Структура бетона
По современным представлениям затвердевший бетон представляет собой сложный композиционный материал, в котором резки нарушена сплошность массы и присутствуют все три фазы: твёрдая, жидкая и газообразная.
Зёрна песка и крупной камневидной добавки образуют основу будущего бетона. Внутри этой основы происходят химические взаимодействия между цементом и водой. Часть воды связывается на поверхности материалов молекулярными силами притяжения, происходит адсорбция воды (это слабо, или, что то же, физически связанная вода). Другая часть воды производит гидролиз или разложение трехкальциевого силиката цемента на гидросиликат кальция nСаО • SiO2 • Н2O и гашёную известь Са (ОН)2 и гидратацию или химическую (обратимую) реакцию присоединения воды к некоторой части трёхкальциевого алюмината 3СаО • Аl2O3.
Во время схватывания цемента с водой образуются коллоиды. Коллоидные вещества образуют вокруг зерен цемента пористую насыщенную водой оболочку — гель или студень, главнейшая составная часть которого — кремниевая кислота H2Si2O3 (здесь также имеем дело со слабо связанной водой).
Кристаллы извести и гидроалюминатов кальция оказывают всестороннее давление на гель, уплотняют его оболочку вокруг зёрен цемента, новые поверхности которого гидролизуются за счет воды геля. Процесс его твердения приводит к образованию прочного конгломерата — цементного камня сложного химического состава и структуры, склеивающего песок и крупные добавки и, таким образом, превращающего всю массу в твёрдое монолитное тело — бетон.
С течением времени всё бульшие количества извести и гидроалюминатов кальция из коллоидного состояния переходят в кристаллическое и химически связывают воду.
Вслед за первым периодом гидролиза и гидратации цемента происходит длительный процесс старения бетона, обусловленный, главным образом, старением геля (уплотнением и ростом кристаллических образований в нем) и зарастанием пор продуктами гидратации.
Важнейшими характеристиками структуры бетона являются параметры его порового пространства, так как цементный камень и соответственно бетон по своей природе, капиллярно-пористые материалы. Поры по размерам отличаются друг от друга на несколько порядков и имеют сложную и самую разнообразную форму. Образование основного объёма пор в бетоне обусловлено избыточным количеством воды, которое вводится в бетонную смесь для придания ей необходимой подвижности (например, для химической реакции схватывания и твердения бетона требуется воды, примерно 0,15...0,20 от массы цемента, однако для лучшей удобоукладываемости водо-цементное отношение приходится увеличивать до 0,35...0,60). Эти поры образуют в бетоне систему соединяющихся капилляров размером от 0,1... 1,0 до 20...50 микрон и более. Общий объем пор в обычном тяжёлом бетоне при естественных условиях твердения — 25...40% от объёма цементного камня.
Структура бетона формируется во время приготовления, укладки и уплотнения бетонной смеси, а затем непрерывно видоизменяется в процессе длительного твердения бетона, т.е. даже при отсутствии внеш - ней нагрузки находится в неравновесном внутренне напряжённом состоянии.
Происходящие в бетоне кристаллизация и уменьшение объёма твердеющего геля, а также изменение водного баланса и развитие дефектов, наделяют этот камневидный материал своеобразными свойствами, проявляющимися в характере его поведения под нагрузкой, во взаимодействии с внешней средой и оказывающими существенное влияние на прочность и деформативность бетона.
Прочность бетона определяется его сопротивлением различным силовым воздействиям — сжатию, растяжению, изгибу, срезу, а деформативность — его способностью к упругим и неупругим деформациям при этих силовых воздействиях.
Так как бетон представляет собой неоднородное тело, внешняя нагрузка создает в нём сложное напряжённое состояние. В подвергнутом сжатию бетонном образце напряжения концентрируются на более жёстких (с большим модулем упругости) частицах, в результате чего по поверхностям их соединения возникают усилия, стремящиеся нарушить связь между ними. В то же время в местах ослаблений бетона порами происходит концентрация напряжений. При этом растягивающие напряжения действуют по площадкам, параллельным сжимающей силе (рис. 1.1, а). Поскольку в бетоне содержится большое количество пор, то напряжения у одного отверстия накладываются на напряжения у рядом расположенного отверстия. В результате в бетонном образце, подвергнутом осевому сжатию, возникают как продольные сжимающие, так и поперечные растягивающие напряжения — вторичное поле напряжений.
