24 Окт 12 ПОРОВАЯ СТРУКТУРА БЕТОНА

Одной из важнейших характеристик бетона являются параметры его порового пространства. Поровым пространством далее будем называть объем, не заполненный твердой фазой [4.31].

Спектр свойств порового пространства, типичных для некоторых обычно применяемых строительных материалов, приведен на рис. 4.2 [4.14], где удельная поверхность и средний радиус пор указаны в лога­рифмических осях. Здесь также приведены области постоянной порис­тости, рассчитанные иэ предположения цилиндрической формы пор [4.14]. Так же, как в случае определения понятия порового пространст­ва, нет однозначности в классификации параметров порового объема. При определении порового пространства обычно чаще всего исходят из следующих трех структурных свойств [4.14]:

Пористости, т. е. части общего объема, которую занимают поры;

Внутренней удельной поверхности пор, т е. площади или доступной поверхности в единице объема или массы данного вещества;

Рис. 4.2. Средний размер пор и удель­ная поверхность различных материа­лов

Разделения пор по размерам, т. е. разделения общего обьема пор на поры в пределах определенного диапазона размеров. Если учитыв"гь геометрию реальных пор, то на разделение пор по размеру влияег и форма пор, и способ их взаимосвязи, что учитывается различными коэф­фициентами в зависимости от примененного метода измерения.

Поровая структура бетона — композита — формируется от момеша затворения водой до затвердевания бетонной смеси. Формирование про­должается в процессе перемешивания и уплотнения свежеприготовлен­ной смеси и заканчивается в течение длительного времени вследствие продолжающихся процессов образования продуктов гидратации во вре­мени [4.17].

Свойства поровой структуры зависят от относительного количества составляющих в единице объема бетонного композита, их свойств, го- могенизации и уплотнения свежеуложенной смеси, а также от условий и продолжительности ухода.

Продукты гидратации не заполняют полностью объем, но характеї i - зуются пористостью 28%, образуемой объемом между отдельными К' га­лоидными частицами материала. Эта система частиц названа цемента їм гелем, а пространство между частицами — гелевыми порами [3.38,4 .ЗУ, 4.42, 4.49]. Большую часть геля составляют слабокристаллизованные гидросиликаты кальция, поэтому зтот гель называют гидросиликаті їм гелем. Таково представление о структуре затвердевшего цементныо теста — цементного камня, так называемая модель Пауэрса, которая не учитывает другие составляющие цементного камня — негидрат ироваш j зерна цемента, крупные кристаллы гидроксида кальция и различные г >- ры, например воздушные.

2

СРЕДНИЙ РЛЗМ1 ПОР. М

Гелевые поры имеют весьма малче размеры. Их ширина состави;..т около 1,5 нм. Эти размеры соизмеримы с размерами молекул во, Поэтому пленочная вода и адсорбированная вода отличаются оі свої". .-> свободной воды [4.33].

49

Уже указывалось, что гель обладает пористостью и что гелевые по і составляют приблизительно 28% общего объема геля. Такая велич. а типична для портландцемента и также независима от В/Ц смеси и степ - и гидратации. Это значит, что на всех стадиях гидратации образуется г? - ь

ОН - 4
с подобными свойствами и при дальнейшей гидратации существующие гидраты не изменяются.

При гидратации цемента образуются и другие категории пор. Вследст­вие объемных изменений в системе цемент — вода продукты гидратации имеют меньший, чем первоначальный объем вступающих в реакцию сос­тавляющих. Это явление было названо химической контракцией [4.33, •4.54, 4.46], оно обусловливает контракционный объем пористости.

С начала гидратации поровая система бетона заполняется образующи­мися продуктами гидратации цемента. Речь идет прежде всего о прост­ранстве между более или менее гидратированными и негидратированны - ми частицами цемента, зти промежутки называют капиллярными пора­ми. Обычно они заполнены растворами гидратирующихся компонентов цемента, а также воздухом [438, 4.33]. Объем капиллярных пор с хо­дом гидратации снижается, так как продукты гидратации занимают объем более, чем в 2 раза больший, чем исходный цемент [4.3].

