Она определяется входящими компонентами (размер, форма), их количеством и взаимным расположением, а также связями между ними. Важнейшим элементом структуры является пористость.
Бетон имеет очень сложную структуру. Ее элементы отличаются по размерам в миллион раз (от крупного заполнителя до частиц гидросиликатов), размеры пор (от воздушных до гелевых) — в сотни тысяч раз. Поэтому одного масштаба для ее рассмотрения недостаточно. Принято выделять микро- и макроструктуру бетона.
Микроструктура бетона
Это тонкая структура цементного камня. Лишь отдельные ее элементы имеют размер более 1 мкм. Поэтому только остатки зерен цемента и самые крупные капиллярные поры можно различить в оптический микроскоп. Поэтому структура цементного камня изучается методами электронной микроскопии, а также косвенными методами (например адсорбционными, позволяющими определять удельную поверхность продуктов гидратации).
Микроструктура бетона формируется в процессе длительного твердения.
В бетоне зрелого возраста она включает:
- остатки зерен цемента;
- продукты гидратации цемента;
- поры (капиллярные и гелевые).
При этом остатки зерен цемента покрыты оболочками из продуктов гидрадации, которые, срастаясь, и образуют жесткую структуру цементного камня. Взаимосвязанные пустоты между этими оболочками представляют собой капиллярные поры.
Остатки зерен цемента в бетоне 28-дневного возраста составляют 40-50% от их исходного количества. Причиной их сохранения даже в бетоне многолетнего возраста является низкая проницаемость окружающих их оболочек из продуктов гидратации. Это приводит к недостаточному использованию цемента. Степень гидратации отдельных зерен зависит от их размера. К 28-дневному возрасту глубина их гидратации составляет примерно 4 мкм. Поэтому зерна размером до 8-10 мкм за это время полностью или почти полностью реагируют с водой. При большем размере зерен гидратирует лишь их оболочка и сохраняется тем большая часть, чем крупнее были их исходные размеры.
При благоприятных условиях зерна размером 20 мкм могут полностью прореагировать с водой через 3 года. Поэтому в бетоне всегда присутствуют остатки зерен цемента. Их размер достигает нескольких десятков микрометров. В то же время повышение тонкости помола уменьшает их количество и размеры и улучшает степень использования цемента.
Для эксплуатационных свойств бетона наличие остатков зерен цемента имеет положительное значение. Во-первых, благодаря им твердение бетона продолжается длительное время — месяцы и годы. При этом свойства бетона, в том числе и прочность, продолжают улучшаться, конструкции становятся более надежными. Если загружение конструкции происходит через значительное время после изготовления, это позволяет назначать больший стандартный возраст бетона и получать экономию цемента.
Во-вторых, благодаря наличию так называемого «клинкерного фонда» в бетоне может происходить самозалечивание микротрещин. Они могут появляться при твердении и эксплуатации бетона по разным причинам. Если бетон находится во влажных условиях или периодически увлажняется, в них попадает влага. Вследствие разрыва трещинами гелевых оболочек она получает доступ к остаткам зерен цемента. Начинается активная гидратация, ее продукты откладываются в трещине, заполняя и «залечивая» ее.
Продукты гидратации, слагающие оболочки вокруг зерен цемента, включают гелевидную и кристаллическую составляющие. При этом основную роль играет гидросиликатный гель, занимающий в среднем 75% их объема. Именно он определяет технические свойства цементного камня. Кристаллическая составляющая имеет размеры частиц более 0,1 мкм, а самые крупные кристаллы Са(ОН)2 и гидросульфоалюмината даже более 1 мкм. Нередко все продукты гидратации, несколько упрощая ситуацию, называют гелем.
Частички гидросиликатов обычно покрыты слоями сильно сорбированной воды. Она может начать испаряться лишь на воздухе низкой влажности, меньше 45%, после полного осушения капилляров. А полностью влага геля теряется при ф = 0%. При этом частички геля сближаются, а некоторые могут срастаться химически.
