Бетон – это смесь портландцемента, мелкого и крупного заполнителей и воды. В эту смесь могут быть добавлены химические и минеральные примеси, воздухововлекающие материалы, стальные или пластиковые волокна.
- Портландцемент
- Гидратация портландцемента
- Затвердевание портландцементного бетона
- Примеси к бетону
- Заполнитель в бетоне
- Вовлечение воздуха в бетон
- Выдерживание бетона
ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ
Цемент в сухом виде состоит из дискретных отдельных частиц. При перемешивании с водой они становятся дисперсными. Они не растворяются. Приблизительно 65% цемента в бетонной смеси вообще гидратирует. Именно соотношение воды и цемента определяет прочность бетонной смеси, а не количество цемента в смеси само по себе. Должно быть достаточно цементного теста, чтобы покрыть все частицы заполнителя и обеспечить хорошее сцепление цемента с заполнителем.
Типы портландцемента
ASTM C-150 Стандартная спецификация портландцемента включает:
- Тип I – Нормальный
- Тип IA – Нормальный, воздухововлекающий
- Тип II – Средней стойкости к сульфатам
- Тип IIA – Средней стойкости к сульфатам, воздухововлекающий
- Тип III – Высокая начальная прочность, воздухововлекающий
- Тип IV – Гидратация с низким выделением тепла
- Тип V – Высокой стойкости к сульфатам
Химический состав портландцемента
За исключением воздухововлекающих цементов, все типы портландцемента содержат одни и те же химические ингредиенты. Свойства различных типов цемента определяются разницей в соотношениях между этими ингредиентами и зернистостью (число Блейн) помола цемента.
4 наиболее распространенных ингредиента
Силикат трикальция быстро гидратирует и затвердевает, в значительной степени влияет на первоначальное схватывание и увеличение начальной прочности).
Силикат двукальция медленно гидратирует и затвердевает, в значительно степени влияет на увеличение прочности после 7 дней).
Бигидрат сульфата кальция (гипс) замедляет скорость гидратации алюмината трикальция и предотвращает очень быстрое затвердевание.
Алюминат трикальция освобождает большое количество тепла в течение первых нескольких часов и дней гидратации. Вносит незначительный вклад в развитие начальной прочности, может стать причиной очень быстрого затвердевания, если его не контролировать. Высокое процентное содержание уменьшает стойкость к сульфатной коррозии.
ГИДРАТАЦИЯ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА
Пр взаимодействии с водой цемент кристаллизуется и связывает заполнитель, образуя твердую и прочную массу. Этот процесс называется гидратацией портландцемента. Гидратация продолжается до тех пор, пока цемент находится в контакте с водой. На скорость гидратации влияет несколько факторов. Важнейшие из них — это свойства самого цемента (тип портландцемента) и температура выдерживания бетона.
Гидратация и набор прочности в процентах при выдерживании бетонов на основе портландцемента типа I :
1 день – 15%
3 дня – 50%
7 дней – 67%
28 дней – 100%
3 месяца – 115%
1 год – 120%
5 лет – 125%
Uидратация и набор прочности в процентах при выдерживании бетонов на основе портландцемента типа III» :
1 день – 35%
3 дня – 70%
7 дней – 85%
28 дней – 100%
3 месяца – 115%
1 год – 120%
5 лет – 125%
Экзотермические процессы при гидратации
При реагировании цемента с водой выделяется тепло. Экзотермичность гидратации зависит от типа цемента.
Количество тепла в процентах, выделяемого в течение первых 7 дней выдерживания бетона для разных типов портландцемента:
Тип I – базисный 100%
Тип II – средний 80-85%
Тип III – высокая начальная прочность до 150%
Тип IV – слабое тепло гидратации 40-60%
Тип V – стойкий к сульфатам 60-75%
Затвердевание портландцементного бетона
В процессе гидратации цемент под воздействием воды начинает схватываться, и вскоре бетонная смесь достигает такой твердости. Затвердевание – степень схватывания смеси цемента и воды, после которой уже не следует предпринимать попытки ее уложить. Окончательное затвердевание это время, когда со смесью уже нельзя работать. Если в это время смесь потревожить, то это окажет неблагоприятное воздействие на развитие прочности. Ложное затвердевание – быстрое развитие жесткости в свежесмешанном портландцементе перед ростом выделения значительного количества тепла. Пластичность можно восстановить дальнейшим перемешиванием без добавления воды.
Портландцемент – это поверхностно-активный материал. Чем крупнее цемент, тем медленнее будет протекать химическая реакция, когда он вступит в контакт с водой. Цементы, у которых медленное увеличение прочности будут более крупнозернистыми (маленькое число Блэйн), а цементы, которые быстро увеличивают прочность, будут более мелкозернистыми (большое число Блэйн).
Типичная зернистость по Блэйну
Тип I – 3700
Тип II – 2800
Тип III – 5400
Тип IV – 3800
Тип V – 3800
ПРИМЕСИ К БЕТОНУ
Примеси, чаще всего используемые при изготовлении бетона, делятся на две группы:
-
примеси, реагирующие с входящим в состав цементного теста гидроксидом кальция (пуццоланы) . Пуццолановые примеси увеличивают прочность бетона.
-
примеси, рассредотачивающие частицы цемента (химические примеси). Химические примеси используются не только для упрочнения бетона, но и для контроля его рабочих характеристик (например, скорости затвердевания).
Пуццолановые добавки к бетону
Самые распространенные пуццолановые добавки к бетону — это летучая зола и пары кремнезема. Они реагируют с содержащимся в цементном тесте гидроксидом кальция (свободной известью). В результате реакции гидроксид кальция превращается в гидрат силиката кальция – твердое и плотное кристаллическое вещество.