Капиллярная пористость цементного камня вследствие продолжаю­щейся гидратации цемента снижается со временем, так как объем це­ментного геля с его порами в 2,2 раза больше., чем объем негидратиро - ванного цемента, поэтому продукты гидратации заполняют часть объе­ма, до того заполненного водой затворения (рис. 4.3), [4.3].

Так как общая и капиллярная пористость цементного камня с ростом степени гидратации снижается, гелевая пористость возрастает, потому что объем цементного геля увеличивается (рис. 4.4), [4.3].

Капиллярная пористость зависит от водоцементного отношения, т. е. от начального количества воды в тесте и от степени гидратации [4.33]. При водоцементном отношении более высоком, чем 0,38, образующийся гель продуктов гидратации не заполняет свободный объем в твердеющем цементном тесте, всегда остается определенный объем капиллярных пор и в случае полной гидратации цемента (рис. 4.5), [4.54].

В результате измерений сорбции водяного пара был определен размер капиллярных пор порядка 1,3 мкм. Капиллярные поры, очевидно, вслед­ствие своего происхождения отличаются изменчивым видом и образуют соединенную систему канальчиков. Эти взаимосоединенные капилляр­ные поры существенно влияют на проницаемость затвердевшего цемент­ного камня и его долговечность [4.33,4.52].

С увеличением степени гидратации увеличивается объем определенной фазы в тесте, а в - твердом цементном камне в определенный момент наступает сужение, а возможно, и взаимное разделение некоторой части капиллярных пор гелем продуктов гидратации. Прекращение взаимного соединения наступает при сочетании исходного В/Ц и достаточно длитель­ного периода влажного хранения. Приблизительные значения В/Ц и вре­мени, при которых начинается разъединение капилляров, видно из сле­дующих данных [4.33,4.40,4.41 ].

Приблизительное время, необходимое для того, чтобы наступило. раз­деление капиллярных пор при В/Ц:

0,4 . .......................................................................................................... 3 сут ■

TOC \o "1-3" \h \z 0,45..................................... .............................. .................................... 7 сут

0,5............... ........................................................................................ . .14 сут

0,6 ......................................................................................................... 6 мес

0,7............................................................................................................. 1 год

более 0,7........................................................................................... неизвестно

Рис. 4.3. Изменение ка­пиллярной пористости цементного камня в ус­ловиях продолжающей­ся гидратации цемента А - при а = 0,3; 6 — при а = 0,7; 1 - не до конца гидратированное зерно цемента; 2 - це­ментный гель; 3 - ка­пиллярные поры

Рис. 4.4. Зависимость об­щей, капиллярной и голе­вой пористости цемент­ного камия от степени гидратации цемента

В Щ; 0,35

0,2 0,4 0,6 0,8

0,2 0,4 >0,6 0,8 D

ОБЪЕМНЫЕ % ВОЗДУШНЫЕ ЮНТРАКЦИОННЫЕ 100

ГЕЛЕВЫЕ ПОРЫ ЧАСТИЦЫ ГЕЛЯ НЕГИДРАТИРОВАННЫЙ ЦЕМЕНТ

КАПИЛЛЯР L. E ЧАСТИЦЫ ГЕЛЯ L ПОРЫ

Рис. 4.S. Виды пор в цементном камне

80

Значение В/Ц и времени зависят о г характеристик примененного це­мента. При В/Ц большем, чем 0,7, капиллярные поры остаются взаимно - соединенными. При особотонкомолотых цементах максимальное В/Ц Было бы несколько большим и равно приблизительно 1, при грубомопо - тых цементах оно было бы меньше 0,7. В так называемом хорошем бето­не не должно быть взаимосоединенных капиллярных пор.

