола, тем меньше седиментационное расслоение. Для уменьшения расслаивания эффективным является тщательный подбор состава смеси заполнителей: щебня и разных фракций песка, которые обеспечивают плотнейшую упаковку частиц. Еще более эффективным средством борьбы с седи-ментационным расслоением является увеличение жесткости бетонных смесей. Однако в этом случае необходимо обеспечить хорошую удобо-укладываемость. При малых В/Ц-отношениях и оптимальных расходах цемента этого достигают введением ПАВ и увеличением количества мелких частиц в песчаном заполнителе.
Плотность не всегда положительно влияет на долговечность. Практика знает немало случаев, когда более плотные бетоны в определенных условиях разрушались быстрее, чем менее плотные.
Процессы переноса влаги в капиллярно-пористых телах имеют капиллярный характер. Исследованиями В.В. Стольникова установлено, что наибольшей капиллярной всасываемостью
О
55 >
£
55
РЧ
п 1
9
8
и
у
а
обладает цементный камень. Это объясняется тем, что в процессе сушки цементный камень подвергается необратимым изменениям. При этом уменьшалась величина удельной поверхности, например, для цементного камня в возрасте 9 дней - на 70%. Объем «геля» уменьшался, и увеличивалось количество кристаллической фазы. При этом высокоосновные гидросиликаты кальция переходят в низкоосновные. При высыхании «гель» необратимо уменьшается в объеме. Усадка «геля» протекает двумя путями:
1) цементный гель испытывает внутреннюю усадку, в процессе которой увеличиваются размеры существующих пор или образуются новые;
2) несколько уменьшается внешний объем структуры, так как уменьшается внешний объем структуры. Поскольку уменьшение внешних размеров образцов цементного камня немного меньше величины внутренней усадки, то это вызывает увеличение объема пор. Как показал Ф.М. Ли, степень поглощения воды бетоном, высушенным при 100оС и погруженным в воду на 48 часов, может в отдельных случаях снизиться до 2% по весу или возрасти до 15.20%. У хороших бетонов величина поглощения воды может быть ниже 10%. Если бетоны с одинаковыми заполнителями, то качество их зависит от количества поглощенной воды. Чем выше поглощение, тем ниже качество. Большое увеличение плотности в ранние сроки твердения наблюдается у цементов, содержащих преимущественно быстротвердеющие минералы. У цементов, состоящих из медленно гидратирую-щихся минералов, таких как р-С2Э, в поздние сроки твердения плотность будет или равна, или даже выше, чем у быстротвердеющих цементов.
Таким образом, полидисперсность и сложность структуры бетонов, наличие дефектов в ней, наличие примесей, не связанных с другими группировками структуры сильными ковалент-ными и ионными связями, наличие в структуре пор и седиментационных капилляров являются основными факторами, вызывающими химическую коррозию бетона. Для повышения долговечности бетона необходимо: улучшать его структурные свойства, сокращать суммарный объем пор, уменьшать количество седимента-ционных капилляров и переводить открытую пористость в замкнутую.
Литература
1. Ступаченко П.П., Структурная пористость и ее связь со свойствами цементных, силикатных и гипсовых материалов// Труды Дальневосточного политехнического института. - Т. 63. - Вып. 1. - 1964. - 197 с.
2. Вернигорова В.Н. Физико-химические основы образования модифицированных гидросиликатов кальция в композиционных материалах на основе системы CaO-SiO2-H2O. - Пенза: ЦНТИ, 2001. - 394 с.
3. Стольников В.В. Исследования по гидротехническому бетону. - М.: Госэнергоиздат, 1962. - 166 с.
4. Пауэрс Т. Физические свойства цементного теста и камня// 4-й Международный конгресс по химии цемента. - М.: Стройиздат, 1961. - С.165.
5. Алексеев С.Н. Коррозия и защита арматуры в бетоне. - М.: Госстройиздат, 1962. - 215 с.
6. Биостойкость строительных материалов и конструкций. - М.: Гос-строй СССР, 1983. - 225 с.
Features of structure of a cement stone and concrete Korolev E.V.
Russian academy of architecture and construction sciences The durability of concrete and concrete goods and designs depends substantially on their structure which is formed in the course of curing. The structure of a cement stone and concrete is defined by a ratio of firm and liquid phases in the cement test and concrete mix (In / Ц-отношением), quality and particle size distribution of fillers, a subtlety of a grinding and a type of cement, character of a contact zone. It is directed forming this or that structure, it is possible to change over a wide range properties of concrete and to increase their durability. The main feature of structure of cement concrete consists highly its heterogeneity. Various quantitative maintenance of components of concrete with various chemical, physical and chemical and physicomechanical properties, existence of a time and microcracks are the main reason for heterogeneity of structure. Keywords: cement stone, concrete, concrete goods, concrete
designs, durability References
1. Stupachenko P. P., Structural porosity and its communication
with properties of cement, silicate and plaster materials//Works of the Far East polytechnical institute. - T. 63. - Issue 1. - 1964. - 197 pages.
2. Vernigorova V.N. Physical and chemical bases of formation of
the modified calcium hydrosilicates in composite materials on the basis of the CaO-SiO2-H2O system. - Penza: TsNTI, 2001. - 394 pages.
3. Stolnikov V.V. Researches on hydrotechnical concrete. - M.:
Gosenergoizdat, 1962. - 166 pages.
4. Powers T. Physical properties of the cement test and a stone//the 4th International congress in cement chemistry. -M.: Stroyizdat, 1961. - Page 165.
5. Alekseev S.N. Corrosion and protection of fittings in concrete.
- M.: Gosstroyizdat, 1962. - 215 pages.
6. Bioproofness of construction materials and designs. - M.: State Committee for Construction of the USSR, 1983. - 225 pages.
5
*
a
6
