Расход цемента, его вид и минералогический состав, водоцементное отношение, применение химических добавок — важные технологические факторы процесса структурообразования. Влияние химических добавок, вводимых в состав бетонной смеси, распространяется на все стадии технологической обработки бетонной смеси и структурообразование твердеющего бетона. Непосредственно на параметры структуры и кинетику твердения цементного камня и бетона воздействуют добавки II и III классов по классификации НИИЖБ.
Регуляторы процесса схватывания и твердения бетона (II класс) используются, как правило, для сокращения длительности технологического цикла производства изделий и ускорения твердения бетона (особенно при низких температурах) в монолитных конструкциях. Наибольшее распространение получили добавки ряда неорганических веществ, вводимые с целью ускорения схватывания и твердения бетона. По механизму действия их делят на две группы: добавки, изменяющие растворимость в воде минералов цемента без химического взаимодействия с ними; вещества, реагирующие с вяжущим с образованием труднорастворимых и малодиссоциирующих соединений.
К первой группе относятся в основном электролиты — хлорид и сульфат кальция, хлорид и нитрит натрия и другие соли. Особенно широко применяют хлорид кальция (0,5...2% массы цемента); твердение, например в суточном возрасте, ускоряется примерно в 1,5— 2 раза, затем замедляется и к месячному возрасту прочность примерно соответствует прочности бетона без добавок. Эффективность добавок выше для жестких бетонных смесей, а также при пониженных температурах твердения. Скорость твердения тем больше, чем больше объем добавок, однако если их содержание превышает 4% массы цемента, наблюдается уже недопустимое сокращение сроков схватывания (при нормальной температуре), увеличение усадки, коррозия арматуры, высолы на поверхности бетона и т. п. Поэтому количество вводимой добавки хлорида кальция и других добавок этой группы ограничивается рядом условий.
Повышенное содержание хлоридов в бетоне используется как противоморозная добавка, снижающая температуру замерзания воды при холодном бетонировании. В определенной мере добавки этой группы являются и пластификаторами бетонной смеси. »
Твердение и структурообразование бетона — важнейшая стадия технологии производства бетонных и железобетонных изделий, определяющая качество продукции. Особенность управления этим процессом заключается в его непрерывности — управляющие воздействия необходимы на стадии технологической подготовки производства при назначении и корректировке состава смеси и на стадии уплотнения бетонной смеси и формования конструкций, так как на этих стадиях закладываются основы будущей структуры и свойств бетона.
Хотя процесс твердения и структурообразования протекает самопроизвольно, его результат (прочность, стойкость бетона и т. п.) может изменяться в значительных пределах в связи с влиянием комплекса технологических и физических факторов на всех стадиях технологии производства. Процесс может развиваться с различной скоростью и полнотой протекания реакций в условиях одновременного и последовательного действия конструктивных (положительных) и деструктивных факторов. Поэтому научно обоснованная технология бетона исходит из необходимости управления технологическим процессом для обеспечения условий направленного структурообразования, предполагающего развитие и использование конструктивных факторов и по возможности нейтрализации влияния деструктивных. »
Кинетика процесса структурообразования бетона отражается нарастанием прочности бетона во времени. Интенсивность повышения прочности зависит от вида и активности цемента, водоце-ментного отношения, температуры и условий твердения.
Фактор времени. Б. Г. Скрамтаев предложил эмпирическую зависимость нарастания прочности бетона от времени при твердении в стандартных (нормальных) условиях.
Эта зависимость справедлива для периода твердения продолжительностью примерно год. Затем интенсивность твердения убывает и наступает момент, когда гидратные оболочки вокруг зерен настолько уплотняются, что доступ воды внутрь зерен практически прекращается. До 30—40% частиц цемента остаются непрореагировавшими. Так, по экспериментальным данным, при диаметре зерна цемента d=50 мкм глубина гидратации составила через 3 дня 3,85 мкм, через 28 дней — 6,56 и через 6 месяцев — 11,64 мкм.
Вид и активность цемента, его минералогический состав непосредственно влияют на скорость твердения бетона. Наибольшей скоростью твердения отличаются бетоны на цементах с высоким содержанием алюминатов кальция. Увеличение основности алюминатов приводит к еще большему форсированию процессов схватывания и твердения, но прочность бетона при этом снижается.
Применение алитовых портландцементов (с высоким содержанием C3S) обеспечивает интенсивный рост прочности бетона в первые недели твердения, однако в последующий период скорость твердения уменьшается. На белитовых портландцементах (с повышенным содержанием C2S) бетон относительно медленно твердеет в течение первого месяца, но в последующем интенсивность роста прочности увеличивается. Повышение содержания трех-кальциевого силиката обычно вызывает и увеличение прочности бетона. »
Структурообразование и твердение бетона сопровождается изменением его объема. К объемным деформациям такого рода относятся контракция, усадка и набухание, температурные деформации.
Контракция — это явление сжатия системы «цемент+вода» в процессе их взаимодействия. В результате общий объем системы уменьшается, так как объем новообразований — кристаллогидратов — меньше, чем сумма объемов реагирующих веществ в результате повышения плотности химически связанной воды. Во всем объеме в процессе твердения возникают контракционные поры, поэтому внешний объем твердеющего цементного камня и бетона практически не изменяется. Для обычных цементов предельная контракция равна 7 ... 9 см3 на 100 г цемента, что к 28-суточному возрасту составляет 5... 8% объема цементного камня. При твердении бетона в герметичной форме в условиях, исключающих внешний массообмен, контракция вызывает внутриобъемный вакуум.