Химические добавки к бетону
Самый прочный компонент в бетонной смеси — заполнитель (песок и камень). Хотя большинство заполнителей в несколько раз тверже бетона, но прочность бетона определяет в первую очередь качество гидратированного цементного теста. Частицы портландцемента находятся в состоянии флокуляции и не все могут реагировать с водой (гидратировать). Чем более полно происходит гидратация частиц цемента — тем выше качество цементного теста. Для этого в бетон добавляют химические примеси (дефлокулянты), ослабляющие электромагнитные силы, поддерживающие состояние флокуляции. В результате цатсицы портландцемента рассредотачиваются и эффективность гидратации улучшается.
ЗАПОЛНИТЕЛЬ
Функции заполнителя в бетоне
Заполнитель занимает примерно две трети объема бетонной смеси. Он значительно уменьшает количество цемента в ее составе, благодаря чему снижается количество тепла, выделяющегося при гидратации цемента. Уменьшение выделения тепла снижает напряжение бетона на начальных стадиях гидратации, что положительно сказывается на прочности готовых бетонных изделий.
В качестве наполнителя должны использоваться прочные материалы. При слабом наполнители внешняя нагрузка не распределяется равномерно по всему объему бетона, что может привести к повреждению изделий. Также важно, чтобы частицы наполнителя имели хорошее сцепление с цементным тестом. Чем лучше это сцепление — тем прочнее бетон. Для обеспечения качественного сцепления заполнитель должен не содержать органических примесей и быть химически инертным.
Важным моментом является водопотребление бетонной смеси. Оно зависит от размеров гранул наполнителя. Необходимо добиться как можно более низкого содержания цемента в бетоне при определенной прочности. Для этого нужно стремиться к максимально низкому водопотреблению, то есть малому объему пустот. При большом объеме пустот для их заполнения требуется много песка. Это увеличивает водопотребление и для достижение нужной прочности понадобится больше цемента.
Форма частиц заполнителя должна обеспечивать легкое продвижение бетона при укладке, поэтому самые лучшие
Характеристики хорошего заполнителя
Для того чтобы обеспечит хорошую плоскость сцепления, заполнитель должен быть химически инертным и свободным от органических веществ.
Важно знать, что водопотребление бетонной смеси определяется ее крупным заполнителем. Для того чтобы иметь низкое содержание цемента при определенной прочности, нужно обеспечить как можно более низкое водопотребление.
Состав заполнителя должен быть таким, чтобы обеспечить маленький объем пустот. Если выбранный заполнитель имеет большой объем пустот, то потребуется больше песка для заполнения этих пустот и, следовательно, увеличится водопотребление.
Форма частиц заполнителя должна быть такой, чтобы обеспечить легкое продвижение бетона при укладке. Самые лучшие заполнители очень компактны по своей форме, приближаясь к форме куба или шара. Частицы заполнителя, которые имеют вытянутую форму, будут блокировать друг друга во время укладки, затрудняя движение бетона. Это в результате приведет к увеличенному водопотреблению для обеспечения рабочей консистенции бетонной смеси.
ВОВЛЕЧЕНИЕ ВОЗДУХА
В толще бетона всегда находится некоторое количество воды. При замерзании вода расширяется. Расширительные силы разрушают затвердевшее цементное тело. Процесс повторяется при каждом цикле мороз-оттепель. Как защитить бетон от разрушительного воздействия расширительных сил?
Для этого в бетонную смесь при приготовлении вовлекается воздух. Пузырьки воздуха создают небольшие пустоты в толще бетона, что уменьшает давление, возникающее при замерзании воды.
Вовлечение воздуха в бетон осуществляется при помощи ПАВ (поверхностно активных веществ) с высокой пенообразующей способностью.
Как получить нужный размер воздушных пустот в бетоне?
Вовлечение воздуха для защиты
Объем вовлеченного воздуха в бетонной смеси должен быть равен 5-8% от общего объема бетона. При таком соотношении в цементном тесте образуются пустоты в каждом промежутке 0,4 мм.
Почему для защиты бетона недостаточно естественного воздуха, захваченного при приготовлении бетонной смеси?
Захваченный воздух составляет не более 0,5% от общего объема бетонной смеси. Этого количества недостаточно для формирования нужной плотности расположения воздушных пустот в цементном тесте. Почти весь необходимый вовлеченный воздух входит в бетонную смесь химическим способом, в результате применения ПАВ.
ВЫДЕРЖИВАНИЕ БЕТОНА
Свежеуложенный бетон в течении определенного времени должен находиться в состоянии определенной влажности при определенной температуре. Этот процесс называется «выдерживание бетона». Соблюдение условий и сроков выдерживания обеспечивает нужную гидратацию цементирующих компонентов бетона, правильное затвердевание — и, соответственно, позволяет на выходе получить бетонные изделия надлежащего качества.
Необходимая влажность бетона при выдерживании обеспечивается следующими методами:
-
поливание поверхности бетона водой
-
накрывание бетона влажной тканью
-
накрывание пластиковыми щитами, препятствующими избыточному испарению влаги
-
использование специальных смесей, образующих мембрану
Оптимальная температура выдерживания +20°С. При снижении температуры скорость набора прочности бетона замедляется. Чем ниже температура — тем больше времени требуется для достижения нужной прочности бетона.
Если внутренняя относительная влажность бетона упадет ниже 80%, то гидратация останавливается, что негативно сказывается на долговременной прочности бетона.
