Лекция № 5. Физические свойства бетона

План лекции:

1. Плотность бетона.

2.  Морозостойкость и водонепроницаемость  бетона.

1. Плотность бетона.

Качество уплотнения бетонной смеси оценивается коэффициентом уплотнения:

где  -   действительная и расчетная плотность бетонной смеси.

 

Обычно стремятся получить плотность бетонной смеси , но в следствии воздухововлечения при вибрации  обычно = 0,96 – 0,98 

В затвердевшем бетоне только часть воды находится в химически связанном состоянии, остальная вода остается свободной и находится в порах или испаряется.

Пористость бетона можно определить по формуле:

где: В – вода затворения

Ц – расход цемента, ;

 – содержание химически связанной воды, доли от массы цемента (в возрасте

28 сут. цемент приблизительно связывает 15 % воды от массы цемента);

Пористость обычно составляет (П = 13…14%).

 

Пути повышения плотности бетона:

Тщательный подбор состава заполнителей. Должен быть обеспечен меньший объем пустот смеси заполнителей, а следовательно будет меньше объем цементного камня;

Применять цементы, присоединяющие при гидратации как можно больше воды;

Уменьшение , добавки пластификаторы;

Уплотнением бетонной смеси вибрацией, центробежным или другими механизированными способами. Плотность бетонной смеси является важным его свойством, определяющим прочность, непроницаемость и долговечность.

 

3. Морозостойкость и водонепроницаемость бетона.

 

Под моростойкостью бетона понимают его способность сохранять или изменять в ограниченных пределах свои свойства под действием попеременного замораживания и оттаивания. Высокая морозостойкость бетона – важнейшее свойство, в большой мере определяющее долговечность различных сооружений, особенно гидротехнических, дорожных, ирригационных.

Теоретические основы морозостойкости бетона и механизма его разрушения в той или иной мере связан с разрушением бетона под напряжениями, возникающими при замерзании воды в его порах, а также с напряжениями, вызванными изменениями температуры.

Исследования морозостойкости бетона усиленно развернулись после второй мировой войны, Они оказались необходимыми вследствие расширения строительства дорог и аэродромов в районах с достаточно холодным климатом, возведения больших плотин, строительства и различных сооружений, в том числе в горах.

 

Рис. 2. Образование микротрещин в бетоне.

 

Разрушение бетона при попеременном замораживании происходит при содержании в нем достаточного количества воды. Возникающее давление льда и отжимаемой этим льдом воды в капиллярах вызывает образование микротрещин в бетоне. Чередующие циклы замораживания – оттаивания постепенно расширяют эти микротрещины, что приводит к разрушению поверхностного слоя бетона в форме характерных отслаивающих пластинок. Определенное влияние оказывают и напряжения, вызываемые различием в коэффициентах температурного расширения и температурно-влажностным градиентом.

Для того чтобы бетон не разрушался при замораживании, теоретически необходимо, чтобы отношение объема воды в порах бетона к общему объему пор было меньше 0,9.

Переход воды в лед начинается в крупных капиллярах, возникающее давление зависит от степени заполнения их и упругости стенок. В тонких капиллярах может происходить значительное запаздывание замерзания. Вода может находиться в них в состоянии переохлаждения (до – ). В еще более тонких капиллярах вода не замерзает; она находится в твердом состоянии.

За счет термовлагопроводности вода перемещается в бетоне и мигрирует к более холодным участкам поверхностных слоев в начале замораживания.

Следовательно, наиболее нежелательными с точки зрения морозостойкости являются сообщающиеся между собой капиллярные поры, в том числе и тонкие капилляры, обуславливающие возможность капиллярного подсоса.

При  = 0,4 – 0,45 при значительной гидратации цементный канал почти не содержит капиллярных пор. Пористость его создается в основном гелевыми порами, заполненными водой в псевдотвердом состоянии. Отсюда следует, что бетоны высокой морозостойкости целесообразно готовить при   не более 0,45 – 0,5.

 

Рис. 3. Зависимость морозостойкости обычного бетона от :

1 – без воздухововлечения

2 – с воздухововлечением.

 

Морозостойкость зависит также от вида применяемого цемента и заполнителей. Повышенная морозостойкость может быть достигнута при использовании цементов с повышенным содержанием  и содержании  не более 6 – 8 %. 

Примененный в бетоне крупный заполнитель должен обладать морозостойкостью, не ниже требуемой для бетона в целом, а содержание пылевидных, глинистых и илистых примесей в крупном и мелком заполнителях не должно превышать 1-2 % по массе. На морозостойкость влияют также форма частиц и гранулометрия заполнителя, коэффициент расширения и модуль деформации.