На объемные изменения твердеющего цементного камня и бетона может влиять также и капиллярная контракция — отрицательное капиллярное давление в жидкой фазе, находящейся в порах и капиллярах. Это давление вызывает усадку свежеотформо-ванного бетона в начальный период, когда бетон обладает еще только пластической прочностью.
Усадка твердеющего цементного камня и бетона является следствием удаления воды из системы при отсутствии гидрометрического равновесия с окружающей средой, что приводит к уменьшению объема системы. Влажностная усадка вызывается рядом причин, основными из которых являются испарение воды из капилляров цементного камня с радиусами не менее 100 нм и удаление адсорбционно-связанной воды из тоберморитового геля. »
Система капиллярных пор возникает на стадии начала образования кристаллизационной структуры. Капиллярная пористость цементного камня тем больше, чем выше начальное водоцементное отношение и меньше степень гидратации. С течением времени в условиях продолжающейся гидратации цемента объем капиллярных пор уменьшается, так как продукты гидратации постепенно заполняют часть порового пространства, занятого водой затворения. Однако при высоких значениях В/Ц (более 0,6) образующийся в процессе гидратации гель не может «блокировать» все капилляры, и проницаемость цементного камня возрастает.
Зависимость общей, капиллярной и геле-вой пористости цементного камня от степени гидратации цемента при различных В/Ц, — кинетика изменения относительного объема элементов структуры твердеющего цементного камня в зависимости от времени и степени гидратации.
Твердение и структурообразование цементного камня в бетоне являются основными, ведущими процессами, формирующими важнейшие свойства бетона,— прочность, проницаемость, долговечность и др. »
Таким образом, весь процесс структурообразования цементного камня в бетоне можно условно разделить на два основных периода: 1) формирование структуры и 2) период ее упрочнения (стабилизации). В каждом периоде, в свою очередь, можно выделить две стадии: первый период — подготовительная стадия и стадия образования структурированной системы (коагуляционной структуры); второй период — стадия образования кристаллического каркаса и его развития (прорастания) и стадия длительного нарастания прочности структуры.
Естественно, четких границ между периодами и стадиями не существует, их можно установить только по признакам, свидетельствующим о том, что одни процессы в данный момент превалируют над другими. Тем не менее для управления структурообразованием необходимо иметь информацию о кинетике его развития в данных условиях, чтобы решения о технологических управляющих воздействиях были научно обоснованны и оптимальны.
Каждая стадия структурообразования характеризуется определенными свойствами возникающих (или преобладающих) в это время структур: интенсивностью выделения теплоты, пластической прочностью, электропроводностью, степенью гидратации и др. Исследуя косвенными методами кинетику изменения этих свойств во времени путем построения графических зависимостей, можно на полученных кривых выделить определенные участки, характерные для различных стадий структурообразования. »
Кристаллизационно-конденсационные структуры представляют собой контакты прямого срастания кристаллов соответствующих гидратов. Эти принципиально новые виды связей придают структуре качественно новые механические свойства. В отличие от коагуляционной, рассматриваемые структуры под влиянием напряжений деформируются и разрушаются необратимо, самопроизвольно не восстанавливаются. Поэтому механические воздействия (например, вибрирование) на этой стадии с целью совершенствования структуры не только бесполезны, но и вредны.
Кристаллизационные контакты, образуя своеобразный жесткий каркас, способствуют резкому увеличению прочности материала; вязкопластическое деформирование переходит в упругохрупкое разрушение. Повышению прочности способствуют рост числа контактов прямого срастания, увеличение объемной концентрации новообразований и плотности геля в пространстве между частицами цемента. Вместе с тем появление и развитие кристаллического каркаса вызывает внутренние напряжения в твердеющей и упрочняющейся системе. »
Коагуляционные структуры образуются в основном за счет энергии межмолекулярного притяжения при повышении концентрации новообразований, преимущественно гидросиликатов и гидроалюминатов кальция в начальной, подготовительной стадии структурообразования. Эти гидраты представлены в виде мельчайших частиц — субмикрокристаллов — с размерами меньше 0,1 мкм; они создают в прослойках между гидратированными зернами цемента коллоидную систему — тоберморитовый гель. Между частицами возникают коагуляционные контакты, что и приводит к образованию коагуляционной структуры. Особенностью этих контактов является обязательное наличие между частицами тонкой устойчивой прослойки воды (дисперсионной среды).Отличительными особенностями коагуляционных структур, обусловленными характером контакта между частицами, являются:
обратимость, или тиксотропия,— способность самопроизвольно и неоднократно восстанавливаться через некоторое время после разрушения;
высокая эластичность; под действием напряжения структура способна к значительным деформациям без разрывов и трещин, что обусловлено возможностью перемещения и поворота частиц друг относительно друга благодаря водной прослойке в точечных контактах частиц. »
Формирование структуры бетона — сложный физико-химический процесс, развивающийся во времени. Кинетика структурообразования и превращение бетонной смеси в твердое тело — искусственный конгломерат — определяется многими технологическими и физическими факторами. Поэтому прогнозирование параметров конечного состояния бетона, когда в основном завершены процессы структурообразования, всегда представляет собой сложную-задачу.
В зависимости от технологических и физических факторов изменяется не только кинетика процесса структурообразования, но и конечный результат этого процесса — параметры структуры и физико-механические свойства бетона. Поэтому решение проблемы получения бетона с заданными высокими физико-механическими свойствами связано прежде всего с созданием таких условий, когда процессом структурообразования можно эффективно управлять. В этом состоит главная цель технологии, и для ее достижения необходимо глубоко вникнуть в сущность явлений, происходящих в твердеющем бетоне, установить их роль и значение в формировании структуры бетона как на микро, так и на макроуровне. »