Особенности свойств лёгких и тяжёлых бетонов

Бетоны - основные строительные материалы на ближайшее столетие и среди них приоитетным скоро должен стать

«лёгкий» бетон на пористых заполнителях из техногенных отходов производства промышленности, преимущественно, зол, шлаков черной и цветной металлургии, имеющихся уже в огромном количестве

Лёгкие бетоны на пористом заполнителе более сложны, чем бетоны на плотном (тяжёлом) заполнителе. К тому же плотные природные заполнители в природе залегают в промышленно-экономических запасах локально, требуют увеличения затрат на добычу и транспорт, что значительно удорожает стоимость тяжёлого бетона. Поэтому сопоставление показателей свойств лёгких и тяжёлых бетонов и выявлений их взаимозаменяемости являеся актуальной задачей в настоящее время. Сопоставление свойств бетонов на различных заполнителях правомерно лишь при одинаковых объёмных концентрациях цементного камня (В/Ц) (истинное - метод его определения см. в конце главы) и на равноподвижных и равнопрочных образцах. При выполнении этих правил, сопоставительное исследование свойств бетонов на пористом и на плотном заполнителях из гранитного шебня для выбора оптимального из них по работоспособности, ресурсосбережению, долговечности, экономике с учётом специфики технологических и эксплуатационных особенностей каждого становятся возможными и более объективными.

Бетоны являются композиционными материалами особого рода, принципиально отличающимися от известных композитов, упрочнённых твёрдыми частицами и волокнами.

Химическое и физико-химическое взаимодействие между цементными тестом и зёрнами заполнителя формирует между ними контактный слой, который является элементом структуры бетона, отличающимся по составу и своим физико-механическим характеристикам от цементного камня и заполнителя. Состав, строение и толщина (следовательно, и объём контактного слоя) зависят от химико-минерального состава заполнителя и вяжущего и условий твердения бетона.

Контактный слой образуется с участием воды загворсния, адсорбированной пористым заполнителем, поэтому водопо- трсбность заполнителя правильнее рассматривать как его технологическую и структурную характеристику, влияющую как на реологические свойства бетонной смеси, так и на структуру и свойства бетона. Объём контактного слоя Гкс прямо пропорционален количеству адсорбированной заполнителем воды: Укс-кБзш W3- Ув (в долях от единицы объёма бетона), где к - коэффициент пропорциональности, зависящий от природы заполнителя и характеристик цемента; Бз - поверхность заполнителя (в единице объёма бетона); W3 - удельное количество воды, адсорбированной единицей площади поверхности заполнителя; Ув - удельный объём адсорбированной воды.

В отличие от «классических» композитов контактный слой в бетоне на плотном заполнителе может быть ослаблен вследствие процессов внутренней седиментации (оседанием воды под заполнителем), приводя к анизотропии структуры и физико-механических свойств бетона.

Экспериментальные данные свидетельствуют о снижении прочности бетона при сжатии (по сравнению с прочностью цементного камня) при возрастании объёмной доли плотного заполнителя. Это обусловлено противоречивым влиянием в бетоне значений показателей величины объёма заполнителей и площади поверхности контактного слоя. Прочность контактного слоя в бетоне плотной структуры примерно в пять раз меньше прочности сцепления цементного камня. Согласно условию Кука-Гордона контактный слой возможно рассматривать как внутреннюю (хотя и «слабую») поверхность раздела, сдерживающую рост трещин внутри бетоне. Но, если поддерживать (при учёте водопотребности заполнителя) постоянное значение В/Ц цементного теста (т.е. сохранять качество и структуру цементного камня), увеличение содержания заполнителя позволит достичь оптимального значения площади поверхности контактного слоя, достаточного для выполнения им функции своеобразной «ловушки» трещин, развивающихся в цементном камне при воздействии окружащей среды.

В бетоне на пористом заполнителе создаются благоприятные условия для формирования плотной контактной зоны, поскольку заполнитель впитывает в поры воду и формирует плотную структуру цементного камня с модифицированной пористостью. Последнее объясняется тем, что контактный слой находится в активном адсорбционно-химическом взаимодействии с пористым заполнителем, также адсорбционно и химически активно высокое сцепление (до 80-100 %) поверхности площади контакта (вместо 50 % у бетона на плотном заполнителе). Непрерывная контактная зона, имеет высокую плотность и прочность, «обжимая» пористый заполнитель, и последний находится в объёмно-напряжённом состоянии.

Для сохранения «целостности» композита (бетона) во всех направлениях необходимо повышение трещиностойкости цементной матрицы и особенно на контакте с заполнителем, то есть на внутренней повехности контактного слоя (так называемой «внутренней» трещиностойкости) монолитность композита будет выше. Установлено, что в бетоне на пористом заполнителе отсутствуют трещины сцепления. Поэтому монолитность - отличительная особенность композиционных материалов более эффективно выполняется в бетонах на пористых заполнителях.

