ТЕМА 6 СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ І ТВЕРДіННЯ БЕТОНУ 1

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

ТЕМА № 6: СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ І ТВЕРДіННЯ БЕТОНУ 1. 2. 3. 4. Хімічні процеси в системі “цемент + вода” Структура цементного тіста і каменю Стадії структуроутворення Фактори інтенсивності твердіння бетону та керування процесами 1. ХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ В СИСТЕМІ “ЦЕМЕНТ + ВОДА” З хімічної точки зору процес тверднення – це перехід безводних клінкерних мінералів у гідрати внаслідок реакцій гідролізу і гідратації. Цей процес супроводжується фізичними явищами – поступове загусан ня цементного тіста і виникнення єдиного конгломерату з гідратованих і негідрагованих частинок. Під час взаємодії клінкерних мінералів з водою, а також внаслідок реакцій між новоутвореннями і тверднучим цементним каменем виникають гідратовані сполуки: гідросилікати, гідросульфоалюмінати кальцію, гідроксид

кальцію тощо. На склад новоутворень впливають температурні умови тверднення, співвідношення твердої і рідкої фаз, властивості заповнювача. Властивості затверділого цементу і бетону на його осно ві визначаються складом і властивостями гідратних. Основними продуктами тверднення є гідросилікати кальцію (система Са. О Si. O 2 Н 2 О ) не тільки портланд цементу, а й багатьох інших в’яжучих матеріалів. Реакції гідратації розпочинаються відразу після замішування цементу з водою. Протягом кількох хвилин після замішування з’являються перші гідратні фази – етрингіт і гідроксид кальцію Са(ОН)2. В процесі гідратації новоутворення створюють просторову структуру, посилюючи зчеплення між гідратними фазами. Щільність цементного тіста збільшується і воно тужавіє. На гідратацію, як цементу так і окремих мінералів, великий вплив чинить температура навколишнього середовища. При низьких температурах вона різко гальмується, а при мінус 100 C припиняється.

2. СТРУКТУРА ЦЕМЕНТНОГО ТІСТА І КАМЕНЮ Одразу після замішування і на ранніх стадіях в тісті близько 70% становить вода і близько 30% тверда фаза. Утворюється структурована в’язкопластична система з певними реологічними власти востями. Ця система являє собою пружно в’язко пластичне тіло, яке може проявляти такі реологічні властивості в залежності від ме ханічного стану та інтенсивності прикладання зовнішніх сил. При меха нічному руйнуванні структури (перемішуванні, вібруванні) структурна в’язкість суспензії зменшується і система набуває власти востей важкої рідини (тіло Ньютона). Після припинення механічного впливу структурні зв’язки відновлюються, тобто система проявляє тик сотропні властивості. З часом по мірі розвитку процесів гідратації система поступово тужавіє, її найважливіша реологічна характеристика – граничний опір зсуву – збільшується, і система поступово перетворюється в тверде тіло – цементний камінь. Поки тісто ще зберігає рухливість, у ньому під дією сил гравітації відбуваються процеси седиментації, тісто

ущільнюється, а на його поверхні утворюється тонка плівка води – відбувається водовідокремлення (водовідділення). Під час тверднення об’єм цементного тіста починає збільшуватися, причому найбільш інтенсивно під час тужавлення, досягаючи через добу приросту 0, 1. . . 1, 0% початкового об’єму. Збільшення об’єму пояснюєть ся тепловим розширенням. Взаємодія цементу з водою супроводжується безперервним зменшенням кількості води і зростанням об’єму твердої фази. При цьому відбувається контракція – зменшення абсолютного об’єму системи “цемент вода” порівняно з об’ємом вихідних реагуючих речовин. Об’єм твердої фази при цьому збільшується. Основні фактори, які впливають на величину контракції: мінералогічний склад цементу, тонина помелу і водоцементне відношення. У структуроутворенні і формуванні фізико механічних властивостей цементного каменю і бетону дуже важлива роль належить процесу утво рення пор. Головне значення у виникненні системи пор має відносний вміст у це ментному тісті води.

В процесі гідратації новоутворення колоїдного ступеня дисперсності не створюють щільного твердого тіла, проміжки між ними називають гелевими порами. Ці пори є найменшими в структурі (0, 01. . . 0, 001 мкм), у початковій стадії структуроутворення вони заповнені адсорбованою на поверхні гелевих частинок водою, яка перебуває з ними у фізико хімічному зв’язку. Гелеві пори займають приблизно одну третину об’єму гелю. Контракційні пори виникають на стадії, коли структура вже дос татньо склалася внаслідок того, що гідратація мінералів цементу відбувається зі зменшенням абсолютного об’єму речовин, які вступають в реакцію. У звичайних умовах тверднення контракційні пори виникають як замкнуті і сполучені між собою порожнини і канали, заповнені повітрям. Контракція відбувається тривалий час у процесі тверднення цементу. Встановлено, що контракція збільшується з підвищенням активності цементу, тонкості його помелу і водоцементного відношення. Система капілярних пор виникає на стадії початку утворення кристалізаційної структури. Капілярна пористість цементного каменю тим більша, чим більше