Исследования стадий структуры затвердевшего цементного камня показали, что на традиционное основное разделение пор на гелевые и ка­пиллярные необходимо взглянуть с позиции привлечения прямых мето­дов измерения. Ряд старых моделей, включая деление пор на гелевые и капиллярные, возник без достаточных оснований на основе не прямых, например сорбционных измерений [4.55].

Прямые методы, например растровая электронная микроскопия, по­казали, что цементный камень является системой, состоящей из первич­ных частиц продуктов гидратации различного размера и вида, с характер­ными размерами в пределах от 0,1 до примерно 5 мкм. Составным эле­ментом этой системы являются пустоты (поры размерами до 1 мкм). Кроме того, в некоторых местах гицратированного теста можно видеть игольчатые и пористые ноздреватые области с видимыми пустотами с размерами приблизительно 0,1 мкм [4.55].

Исследования цементного камня при помощи ртутной порометрии по­казали, что большая часть пор лежит в пределах радиусов от 0,1 до 0,01 мкм [4.55].

Дальнейшие категории пор представлены порами седиментации,» ото - рые можно отнести к дефектам структуры бетона и которые образуются вследствие поверхностного или внутреннего водоотделения. При поверх­ностном отделении часть воды затворения проникает к поверхности бето­на и образует систему ориентированных в большей части взаимосоеди - няющихся каналов. При внутреннем водоотделении эти поры образуют - оседание теста обычно под плоскими зернами крупного заполнителя.

Седиментационные поры могут быть размером от 50 до 100 мкм. В случае образования пор под зернами заполнителя они могут иметь значи­тельно большие размеры, и их можно видеть невооруженным глазом. Было установлено, что, чем тоньше прослойки раствора вокруг зерна крупного заполнителя, тем меньше поверхностное и тем больше внутрен­нее водоотделение.

Такие седиментационные поры являются главными транспортными путями нроникания воды в бетон, потому что в порах с размерами, большими 50 мкм, вода находится в свободном состоянии, т. е. поверх­ностные силы захватывают весьма малую часть объема воды, и вода мо­жет мигрировать под действием гравитационных сил или при помощи очень малого гидростатического давления. Поэтому седиментационные поры играют решающую роль при фильтрации и оказывают сушественное влияние на долговечность бетона и бетонных конструкций.

Воздушные поры имеют обычно сферическую форму и образуются при случайном или преднамеренном введении воздуха в бетонную смесь. В бетонной смеси всегда содержится определенное количество воздуха, который был первоначально адсорбирован на поверхности зерен цемента и заполнителей и при перемешивании смеси не был удален с этих поверх­ностей. Это количество случайного воздуха может быть специально повышено применением воздухововлекающих добавок. Размеры воз­душных пор могут колсбаїьси or 25 до 500 и более мкм. 0(іі><'м по ідуїп ных пор редко превышает 5% объема бетона.

При случайном воздухововлечении особенно трудно обрабатываемых смесей могут находиться разделенные поры и локальные скопления воз­душных нор, следствием чего являются снижение однородности (гол >- генности) и ухудшение некоторых, преимущественно мех-нических, свойств бетона после его затвердевания. Напротив, организованное вол - духововлечение при подходящем размере, количестве и взаимном рас­стоянии пор благоприятно влияет на морозостойкость бетона.

Аналогичное деление пор в цементном камне по величине и происхо: дению приводит, например [4.54]:

Поры геля............................................................................... 0,5- 30 им

Капиллярные н контракционные поры................................... 30 им - 50 мкм

Микровоздушные поры.......................................................... 0.1 — 1 мм

Поры уплотнения........................................... , . . ................. 1 мм

Ямбор [4.17] при разделении пор на категории в цементном кам принимает во внимание причины возникновения пор l цемент. го: і кам размер и возможное влияние на качество цементного камня и различает две категории пор:

Наименование Происхождение, описание ^Радиус

Гидратациоиные мик- Характеристики размера Н вида залисит гт <1 мкм ропоры вида и общего объема продуктов гидра­

Тации

Технологические поры Воздушные норы, разные дефекты и мик - i> 1 мкм ротрешины, которые образуются но раз­ным причинам

Дальше можно делить норы по размеру характеристичного радиуса ;ia микропоры с радиусом меньше 10 мкм и макропоры с большим радиу­сом [4.10].