Но в обычных условиях эксплуатации гелевые поры большей частью или полностью заполнены влагой. Частички геля притягиваются друг к другу через водные прослойки относительно слабыми силами межмолекулярного притяжения. Но так как эти частицы очень малы — в сотни раз мельче, чем зерна цемента, — количество контактов между ними весьма велико. Поэтому прочность геля составляет -120 МПа. Но обычные бетоны имеют значительно меньшую прочность из-за присутствия в цементном камне капиллярных пор.
Поры (капиллярные и гелевые). Капиллярные поры расположены между гелевыми оболочками, окружающими остатки зерен цемента. Их размер от 0,01 мкм до 10мкм, аиногда и более. В порах таких размеров капиллярные силы, действующие на воду, превышают силы тяжести (откуда и название). Благодаря им капиллярные поры легко заполняются водой, она поднимается по капиллярам вверх против сил тяжести (капиллярный подсос). Капиллярные силы увеличиваются с уменьшением размера капилляров. В тонкокапиллярных системах вода может подниматься против сил тяжести на большую высоту, например, в грунтах на 6-7 м. В бетоне капилляры имеют переменное сечение и подъем воды ограничивается их максимальными размерами. Он может составить примерно 0,5 м. Капиллярный подсос может наблюдаться в фундаментах и других конструкциях, части которых контактируют с водой.
Капиллярные поры образуются той частью воды затворения, которая не пошла на химические реакции и на заполнение образовавшихся гелевых пор. Поэтому их количество зависит от избытка воды по отношению к цементу, т. е. от В/Ц. При В/Ц порядка 0,3—0,35 капиллярные поры уже к месячному возрасту полностью зарастают гелем. Но при обычных В/Ц = 0,4-0,7 они присутствуют в зрелом бетоне.
Средний размер капиллярных пор находится в диапазоне 1 — 0,1 мкм. Он уменьшается при снижении В/Ц и увеличении времени твердения бетона.
Капиллярные поры делятся на:
- Микрокапилляры (до 0,1 мкм), способные конденсировать влагу из воздуха и полностью заполняться ею. В бетоне, эксплуатируемом в воздушных условиях, они будут тем в большей степени заполнены водой, чем выше влажность окружающего воздуха.
- Макрокапилляры (более 0,1 мкм), которые заполняются водой только при непосредственном контакте с ней.
Капиллярные поры — основной дефект структуры цементного камня и бетона. Они снижают прочность бетона, являются основной причиной разрушения его морозом (вода в них начинает замерзать при—1...2 °С). Макрокапилляры являются путями фильтрации воды через бетон и проникновения в него агрессивных сред. В то же время капиллярные поры являются и основным параметром с помощью, регулирования которого (в первую очередь путем изменения В/Ц) получают бетон с нужными свойствами.
Гелевые поры находятся между частицами геля и имеют размеры 2-5 нм. Принято считать, что их содержание в геле составляет 28% и не меняется со временем. В обычных условиях эксплуатации (при относительной влажности окружающего воздуха ф > 40%) они заполнены влагой.
Поры геля настолько малы, что в каждую из них вмещается лишь несколько сотен или тысяч молекул воды. Вся она находится в сильно адсорбированном (остеклованном) состоянии.
Поэтому гелевые поры непроницаемы для воды (продавить воду через гель труднее, чем через гранит), а также для газов. Они неопасны для морозостойкости (температура замерзания воды в них ниже —70 °С). По мнению некоторых специалистов, гелевые поры дало влияют и на прочность бетона. Прочность геля (примерно 120 МПа) приближается к прочности плотных горных пород.
Пористость — основная характеристика микроструктуры бетона. Так как бетон является двухкомпонентным материалом, пористость также выражается двояко. Объем пор может быть отнесен к объему бетона и к объему цементного камня, содержащегося в нем.