Так как сопротивление бетона растяжению на порядок ниже, чем сжатию, а прочность сцепления цементного камня с заполнителями может быть и того меньше, вторичные растягивающие напряжения в сжатом бетоне, ещё далёком от исчерпания прочности, местами достигают предельных значений и приводят к образованию микротрещин.
Если прочность Ra и модуль упругости Еа заполнителей больше, чем прочность Rc и модуль упругости Ес цементного камня (характерно для обычных тяжёлых бетонов), трещины развивается по границам между заполнителями и цементным камнем и по цементному камню, если меньше (характерно для лёгких бетонов) — по зёрнам заполнителей и по цементному камню. Тяжёлый бетон высокой прочности с контактирующими между собой зернами щебня разрушается, как правило, с раскалыванием зёрен щебня. С увеличением нагрузки микротрещины умножаются, объединяются в более или менее протяженные макротрещины. Затем эти трещины получают значительное раскрытие, образуются магистральные трещины (рис. 1.1, б) и образец разделяется на части — разрушается.
При одноосном растяжении процессы микротрещинообразования носят иной характер — трещины возникают, в основном, поперек усилия растяжения. Со временем сливаясь, они приводят к скорому разрушению без заметного убыстрения деформаций в конце.
Из всего сказанного, по сути, следует, что заключительная стадия деформирования бетона (его разрушение) представляет собой процесс, в котором присутствуют и начальная стадия и окончательное разделение образца на части.
Используемые в настоящее время теории прочности бетона не учитывают его структуру, поэтому задача установления связи между структурой бетона и его свойствами остается открытой. Современные представления о прочности и деформативиых свойствах бетона основаны, главным образом, на многочисленных экспериментах, позволяющих получать усреднённые данные (т.е. данные, уподобляющие бетон в объёме каждого отдельно рассматриваемого элемента тела однородному и изотропному материалу), которые и используют в качестве исходных при проектировании железобетонных конструкций.
В этом отношении особый интерес представляет методика оценки структурных изменений в бетоне на основе диаграмм его состояния, получаемых по результатам ультразвуковых (рис. 1.2, б) и тензометрических (рис. 1.2, а, в) измерений.
Так как звук представляет собой механические колебания, распространяющиеся в упругой среде и, тем самым, скорость звука характеризует скорость распространения упругой деформации в твёрдом теле, она зависит от модуля упругости материала тела. В ещё большей степени скорость распространения звука чувствительна к самым незначительным нарушениям структуры материала. Диаграмма, приведенная на рис. 1.2, б, представляет собой кривую изменения времени прохождения ультразвукового импульса через бетонный образец в направлении, нормальном к оси образца, вдоль которого приложена нагрузка. Замедленное распространения ультразвука на этой диаграмме говорит об ухудшении акустических контактов, т. е. о развивающихся нарушениях структуры. В начальной стадии нагружения происходит разуплотнение наименее устойчивых структур бетона. Граница R — нижняя условная граница микротрещинообразования, которой соответствует наименьшее время прохождения ультразвука через образец. Четко прослеживаются и процессы уплотнения бетона и разрыхления его структуры — прогрессирующего микротрещинообразования с последующей интенсификацией.
Пересечение кривой с осью ординат отражает существенное изменение состояния бетона. За этой осью может быть выделена граница R — верхняя условная граница микротрещинообразования, начиная с которой процесс разрыхления структуры преобладает над уплотнением.
На диаграммах, приведенных на рис. 1.2, а, в, можно достаточно чётко проследить четыре области, разделяемых нижней и верхней границами микротрещинообразования.
Для начальной стадии характерно развитие необратимых деформаций бетона, низкие значения модуля упругости и уменьшение дифференциального коэффициента поперечной деформации.
Применение более однородной смеси без крупного заполнителя приводит к повышению границ микротрещинообразования. Для лёгких бетонов по сравнению с тяжелыми эти границы также повышаются, так как сцепление цементного камня и растворной части с пористым заполнителем лучше, чем с плотным.
Поскольку процесс структурных изменений существенно зависит от времени, изменение скорости нагружения отражается на его интенсивности, причем с увеличением скорости нагружения границы микротрещинообразования повышаются.
Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции, Киев, 2001