Получение одинаково высокой прочности лёгких и тяжёлых бетонов выполнимо за счёт контактной зоны. Её важнейшая функция - упрочнение системы. Возможно это благодаря крайне минимального количества воды, требуемого лишь для реакции гидратации цемента, и достигаемого как раз только «принудительным» осмосом, точнее затруднительным отсосом воды из - пор лёгкого заполнителя за счёт преодоления в них капилярных сил.

Эффект работы непрерывной контактной зоны пористого заполнителя с матрицей повышается за счёт наибольшего сближения частиц цементирующего вещества и поверхности пористого заполнителя при наиболее полном процессе гидратации, повышение сцепления, роста большего числа контактов между контактирующими поверхностями компонентов и увеличения площади их срастания.

Контактная зона выполняет и вторую свою функцию - она обеспечивает повышенную стойкость бетона на пористых заполнителях. Это положение установлено анализом закономерностей строения порового пространства в бетонах различных видов при сопоставимых структурных характеристиках, обусловливающих заданные гидрофизические свойства и долговечность лёгких бетонов. При этом объём микропор, например, керамзитобетона в 10-15 раз больше, а средний радиус пор в 3- 5 раз меньше, чем в бетоне на гранитном щебне. Средний радиус пор, доступных для воды, в керамзитобетонах также соответственно в 3-4 раза меньше, чем в тяжёлом бетоне. Отсюда значительное снижение величины поверхностного водопогло- щения, которое является комплексной экспрессной оценкой качества бетона, и выше водонепроницаемость, хотя и невелика величина гидравлического напора, которую испытывают наружные ограждающие конструкции при эксплуатации. Существенно это при изготовления лёгкого бетона, работающего при высоком давлении воды, предельно уплотняемого вибропрессованием, с получением капиллярной пористости, близкой к нулю и повышенной водонепроницаемости.

Увеличению прочности, стойкости способствует гидроксид кальция контактной зоны, входяший в адсорбционнохимическое взаимодействие с поверхностью пористых заполнителей в виде аморфизированных обжигом глинистых веществ (кислых стёкл, активного аморфного кремнезёма и др).

Жидкая фаза лёгкого бетона в виде цементного теста и зольного наполнителя мигрирует в поры, контактную зону, либо на поверхность пористого заполнителя и хемосорбционно с ним взаимодействует. Эффективные технологические приёмы способствуют повышению однородности структуры бетона на пористых заполнителях и его однородности бетона по средней плотности и прочности, содействуя переходу в более высокую категорию качества. Этому способствует также процесс функционирования высокой саморегуляции системы на пористых заполнителях, осуществляемый выравниванием градиентов влагосодержания. Кроме того, пористые заполнители обусловливают повышенную растяжимость и деформативность лёгкого бетона, а также лучшее сцепление с цементным камнем, способствуют уменьшению макро и микроструктурных напряжений и тем понижению возможности образования трешин. Пористый заполнитель имеет значительные остаточные деформации расширения при увлажнении и в нём отсутствуют трещины сцепления. Это убедительно объясняет причины получения более высоких показателей трещиностойки, морозостойкости, водонепроницаемости и более долгий срок работы до разрушения при работе в условиях агрессивной среды.

По экспериментальным данным изменения жесткости бетонной смеси на плотном заполнителе от расхода воды вычерчивается эталонная кривая зависимости жесткости от расхода воды.

По экспериментальным данным изменения жесткости бетонной смеси на пористом заполнителе также вычерчивается контрольная кривая зависимости жесткости от расхода воды (см. рис. 6.9). Из точки А, соответствующей заданной консистенции бетонной смеси, проводят прямую, параллельную оси абсцисс. Проекции точек пересечения прямой с кривыми жесткости Ai и Б, на ось абсцисс дают отрезки, равные количествам воды, израсходованной на приготовление бетонных смесей при плотном (АЛ]) и пористом заполнителях (AEJ данной консистенции. Разность отрезков AEi - AAi = А]Е, соответствует количеству воды в литрах, поглощаемой испытуемым пористым заполнителем.

Рис. 6.9. Зависимость жесткости бетонной смеси от расхода воды:

1 - эталонная кривая (гранитный щебень); V - контрольная кривая

Найденная разность воды в литрах, отнесенная к массе крупного пористого заполнителя и выраженная в процентах, является показателем водопоглощения крупного пористого заполнителя в бетонной смеси заданной консистенции. Количество воды в растворной части рассчитывают как разность количеств воды затворения и воды, поглощенной пористым заполнителем ко времени укладки смеси через 20 мин, после её изготовления.

Расчет «истинного» В/Ц производят по формуле:

где В - количество воды затворения, л; В] - количество воды поглощения крупным н мелким заполнителями, л (В_ь определяют по рис. 41); Р_ц - расход цемента, кг.