logo

Состав и образование бетона

Бетон, применяемый в железобетонных конструкциях, представляет собой сложный строительный материал, в состав которого при его изготовлении обязательно входят:

1. вяжущее вещество (обычно цементы различных видов, чистые или с гидравлическими добавками);

2. каменный заполнитель с зернами различной крупности, естественного происхождения (песок, гравий, каменный щебень) или искусственного (шлаки, кирпичный щебень и т. п.); по крупности зерен заполнитель обычно условно делится на две фракции: мелкую (песок) и крупную (щебень, гравий);

3. вода.

Кроме этих обязательных составляющих в бетон могут вводиться (путем смешивания с цементом или растворением в воде) некоторые вещества для придания ему каких-либо специфических свойств (например для ускорения твердения). В момент затворения сухой смеси водой начинается реакция гидролиза цемента. Продукты этой реакции в своей меньшей части выделяются в кристаллическом состоянии и в значительно большей части в коллоидальном, образуя так называемый гель (цементный клей). Это — пористая студнеобразная масса, насыщенная водой со взвешенными в ней частицами еще не вступившего в реакцию цемента и незначительными кристаллообразованиями. При интенсивном перемешивании составляющих бетона гель обволакивает зерна каменного заполнителя и, постепенно затвердевая, превращает всю массу и твердый монолит.

Твердение цементного раствора, а вместе с ним и бетона представляет весьма сложный и длительный процесс, в развитии которого важнейшую роль играет вода. Теоретически вычисленное количество воды, необходимое для полной гидратации цемента, обычно превышает фактически поглощаемое цементом. Дело в том, что гидратация цемента происходит не полностью и не сразу; в реакцию сначала вступают наиболее активные (вероятно наиболее тонкие) частицы цемента, причем воздушная оболочка, окружающая зерна цемента, несколько задерживает ход реакции, пока воздух не будет поглощен водой. В результате действительное количество воды, вступающей в химическое соединение с цементом, невелико и по данным опытов для портландских цементов не превышает 0,15—0,20 от веса цемента. С другой стороны, пластичная консистенция бетона, необходимая для удобства его транспортирования и укладки в конструкции, требует значительно большего расхода воды; обычно применяемое на практике водоцементное соотношение составляет 0,60—0,70 и даже для очень жестких бетонов не бывает меньше 0,40 (по весу). Таким образом гель, образованный гидролизом первых порций активных частиц цемента, оказывается сильно разбавленным водой. За счет этого избытка воды происходит дальнейшее разложение менее активных зерен цемента, взвешенных в геле; последний постепенно обезвоживается и густеет. Попутно некоторые продукты гидратации цемента переходят из коллоидального состояния в более устойчивое, кристаллическое, с поглощением кристаллизационной воды. Кристаллообразования пронизывают массу геля и, срастаясь между собой, создают прочный скелет твердеющему раствору. Наконец оставшаяся свободная вода испаряется при постепенном высыхании бетона.

Описанная здесь вкратце картина образования бетона представляет лишь упрощенную схему в действительности чрезвычайно сложного явления, протекающего при этом весьма разнообразно в зависимости от различия в свойствах вяжущего, от количественных соотношений составляющих бетона и от температурно-влажностных условий окружающей среды.

Процесс обезвоживания геля и образования твердой кристаллической решетки цементного раствора происходит с постепенно убывающей скоростью и, как показывают наблюдения, весьма продолжителен; при благоприятных температурно-влажностных условиях среды, в которой протекает твердение бетона, структурные изменения цементного раствора не прекращаются в течение нескольких лет. Одновременно с этим происходит и постепенное нарастание прочности бетона.