Объемная масса бетона и факторы, ее определяющие.

Объемная масса бетона в сухом состоянии определяется объемной массой зерен заполнителей и описывается следующим уравнением:

 

(10)

где - объемная масса зерен крупного заполнителя (щебня или гравия); - объемная концентрация крупного заполнителя в единице объема бетона; - объемная масса растворной части бетона в сухом состояние; - структурная плотность свежеуложенной и уплотненной бетонной смеси, определяемая по уравнению:

(11)

где Ц, П, Щ, В - расходы цемента, песка, щебня и воды, кг на 1 уплотненной бетонной смеси; и - плотность соответственно цемента и воды; - объемная масса зерен мелкого заполнителя (песка).

Очевидно, что при плотной укладке бетонных смесей, т. е. когда в них отсутствует воздух, структурная плотность равна единице.

Объемная масса растворной части бетона в сухом состоянии описывается уравнением:

(12)

где и , - расход соответственно цемента и воды, кг на 1 уплотненной растворной смеси; 0,23-масса воды, химически связываемой 1 г цемента; -степень гидратации цемента.

Из уравнения (10) следует, что если объемная масса зерен крупного заполнителя больше о6ъемной массы растворной части бетона , то объемная масса бетона в сухом состоянии тем выше, чем больше объемная масса зёрен крупного заполнителя и его объемная концентрация .

На объемную массу бетона вид цемента не оказывает существенного влияния, так как плотность у цементов различных видов примерно одинакова, а расход цемента на 1 бетона колеблется в ограниченных пределах.

Если объемная масса растворной части бетона больше объемной массы зерен крупного залолнителя , то объемная масса бетона тем больше; чем меньше объемная концентрация щебня или гравия в единице объема бетона и чем меньше объемная масса их зерен .

При всех прочих равных условиях объемная масса бетона в сухом состоянии тем ниже, чем меньше структурная плотность уплотненной бетонной смеси и чем меньше объемная масса зерен мелкого заполнителя .

Как следует цз формулы (12), при всех прочих равных условиях, объемная масса бетона в сухом состоянии возрастает с увеличением степени гидратации цемента . Объемная масса влажного бетона повышается с увеличением его влажности W по уравнению:

Конструкционно-теплоизоляционные бетоны с пониженной объемной массой изготовляют с применением пористого крупного заполнителя, например керамзитового гравия пли щебня, но в качестве мелкого заполнителя обычно используют кварцевые пески.

 

Пористость бетона.

 

Бетон - капиллярно-пористый материал, поры в котором являются неотъемлемой (неизбежной) составляющей его структуры, и наличие их обусловлено тем, что только часть воды затворения вступает в химическое взаимодействие с цементом. (См. рис.12)

Свободная (химически несвязанная) вода образует в бетоне в начальный период формирования его структуры систему взаимосвязанных капилляров, которые на более поздней стадии твердения бетона разобщаются продуктами гидратации цемента.

Дополнительная пористость в бетоне образуется вследствие воздухововлечения, а также деструкции при формировании начальной структуры, обусловливающей нарушение сплошности, чаще всего по границе раздела «цементный камень - зерна заполнителей».

Физико-механические свойства бетона существенно зависят от его общей , интегральной и дифференциальной пористости.

Общая пористость бетона на плотных заполнителях, как отношение объема пор к объему материала (бетона), описывается уравнением:

(13)

 

Здесь В и Ц – расходы соответственно воды и цемента, кг на уплотненной бетонной смеси; - степень гидратации цемента; степень уплотнения бетонной смеси при укладке (структурная плотность).

Первое слагаемое в числителе дроби соответствует объему пор в цементном камне, а второе - объему пор, образующихся при недоуплотнении бетонной смеси, т.е. когда

Из формулы (13) следует, что общая пористость бетона тем выше, чем больше расход воды на 1 бетона, т. е, чем выше водопотребность бетонной смеси и чем меньше .

Общая пористость бетона уменьшается во времени с увеличением степени гидратации цемента и тем интенсивнее, чем больше расход цемента на 1 бетона.

Все факторы, способствующие увеличению степени гидратации цемента, например, такие, как повышенная тонкость помола цемента, благоприятные температурно-влажностные условии в начальный период твердения цемента, правильный уход за свежеуложенным бетоном, исключающий возможность испарения из него влаги в окружающую среду, и др., способствуют уменьшению конечной пористости, т.е. повышению плотности бетона.

Интегральная пористость бетона , равная отношению объема пор, сообщающихся между собой и с окружающей средой, к объему бетона, меньше общей пористости на величину условно-замкнутой пористости , т.е. .

Однако если пренебречь замкнутыми порами в заполнителях [эти поры не учитываются в уравнении (13), описывающем общую пористость бетона], то все поры в бетоне сообщаются друг с другом, так как разобщающие их продукты гидратации цемента сама проницаемы для жидкостей и содержат микропоры (поры геля).

Интегральная пористость бетона в условиях продолжающейся гидратации цемента уменьшается во времени.

