Структура бетона

Бетон можно представить как сочетание относительно непрерывной “сотовой” структуры цементного камня с втопленными в него заполнителями различных размеров и формы, многочисленными микро- и макропустотами, расположенными в цементном камне, заполнителях и контактах между ними. Для бетона характерен ряд структурных групп. Различают плотную структуру характерную для обычных тяжелых бетонов; структуры с пористым заполнителем - для легких бетонов, ячеистые - для крупнопористых бетонов, газо- и пенобетона (рис. 11.9).
По И.М. Грушко можно выделить три группы структур бетона в зависимости от степени раздвижки зерен заполнителей.
Для структуры с базальной цементацией зерна заполнителей не образуют контактов между собой и "плавают" в цементирующей массе. Свойства материала при такой макроструктуре обусловлены преимущественно свойствами матрицы. Заполнители, действуя как концентраторы напряжений, могут ухудшать свойства конгломерата. По мере насыщения структуры зернами заполнителя образуется плотный каркас, склеенный тонкой прослойкой связующего. Такую структуру называют поровой. Она благоприятна как с позиций затрат вяжущего, так и придания бетону улучшенных технических свойств. Контактная структура характеризуется максимальным насыщением бетона заполнителями, когда количества вяжущего недостаточно для заполнения межзерновых пустот.

Основные свойства бетона зависят от сцепления цементного камня с заполнителями. Взаимодействие цементного камня с заполнителями может быть механическим, физико-химическим, химическим и смешанным. Механическое сцепление достигается наличием на поверхности зерен заполнителя микрорельефа, физико-химическое - обусловлено адгезионными свойствами заполнителя, химическое - его химической активностью по отношению к продуктам гидратации цемента. Уже на стадии затворения бетонных смесей начинается формирование контактных слоев между цементным камнем и заполнителями. Для плотного примыкания цементного теста к поверхности заполнителя необходимо, чтобы эта поверхность была чистой и гидрофильной. Частичное “точечное” примыкание цементного камня к поверхности заполнителей приводит к уменьшению адгезии.
Оптимальная толщина промежутков между зернами мелкого заполнителя, обеспечивающая сплошность контакта составляет 40-100 мкм. Ослабление контактной зоны наблюдается при размещении в ней сравнительно крупных кристаллов Ca(OH)2, а также глины и пыли. При повышенных значениях В/Ц за счет водоотделения при виброуплотнении, седиментации теста и последующей контракции вокруг зерен крупного заполнителя образуются пустоты и ослабленные зоны.
С увеличением шероховатости поверхности заполнителя прочность бетона средних классов возрастает до 30%, а высоких - до 50%. Адгезия повышается при наличии химического срастания, имеющего место в контактах карбонатных заполнителей с цементным камнем, а также кварцевых заполнителей при автоклавной обработке.
Поверхность зерен заполнителя при твердении бетона играет роль подложки, облегчающей образование кристаллических зародышей. Интенсивность зародышеобразования определяется степенью гидрофильности и адсорбционной способностью поверхности -подложки.
Прочность на отрыв в зоне контакта цементный камень - заполнитель является существенной составляющей прочности бетона. По данным С.С. Гордона она может быть не менее чем в 2 раза больше составляющей, определяемой прочностью цементного камня.
Поры, характерные для бетона, можно разделить на три вида: поры цементного камня, поры заполнителя и контактные поры на поверхности раздела цементного камня и заполнителя.
Общая пористость бетона на плотных заполнителях как отношение объема пор к общему объему бетона описывается уравнением:

где В и Ц - соответственно расходы воды и цемента, кг/м3; α - степень гидратации цемента; δ - структурная плотность бетонной смеси, рассчитываемая как суммарная объемная концентрация (φi) всех компонентов.

где mi и ρo.i - соответственно, масса и средняя плотность i-того компонента бетонной смеси.
При введении в бетонную смесь микропенообразующих ПАВ в нем образуется система условно замкнутых пор, заполненных воздухом. Поры от вовлеченного воздуха имеют размеры порядка 0,05 см, что значительно меньше, чем от случайно защемленного воздуха. Основным контролируемым фактором для системы условно замкнутых пор является расстояние, между пузырьками воздуха, которое составляет обычно около 0,025 см. Содержание вовлеченного добавками ПВА воздуха в бетоне, как правило, находится в диапазоне 3-6%.
Кроме пор важными структурными элементами бетона, определяющими его физико-механические свойства, являются трещины - несплошности материала, имеющие внутренние поверхности раздела. В реальном материале всегда имеется большое количество микротрещин, возникающих по технологическим или эксплуатационным причинам. Эксплуатационные трещины в бетоне возникают при его работе под нагрузкой и воздействии агрессивных факторов окружающей среды. Причинами образования технологических трещин являются процессы и явления, протекающие при формировании цементного камня, взаимодействии матричного материала и заполнителей, деформационные процессы. Количество и вид технологических трещин оказывают существенное влияние на физикомеханические характеристики бетона, кинетику накопления и развития эксплуатационных трещин, несущую способность и характер разрушения конструкций. Самозалечивание технологических трещин возможно при зарастании их объемов продуктами гидратации или в результате воздействия среды, например при карбонизации. Количество технологических трещин уменьшается при введении различных модификаторов структуры, оптимизации технологических процессов.