Применяемая классификация по размеру, принятая международ л организацией ИУПАК (JUPAK), такая же, как и классификация Дуби­нина, делит поры на меньшие 2 нм — микропоры, поры размером от 2 ю 50 нм — мезопоры, и поры, большие 50 нм — макропоры. В пастояшо ■ время в области цемента и бетона эта граница расширена.

Определенное представление о классификации пор по размерам в це­ментном камне, а также о влиянии отдельных категорий і юр ііа сионс і а цементного камня дает табл. 4.1 [4.27,4.43].

Различие размеров определенных частиц и пор в цементном камне схе­матически изображено на рис. 4.6 [4.24].

Категориями пор, также представляющими дефекты структуры бето­на, являются поры (пустоты)., образовавшиеся вследствие недостаточ о - го перемешивания смеси и уплотнения смеси между зернами к рупії" го заполнителя в так называемых гнездах". Размер таких пустот колеб. . і - ся в пределах от 1 до 30 • 106 нм.

Следующим дефектом структуры бетона являются поры (.пустої і) под нижней поверхностью крупных плоских и продолговатых зерен Т а 1- ня, которые образуются вследствие внутреннего водоотделения В беи н - ной смеси [4.46,4.24], (рис. 4.7).

Кроме уже приведенных дефектов структуры можно привести ■-

А С А О В О в О S я О й S « . Ке

З і- І 9 В. V T К О W

Ж V) О О I

2 х «г О I

2 X *г Rs I О

7. X О 1-І I О «о

I О о о

X CJ

О! R А 3 о. о С

О О. X

Случайный во:

Г КМГОНАЛ НЫЕ книг 7011 - t Сотні, или КРИСТАЛЛ

ІИАЛЬНО'

--- ■|ион&УЛк*АТГГП

"ТЦН«{НТНОМ КАМНЕ ;

01 I

ІООнн ШООнм

Рис. 4.6. Пределы размеров определенных частиц и пор в цементном камне

Ш*с

3*9

'см

Б) €

Ф 0

00 1мм

Рис. 4.7. Виды пор в бетоие А - хаотические поры; б - сферичес­кие воздушные поры; в - поры ссди ментации; г — капиллярные поры о цементном геле; 1 - капиллярные поры; 2 - цементный гель с порами геля

Дующие, которые могут существенно отрицательно подейсиюн. пь на долговечность бетона. К таким дефектам относятсн, например, усадоч ные, температурные и другие трещины. В бетоне в результате механичес­ких напряжений могут появиться трещины в контактном слое между цементным камнем, раствором и зернами заполнителя. Образование этих трещин объясняется объемными изменениями гидратирующегося цемен та вследствие седиментации цемента под крупными плоскими зернами в бетоне [4.59].

Поровое пространство бетона характеризуется размером и видом пор [4.2, 4.8]. Вид и его изменчивость обусловливаются способом образова­ния, т. е. отверждения, и являются следствием конкретного состава це­мента, заполнителя и специальных свойств продуктов гидратации. Так как эти показатели различны, нельзя ожидать высокой степени правилі, ности формы нор. Это касается пор больших размеров. У воздушных пор преобладает более или менее точная сферическая форма. Из сказан ного видно, что нельзя ожидать, что поры будут иметь в действительное ти цилиндрическую форму кругового сечения и будут неизменными Это упрощенное модельное представление, которое, в частности исполь­зуется при интерпретации результатов измерений рядом методов, напри
мер ртутной порометрии. Необходимо принимать во внимание это упро­щение при обсуждении или использовании экспериментальных результа­тов для характеристики порового пространства.