водоцементне відношення і менша ступінь гідратації. З часом у процесі гідратації об’єм капілярних пор зменшується, оскільки продукти гідратації поступово заповнюють частину порового прос тору, зайнятого водою замішування. Гелеві та контракційні пори є неминучими в твердіючому цементному тісті і камені. Їх об’єм, умови виникнення і розвитку визначаються особливостями фізико хімічних процесів в системі “цемент + вода” і не залежать від зовнішніх технологічних впливів на систему. Капілярні пори, на відміну від гелевих і контракційних, залежать від рецептури й інших технологічних факторів, зокрема водоцементмого відношення. Їх загальний об’єм і розміри в структурі цементного каме ню і бетону можуть змінюватися в широких межах. Саме капілярні пори (у цементному камені об’єм, розміри і ха рактеррозподілу) безпосередньо впливають на фізико механічні влас тивості цементного каменю і бетону: водопроникність, водостійкість, деформативність, морозостійкість проти дії агресивних середовищ тощо.

Загальна пористість цементного каменю залежить від значення величини водоцементного відношення, яке може змінюватися в межах – 0, 35. . . 0, 7. Відповідно загальна пористість змінюється від 25 до 50%. Вода у тверднучому цементному камені виконує дуже важливу роль і може бути в його структурі хімічно зв’язаною, адсорбційно зв’язаною, капілярною, вільною. Хімічно зв’язана вода у гідратних новоутвореннях, що входить до складу твердої фази. Адсорбційно зв’язана вода – адсорбована часточками цементного гелю, так звана “псевдотверда” вода. Вона утримується у структурі цемент ного каменю силами Ван дер Ваальса у вигляді двох трьох шарів і видаляється звичайно при температурах понад 100°С. Капілярна вода утримується у структурі капілярними силами, значення яких обернено пропорційне діаметру капілярів. Меніск у капілярах увігнутий, тиск у них досягає 15 МПа. Ця вода відіграє істотну роль у процесах подальшого твердіння цементного каменю. Вільна вода перебуває у великих порах – так званих макропорах. Така вода замерзає при температурі нижчій

за 0°С, що зумовлено роз чиненими в ній речовинами (мінералізована вода). Вільна вода замер зає в тонких капілярах при значно нижчій температурі (до мінус 25°С). Співвідношення між кількістю цементу, що не прореагував, новоут вореннями, вмістом води і об’ємом пор залежить від величини водоцементного відношення. Тверднення і структуроутворення цементного каменю і бетону є ос новними процесами, які формують найважливіші властивості бетону – міцність, деформативність, проникність, довговічність тощо. Однак наявність у структурі бетону дрібного і крупного заповнювачів певним чином впливає як на кінетику структуроутворення, так і на результат цього процесу. 3. СТАДІЇ СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ При змішуванні цементу з водою внаслідок процесів гідролізу і гідратації виникають мікроструктури тверднення, характер і властивості яких змінюються з часом. Ці структури виникають у проміжках між частинками цементу, заповнених водою, як результат зв’язків між новоутвореннями гідратів мінералів клінкеру.

За характером зв’язків структури тверднення поділяють на коагуляційні, умовно коагуляційні і кристалізаційно конденсаційні. Вони характеризують основні стадії розвитку процесів твердіння та структуроутворення цементного каменю. На першій стадії формування і розвитку дисперсної системи “цемент + вода” виникають коагуляційні структури в основному за рахунок енергії міжмолекулярного притягання при підвищенні концентрації новоутворень, переважно гідросилікатів і гідроалюмінатів кальцію. Вони створюють у проміжках між гідратованими зернами колоїдну систему – так званий тоберморитовий гель. Між частинками виникають коагуляційні контакти, що спричинює виникнення коагуляційної структури. Особливістю цих контактів є обов’язкова наявність між частинками тонкого стійкого прошарку води. Характерними особливостями коагуяційних структур, зумовлених характером контактів між частинками, є: – оборотність, тобто здатність самовільно і неодноразово відновлюватися через деякий час після руйнування. Ця властивість коагуляційних структур дисперсних систем називається тиксотропією;

висока еластичність: під дією напруження структура здатна до значних деформацій без розривів і тріщин внаслідок того, що частинки можуть перемішуватися і повертатися одна відносно одної завдяки прошарку води в точкових контактах. Тривалість існування коагуляційної структури в чистому вигляді відносно невелика. На стадії коагуляційної структури зв’язки між її елементами досить слабкі. У цей період цементне тісто тужавіє. В кінці першої стадії система найбільш сприйнятлива до зовнішніх керуючих дій і технологічних прийомів. Друга стадія – індукційний період, подальший розвиток просторо вої періодичної колоїдної структури, відносна постійність механічних властивостей системи. Ступінь гідратації незначний, спостерігаються деструктивні явища. Умовно коагуляційна структура виникає зі збільшенням ступеня пе ретвореннявихідної фази (частинок цементу) на гідратні новоутворення. Для цих структур характерним є те, що між контактуючими частинками гідратів немає прошарків води.