В начальный период формирования структуры бетона вода затворения образует систему взаимосвязанных пор, беспорядочно расположенных по всему объему бетона, при этом . С течением времени в условиях продолжающейся гидратации цемента уменьшаются как общая, так и интегральная пористость бетона, однако при принятом способе определения интегральной пористости через водопоглощение интегральная пористость уменьшается более интенсивно.

Рис. 12 характеризует замещение капиллярных пор продуктами гидратации, порами геля и контракционными порами в процессе твердения бетона при уменьшении общей пористости. Изменение в качественном составе пористости оказывает решающее влияние на морозостойкость бетона.

Отмечаемый экспериментально подобный характер изменения интегральной пористости бетона с течением времени обусловливается тем, что при достижении определенной степени гидратации цемента узкие «горла» в местах соединения отдельных пор заполняются продуктами гидратации цемента и образующиеся при этом обособленные поры и капилляры сообщаются друг с другом только через поры, расположенные между твердыми продуктами гидратации цемента, т. е. через поры геля.

 

Дифференциальная пористость бетона характеризуется кривой распределения пор по радиусам, т. е. (r), описывающей зависимость между производной , численно равной тангенсу угла наклона касательной к интегральной кривой, и радиусом пор.

Площадь под дифференциальной кривой распределения пор по радиусам равна суммарному объему всех пор в единице объема бетона, т. е. его интегральной пористости. На рис. 35 приведены дифференциальные кривые распределения пор по их радиусам для одного и того же бетона в различные сроки твердения. Как видно, с увеличением возраста бетона в условиях продолжающейся гидратации цемента экстремум на кривых смещается в сторону меньших радиусов и средний радиус капилляров уменьшается.

 

Водонепроницаемость бетона.

 

Водонепроницаемость - свойство бетона не пропускать через себя воду.

Проницаемость бетона можно оценивать коэффициентом проницаемости, которым измеряется количеством воды В, прошедшей через 1 образца в течение 1 ч при постоянном давлении:

 

где А - площадь образца; t - время; - градиент давления.

Плотные бетоны обычно не фильтруют воду, поэтому для их оценки используют другое понятие - марка по водонепроницаемости, например W2, W4 и т. д. Эта характеристика определяется специальными испытаниями и показывает, до какого давления бетон является непроницаемым для воды.

При испытании с одной стороны образца, соприкасающегося с водой, создают давление, медленно его повышая. Наблюдая за другой стороной образца, отмечают, при каком давлении на поверхности бетона появляются влажные пятна или отдельные капли воды. Это давление определяет марку бетона по водонепроницаемости.

Важнейшими факторами, определяющими степень проницаемости бетона для жидкостей; являются: водоцементное отношение; расход цемента на 1 бетона при постоянном расколе воды; вид вяжущего; степень уплотнения бетонной смеси; содержание в бетоне тонкомолотых добавок; условия твердения и возраст бетона.

С увеличением водоцементного отношения водонепроницаемость бетона уменьшается, так как при этом возрастает как общая пористость бетона , так и средний радиус капилляров r.

При постоянном расходе воды yа 1 бетона водонепроницаемость бетона повышается с увеличением расхода цемента, т. е. с уменьшением В/Ц, так как при этом возрастает поверхность раздела «цементный камень- вода затворения» и уменьшается начальный средний радиус, капилляров. Подобное же влияние на начальную структуру цементного теста и водонепроницаемость бетона оказывает увеличение тонкости помола цемента, а также введение в бетонную смесь тонкомолотых добавок, в частности набухающих - типа бентонитовых глин.

Повышение степени уплотнения бетонной смеси повышает плотность бетона и увеличивает его водонепроницаемость.

Высокой водонепроницаемостью характеризуются бетоны на расширяющихся и глиноземистых цементах, так как в процессе гидратации этих цементов зона капиллярного пространства цементного камня более равномерно по сравнению с другими цементами заполняется продуктами гидратации, что приводит к существенному уменьшению среднего радиуса капилляров.

Пластифицирующие добавки при введении их в состав бетонной смеси увеличивают водонепроницаемость бетона, так как позволяют в равнопрочных бетонах уменьшить расход воды на 1 бетона.

При прочих равных условиях водонепроницаемость бетона повышается с увеличением степени гидратации цемента .

Все факторы, повышающие степень гидратации цемента, будут увеличивать и водонепроницаемость бетона. По этой причине предварительное, более длительное водное твердение бетона всегда повышает его водонепроницаемость.

С увеличением возраста бетона изменяется характер его пористости, постепенно уменьшается объем макропор, которые как бы зарастают продуктами гидратации цемента, и в результате уменьшается проницаемость бетона (рис. 7.3).

 

 

Морозостойкость бетона.

