Структура бетона и ее влияние на прочность и деформативность

Структура бетона оказывает большое влияние на прочность и деформативность бетона. Чтобы уяснить этот вопрос, рассмотрим схему физико-химическою процесса образования бетона. При затворении водой смеси из заполнителей и цемента начинается химическая реакция соединения минералов цемента с водой, в результате которой образуется гель — студнеобразная пористая масса со взвешенными в воде, еще не вступившими в химическую реакцию, частицами цемента и незначительными соединениями в виде кристаллов. В процессе перемешивания бетонной смеси гель обволакивает отдельные зерна заполнителей, постепенно твердеет, а кристаллы с течением времени соединяются в кристаллические сростки. Твердеющий гель превращается в цементный камень, скрепляющий зерна крупных и мелких заполнителей в монолитный твердый бетон.

Существенно важным фактором, влияющим на структуру и прочность бетона, является количество воды, применяемое для приготовления бетонной смеси, оцениваемое водоцементным отношением W/C — отношением взвешенного количества воды к количеству цемента в единице объема бетонной смеси. Для химического соединения воды с цементом необходимо, чтобы W/C? 0.2. Однако по технологическим соображениям — для достижения достаточной подвижности и удобоукладываемости бетонной смеси — количество воды берут с некоторым избытком, так подвижные бетонные смеси, заполняющие форму под влиянием текучести, имеют W/C=0,5…0.6, а жесткие бетонные смеси, заполняющие форму под влиянием механической виброобработки, имеют W/C= =0.3…0.4.

Избыточная, химически несвязанная вода частью вступает впоследствии в химическое соединение с менее активными частицами цемента, а частью заполняет многочисленные поры и капилляры в цементном камне и полостях между зернами крупного заполнителя, а затем, постепенно испаряясь, освобождает их. По данным исследований поры занимают около трети объема цементного камня; с уменьшением водоцементного отношения пористость цементного камня уменьшается и прочность бетона увеличивается. Поэтому в заводском производстве железобетонных изделий применяют преимущественно жесткие бетонные смеси с возможно меньшим значением W/C, которые к тому же требуют меньшего расхода цемента и меньших сроков выдержки изделий в формах.

Таким образом, структура бетона оказывается весьма неоднородной: она образуется в виде пространстненной решетки из цементного камня, заполненной зернами песка и щебнем различной крупности и формы, пронизанной большим числом микропор и капилляров, которые содержат химически несвязанную воду, водяные пары и воздух. Физически бетон представляет собой капиллярно-пористый материал, в котором нарушена сплошность массы и присутствуют все три фазы — твердая, жидкая и газообразная. Цементный камень также обладает неоднородной структурой и состоит из упругого кристаллического сростка и наполняющей его вязкой массы — геля.

Длительные процессы, происходящие в бетоне, — изменение водного баланса, уменьшение объема твердеющего геля, рост упругих кристаллических сростков — наделяют бетон упругопластическими свойствами. Эти свойства проявляются в характере деформирования бетона под нагрузкой, во взаимодействии с температурновлажностным режимом окружающей среды.

Исследования показали, что имеющиеся известные теории прочности к бетону неприменимы. Зависимость между составом, структурой бетона, его прочностью и деформативностыо представляет собой задачу, которую исследователи решают применительно к каждому виду бетона в зависимости от его признаков (см. выше). Суждения о прочности и деформативности бетона основаны на большом числе экспериментов, выполненных в лабораторных условиях.