Пористость достаточно легко рассчитывается как разность общего водосодержания смеси и объема химически связанной воды. При расчете капиллярной пористости вычитается также вода, адсорбированная гелем.
Количество воды в геле может быть принято равным количеству химически связанной воды. Поэтому в формулах капиллярной пористости, приведенных выше, от общего объема воды отнимается удвоенное количество химически связанной воды.
Приведенные формулы показывают еще раз, как формируется пористость бетона и цементного камня. Общая пористость определяется количеством воды, не связанной химически, капиллярная — меньше общей на объем воды, адсорбированной гелем. Но главным фактором, от которого зависит объем пор, является не водосодержание смеси, а В/Ц. Чем больше цемента в бетоне, тем большую часть воды он связывает химически и тем меньше остается свободной воды, образующей поры. Поэтому формулы учитывают и роль цемента в формировании пористости.
Таким образом, количество химически связанной воды является эквивалентом возраста бетона или степени его гидратации. При достаточной влажности бетона оно возрастает и к годовому возрасту может составить 0,18—0,2. Пористость при этом снижается на 10-15%.
Следует отметить, что приведенные выше формулы для расчета пористости не учитывают воздушную пористость бетона, составляющую обычно 1-2%. Иногда ее добавляют к результатам расчетов
Пористость бетона может быть также определена экспериментально. Простейший из применяемых способов — по водопоглощению бетона. Предполагается, что капиллярные и гелевые поры при этом заполняются водой. В то же время в капиллярах может защемляться небольшое количество воздуха и в бетоне есть воздушные поры, не заполняемые водой. Поэтому объемное водопоглощение несколько меньше, чем пористость бетона. Часто его рассматривают как открытую пористость бетона (т.е. доступную для воды). В среднем она составляет порядка 90% от общей пористости бетона. Поэтому она может использоваться для ориентировочной оценки пористости. Результат может быть уточнен при известном содержании воздушных пор в бетоне.
Более точное экспериментальное определение пористости бетона возможно при кипячении образцов в воде или их вакуумировании. Оба приема удаляют большую часть оставшегося при насыщении образцов воздуха. Возможна и «запрессовка» воды в оставшиеся воздушные пространства под давлением 15 МПа (они будут сжаты в 150 раз).
На практике в расчетах пористости обычно нет необходимости, так как используется удобный эквивалент пористости цементного камня — водоцементное отношение. Формулы прочности, а в последнее время и других свойств бетона (морозостойкости, водонепроницаемости) выражают их в зависимости от В/Ц (или обратной величины — Ц/В).
В то же время В/Ц является эквивалентом пористости только если бетоны с разными В/Ц твердеют в одинаковых условиях. Если же температурно-влажностные условия твердения или эксплуатации бетонов отличаются, их гидратация протекает с разной скоростью и в разной степени. Тогда В/Ц уже не может рассматриваться как эквивалент пористости бетона.
Микроструктура бетона в основном формируется к его месячному возрасту. Если бетон эксплуатируется в сухих условиях, гидратация по мере его высыхания прекращается, а структура остается практически неизменной (если только усадка не вызовет образования микротрещин).
Но при эксплуатации во влажных условиях или в массивных конструкциях, медленно теряющих влагу, гидратация продолжается длительное время. Она возобновляется во «влажные» периоды и в конструкциях, подвергающихся периодическому увлажнению-высыханию. В этих случаях микроструктура продолжает изменяться, хотя и более медленно. Происходит дальнейшее уменьшение остатков зерен цемента, увеличение количества продуктов гидратации. Они откладываются на стенках капиллярных пор, уменьшая их сечение и объем и уплотняя структуру бетона. Свойства бетона при этом повышаются, причем морозостойкость и особенно водонепроницаемость в большей степени, чем прочность.
Наконец, если бетон подвергается действию мороза или агрессивных сред, возможны уже нарушения структуры. Они могут выражаться и в образовании трещин при различных условиях эксплуатации конструкций.