 

Под морозостойкостью бетона понимают его способность в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание. Основной причиной, вызывающей разрушение бетона в этих условиях, является давление на стенки пор и устья микротрещин, создаваемое замерзающей водой. При замерзании вода увеличивается в объеме более чем на 9°/о. Расширению воды препятствует твердый скелет бетона, в котором могут возникать очень высокие напряжения. Повторяемость замерзания и оттаивания приводит к постепенному разупрочнению структуры бетона и к его разрушению. Сначала начинают рушиться выступающие грани, затем поверхностные слои и постепенно разрушение распространяется в глубь бетона. Некоторое влияние будут оказывать и напряжения, вызываемые различием в коэффициентах температурного расширения составляющих бетона и температурно-влажностным градиентом.

Для определения морозостойкости бетона применяют метод попеременного замораживания и оттаивания. Методика испытаний, в частности температура замораживания, условия водонасыщения и размеры образца, продолжительность цикла, оказывает заметное влияние на показатели морозостойкости бетона. С понижением температуры замерзания, а особеннопри замораживании в воде или в растворах солей, бетон разрушается быстрее.

Критерием морозостойкости бетона является количество циклов, при котором потеря в массе образца менее 5%, а его прочность снижается не более чем на 15°/о. Это количество циклов определяет марку бетона по морозостойкости: для тяжелого бетона F50... F500, которая назначается в зависимости от условий эксплуатации конструкции.

Морозостойкость бетона зависит от его строения, особенно от характера пористости, так как последний будет определять объем и распределение льда, образующегося в теле бетона при отрицательных температурах, и, следовательно, значение возникающих напряжений и интенсивность протекания процесса ослабления структуры бетона.

В микропорах бетона размером см обычно содержится связанная вода, которая не переходит в лед даже при очень низких температурах (до -70 °С), поэтому микропоры не оказывают заметного влияния на морозостойкость бетона. Последняя главным образом зависит от объема макропор в бетоне и от их строения.

Существует два различных способа повышения морозостойкости бетона: 1) повышение плотности бетона, уменьшение объема макропор и их проницаемости для воды, например за счет снижения В/Ц, применения добавок, гидрофобизирующих стенки пор, или кольматации пор пропиткой специальными составами; 2) создание в бетоне с помощью специальных воздухововлекающих добавок резервного объема воздушных пор (более 20% от объема замерзающей воды), не заполняемых при обычном водонасыщении бетона, но доступных для проникания воды под давлением, возникающим при ее замерзании. Зависимость морозостойкости от водоцементного отношения приведена на рис. 7.4. Обычно для получения достаточно морозостойкого бетона В/Ц должно быть менее 0,5.

Весьма эффективным и сравнительно простым повышением морозостойкости является применение воздухововлекающих добавок. Для получения морозостойкого бетона необходимо, чтобы расстояние между пузырьками воздуха, т. е. толщина прослоек между соседними воздушными порами, не превышала 0,025 см.

Оптимальный объем вовлеченного воздуха составляет 4...6% и определяется расходом цемента, воды и крупного заполни мели. Объем увеличивается при понижении крупности заполнителя и повышении расхода цемента и воды.

Теплофизические свойства.

 

Для эксплуатационной надежности конструкций и сооружений важное значение имеют его теплофизические свойства: теплопроводность, теплоемкость, и температурные деформации (последние рассмотрены ниже). Теплофизические свойства материала ограждающих конструкций определяют тепловую защиту зданий, теплофизические свойства несущих конструкций - их поведение при пожаре и при воздействии других факторов. Эти свойства учитываются при проектировании производства изделий и конструкций на заводах сборного железобетона, при зимнем бетонировании и при ряде других технологических расчетов.

Теплопроводностью называют свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. Теплопроводность материала характеризуется количеством теплоты (в джоулях), которое способен передать материал через 1 поверхности при разности температур в 1°С в течение 1 с.

Структура бетона включает твердую фазу и систему воздушных или водяных пор. Теплопроводность воздуха = 0,023 Вт/(м • °С), что во много раз меньше теплопроводности твердой фазы, поэтому, чем больше воздушная пористость бетона или ниже его плотность, тем меньше его теплопроводность (табл.7.1). При заполнении пор влагой теплопроводность бетона возрастает, так как теплопроводность воды = 0,58 Вт/(м • °С), т.е. в 25 раз выше теплопроводности воздуха. При замораживании бетона его теплопроводность возрастает еще в большей степени, так как теплопроводность льда = 2,3 Вт/(м • °С) в четыре раза выше теплопроводности воды. Теплопроводность бетона несколько увеличивается с повышением его температуры. Бетон с очень мелкими закрытыми порами имеет более низкую теплопроводность за счет уменьшения количества тепла, передаваемого излучением и массопереносом в теле бетона. Степень изменения теплопроводности бетона при его увлажнении и замерзании будет зависеть от его плотности: с понижением плотности влияние этих факторов возрастает.

 

 

Теплоемкость бетона, используемая в технических расчетах, зависит от его состава, структуры и плотности и может изменяться в пределах 0,75...1,1 кДж/(кг•°С). Вода имеет более высокую теплоемкость 4,19 кДж/(кг•°С), поэтому с повышением содержания воды в бетонной смеси или влажности бетона их теплоемкость возрастает.