Третя стадія – виникнення просторового каркаса конденсаційно кристалізаційної структури. Інтенсивно йдуть процеси структуроутво рення ігідратації. Конденсаційно кристалізаційна структура має контакти прямого зро щування кристалів відповідних гідратів. На відміну від коагуляційних, ці структури під впливом напружень деформуються і руйнуються необоротно, самовільно відновлюються. Четверта стадія – незначне зростання модуля пружності і значне підвищення міцності за рахунок субмікрокристалічної (гелеподібної) фази, повільний розвиток структури гідросилікатів, що зумовлює непружні властивості цементного каменю. Швидкість гідратації найменша. Подальший розвиток структури цементного каменю в основ ному складається з поступового ущільнення гелю і збільшення об’єму кристалічної складової – відбувається повільне і тривале підвищення міцності. Таким чином, весь процес структуроутворення цементного каменю в бетоні можна умовно поділити на два основних періоди:

1) підготовча стадія і стадія виникнення структурованої системи (коагуляційної структури); 2) стадія виникнення та розвитку (проростання) кристалічного каркаса і стадія тривалого підвищення міцності структури. Природно, чітких меж між періодами і стадіями не існує, їх можна встановити тільки за ознаками, які свідчать про те, що одні процеси в даний момент привалюють над іншими. 4. ФАКТОРИ ІНТЕНСИВНОСТІ ТВЕРДІННЯ БЕТОНУ ТА КЕРУВАННЯ ПРОЦЕСАМИ Кінетика процесу структуроутворення бетону відображається наростанням міцності бетону з часом. Інтенсивність підвищення міцності залежить від багатьох факторів. Основними є вид і активність цементу, В/Ц, температура і умови твердіння. Найважливіші властивості бетону, як будівельного матеріалу (міцність, стійкість, деформативність тощо) значною мірою залежать від того, як проходить і в яких умовах розвивається процес його структуроутворення.

До головних принципів керування процесом структуроутворення бе тону відносяться: – оптимізація параметрів складу бетонної суміші і режимів фізико хімічних і механічних зовнішніх дій (впливів); – регулювання параметрів структури і кінетики структуроутворення бетону “внутрішнім втручанням” – введенням в бетонну суміш різних дисперсних і хімічних добавок; – погодження в часі прикладання технологічних дій зі стадіями структуроутворення цементного каменю (врахування стадій них переходів). Реалізація цих принципів забезпечує найбільш цілеспрямоване і ефективне протікання процесу структуроутворення бетону. Головні фактори і технологічні прийоми, що суттєво впливають на розвиток процесу структуроутворення: Склад і властивості бетонної суміші. Витрата цементу, його вид і мінералогічний склад, водоцементне відношення, присутність хімічних добавок – важ ливі технологічні фактори процесу структуроутворення;

Механічна обробка, віброактивація. Оптимальна механічна активація, проведена у відповідності з кінетикою структуроутворення, надає додаткову енергію для природно розвиваючогося процесу ущільнення системи, найбільш комплексного розміщення елементів його структури. В системі після активації значно зменшується контракція. Водопідготовка і хімічна активація в’яжучих. Завдяки впливу на фізико хімічні і структуроутворюючі властивос ті води для замішування бетонної суміші введенням малих добавок високомолекулярних і інших сполук можна значно скоротити тривалість першої стадії структуроутворення цементного каменю, наблизити час прикладання механічної активації бетонної суміші і здійснити техно логію, при якій механічна обробка, що необхідна для формування виробів, є одночасно і активуючою обробкою. Теплова обробка. Один з основних фізичних факторів, який суттєво впливає на розвиток процесу структуроутворення і тверднення цементного каменю і бе тону є температурний фактор. Як це характерно для хімічних реакцій взагалі, з підвищенням температури

повітря в навколишньому середовищі інтенсивність вказа них процесів підвищується, а зниження температури викликає уповільнення цих процесів. При підвищенні температури навколишнього середовища збільшуєть ся швидкість зростання міцності бетону в результаті підвищення ін тенсивності розвитку процесів структуроутворення. В процесі підвищення температури свіжоущільненого бетону в ньому одночасно відбуваються конструктивні (позитивні) процеси прискорен ня тверднення і зміцнення структури бетону, а також – деструктивні (негатив ні) процеси і явища, що виникають внаслідок фізичних змін температу ри у структурі бетону. Це явища, що викликають збільшення пористос ті бетону, необоротні порушення структури, появу мікротріщин та ін шихдефектів. Використання температурного фактора і прискорення процесу тверд нення бетону шляхом теплової обробки свіжозформованих виробів у спе ціальних камерах різних типів є одним із основних напрямів підвищен ня ефективності виробництва бетонних і залізобетонних конструкцій.

ДЯКУЮ ЗА УВАГУ!

Скачать презентацию ТЕМА 6 СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ І ТВЕРДіННЯ БЕТОНУ 1

Бетон Тема 6.pptx

Количество слайдов: 17