В целях значительного повышения морозостойкости бетона используются дополнительные способы:

Повышение плотности бетона за счет использования пластифицирующих добавок для снижения , применение добавок гидрофобизирующих стенки пор, или кольмантации пор пропиткой специальными составами.

Создание в бетоне с помощью специальных воздухововлекающих добавок резервного объема воздушных пор, не заполняемых при обычном водонасыщении бетона, но доступных для проникания воды под давлением, возникающем при ее замерзании.

 

Рис. 4. Резервный объем воздушных пор.

По ряду экспериментальных данных введение воздушных пузырьков в количестве до 3-4 % объема бетонов позволяет увеличить морозостойкость бетонов с 200-400 до 1000-1600 циклов замораживания и оттаивания.   

Пузырьки воздуха позволяют уменьшить количество воды затворения (они заменяют часть жидкости) и играют в то же время роль инертного заполнителя (по своей гранулометрии частично заменяют тонкие фракции песка). Они придают большую однородность бетону и снижают внутреннее водоотделение. Эти пузырьки изменяют структуру бетона, прерывая сквозные каналы.       

Оптимальное количество вовлеченного воздуха зависит от максимального размера заполнителей, расхода цемента и воды и составляет 4-6%.

Повышение морозостойкости может быть достигнуто также введением в бетонную смесь кремний органических соединений, в частности, ГКЖ-94, при введении ее в состав бетона происходит выделение газов, образующих закрытые поры, поверхность которых также становится гидрофобной, что позволяет повысить морозостойкость бетона в 4-5 раз.

Критерием морозостойкости является число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которые выдерживают кубы без снижения прочности более чем на 5 %, а для дорожного бетона, кроме того, без потери массы более чем на 3 %.

К этой группе относят обычно свойства, связанные с физическим действием воды на бетон:

водопоглощение; 

водонасыщение;

коэффициент размягчения бетона,

капиллярный подсос;

влагопроводность;

влагоотдача;

объемные деформации при увлажнении и высыхании;

водопроницаемость.

Равновесная влажность бетона зависит от величины и характера общей пористости бетона.

У легких бетонов от 4 до 8 % (по массе), ячеистых – 40% (по массе).

Миграция влаги путем капиллярного подсоса может происходить, причем на довольно большие расстояния, через весьма тонкие капилляры в результате диффузионных процессов.

Общее максимальное водопоглощение обычного цементного бетона на плотных заполнителях находится в пределах 4 – 8 % по массе (или 10-20 % по объему). Коэффициент размягчения - 0,85 – 0,9.

Для бетона гидротехнических и ряда других сооружений важной характеристикой является его проницаемость. (Она также определяет способность материала сопротивляться воздействию увлажнения и замерзания, влиянию различных атмосферных факторов и агрессивных сред).

Проницаемость бетона зависит от его пористости, структуры пор и свойств вяжущего и заполнителей.

Бетон является капиллярно-пористым материалом, как бы пронизанный тончайшей сеткой пор и капилляров различных размеров.

Мелкие поры, размером менее  см, практически непроницаемы для воды.

Микропоры и капилляры размером более  см доступны для фильтрации воды, которая происходит вследствие действия давления, градиента влажности или осмотического эффекта. Поэтому проницаемость бетона зависит от объема и распределения макропор и капилляров в бетоне.

Ориентировочно объем макропор   (%) можно вычислить по формуле:

 

 

Объем макропор в бетоне колеблется от 0 до 40 %.

Макропористость бетона уменьшается при понижении , увеличении степени гидратации цемента, уменьшении воздухововлечения в бетонную смесь, применении химических добавок, уплотняющих структуру бетона.

Проницаемость бетона можно оценивать коэффициентом проницаемости, который измеряется количеством воды В, прошедшей через  образца в течении 1 часа при постоянном давлении:

где: А – площадь образца;

t – время;

 – градиент давления.

 

Рис. 1. Зависимость  бетона от объема макропор и В/Ц.

 

При увлажнении бетона мельчайшие поры и капилляры заполняются водой, которая под действием физических поверхностных сил значительно теряет свою подвижность и как бы закупоривает эти капилляры («Кольматация» пор и капилляров)

Плотные бетоны обычно не фильтруют воду, поэтому для их оценки используют другое понятие – марку по водонепроницаемости, W-2, W-4 и т.д.

Большое значение для повышения непроницаемости бетона имеют его однородность и сохранение сплошности материала в процессе его твердения и эксплуатации.

Объем и характер пористости оказывает решающее влияние и на газопроницаемость бетона. Кольматация пор влагой или продуктами химических реакций существенно понижает газопроницаемость бетона. Газопроницаемость играет существенную роль при протекании процессов коррозии бетона, и стали при воздействии атмосферных факторов.

 

Методы понижения проницаемости бетона.