В результате (схватывания) бетонной смеси и последующего твердения образуется структура бетона, На формирование структуры большое влияние оказывает схватывание и твердение цемента [16].

В начальный период (первая стадия) при смешивании цемента с водой в процессе гидратации трехкальциевого силиката выделяется гидрат окиси кальция, образуя пересыщенный раствор. В нем находятся ионы сульфата, гидроксила и щелочей, а также небольшое количество кремнезема, глинозема и железа. Высокая концентрация ионов кальция и сульфат-ионов наблюдается непродолжительное время после затворения, так как в течение нескольких минут из раствора начинают осаждаться первые новообразования - эттрингит и гидроокись кальция. Приблизительно через час начинается вторая стадия гидратации цемента, для которой характерно образование очень мелких гидросиликатов кальция. Вследствие того, что в реакции принимают участие лишь поверхностные слои зерен цемента, вновь образующиеся гидратные фазы характеризуются очень тонкой гранулометрией, размер зерен цемента уменьшается незначительно. Пограничный слой становится непроницаем для воды примерно в течение двух-шести часов. Эту (вторую) стадию замедленной гидратации принято называть «скрытым периодом» гидратации цемента.

Начало третьей стадии процесса гидратации связано с началом кристаллизации гидроокиси кальция из раствора. Этот процесс происходит очень интенсивно. На этой стадии гидросиликат кальция и эттрингит могут образовываться в виде длинных волокон, которые проходят через поры цементного камня, разделяя их на более мелкие. Происходит формирование структуры цементного камня.

Четвертая и пятая стадии процесса гидратации цемента характеризуются замедленными реакциями, которые продолжаются до полной его гидратации. В эти периоды меняется характер пор цементного камня в результате того, что ранее образовавшиеся поры заполняются продуктами гидратации. Структура затвердевшего цементного камня уплотняется, и эттрингит может перейти в моносульфат.

Процесс нарастания структурной прочности характеризуется тем, что продукты взаимодействия цемента с водой гелеобразны – это особо мелкие волокнистые, войлокообразные частицы, которые возникают в поровом пространстве между зернами цемента, заполненном сначала водой затворения. Первоначально они образуют пористую матрицу, которая постепенно упрочняется и заполняется продуктами дальнейшей гидратации.

Время с начала затворения до момента резкого возрастания прочности называется периодом формирования структуры. Плотность и пористость образующейся к концу периода твердой матрицы зависят, главным образом, от концентрации цемента в цементном тесте, т. е. В/Ц или Ц/В теста. Таким образом, матрица, образующаяся от первичных продуктов гидратации цемента, представляет собой «первоначальный каркас», оказывающий решающее влияние на будущую структуру цементного камня.

Дальнейшее упрочнение структуры происходит за счет роста новообразований внутри сложившейся матрицы и соответствует третьей стадии гидратации. К концу периода формирования структуры цементное тесто превращается в камень – совершается довольно резкий переход от пластической прочности цементного теста к хрупкой прочности затвердевшего цементного камня.

Введенный в цементное тесто заполнитель существенно влияет на свойства бетонной смеси, например, уменьшает ее подвижность и сокращает период формирования структуры (рис. 1.3), причем тем в большей степени, чем выше содержание заполнителя и его удельная поверхность. Это аналогично уменьшению В/Ц, поэтому для расчета можно принять, что свойства бетонной смеси определяются несколько меньшим В/Ц, чем В/Ц затворения.

Рис. 1.3. Изменение жесткости Ж (а) и периода формирования структуры бетона t (б) при введении песка в цементное тесто с В/Ц=0,3

Определить количество воды, как бы отвлекаемое заполнителем, можно по изменению свойств бетонной смеси, введя понятие об условном истинном В/Ц, которое имело бы цементное тесто, если бы оно характеризовалось теми же свойствами, что и бетонная смесь (подвижностью, сроками схватывания и т.д.). Можно условно считать, что количество воды, при котором формируется цементный камень, равно разности между количеством воды затворения и количеством воды, как бы отвлекаемой из-за влияния заполнителя.

Таким образом, в отличие от формирования структуры чистого цементного камня, формирование структуры цементного камня в бетоне происходит под влиянием заполнителя.

Для определения водопотребности заполнителей использовался способ, позволяющий определить водопотребности заполнителя в конце периода формирования структуры бетона [23].

Приготовленное тесто, с разными В/Ц, вкладывают в пластмассовую форму с размерами ячеек 10×10×10 см. Причем величина минимального водоцементного отношения (К_мин) определяется, исходя из значения В/Ц цементного теста нормальной густоты (К_нг):

К_мин = 0,876 К_нг                                                                  (1.2)

Предельное значение В/Ц (К_мин), характеризующее водоудерживающую способность цементного теста, может быть найдено из зависимости

К_п = 1,65 К_мг                                                                   (1.3)

Затем, через определенные промежутки времени, при помощи ультразвукового прибора, руководствуясь при этом соответствующими инструкциями, определяют скорость прохождения ультразвука [3].

Измерение скорости распространения УЗВ следует начинать через час после приготовления бетонной смеси и проводить через каждые 30 мин. Конец периода формирования структуры характеризуется резким увеличением скорости прохождения ультразвуковых волн (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Зависимость скорости распространения ультразвука в цементном тесте от времени с момента затворения

 По периоду формирования структуры цементного теста с разными В/Ц строят график зависимости времени окончания периода формирования структуры от водоцементного отношения (рис. 1.5).

       Рис.1.5. Эталонная кривая зависимости периода формирования структуры цементного камня от водоцементного отношения

Для определения водопотребности заполнителя, высушенного до         постоянной массы, приготавливают бетонную смесь с расходом цемента     650 кг/м³ и абсолютным объемом исследуемого заполнителя (А_зап), равным 500 л. Масса заполнителя определяется по формуле

М_{зап. в}  = 0,5γ_зап,                                      (1.4)

где γ_зап – плотность заполнителя, т/м³.

Полученную смесь перемешивают в сухую в течение 1 минуты, а затем 5 минут с водой, количество которой должно обеспечить получение бетонной смеси с подвижностью, равной 1-2 см по осадке стандартного конуса.

Приготовленную смесь укладывают в пластмассовую форму и определяют скорость распространения ультразвука, после чего строят график зависимости скорости распространения ультразвуковых волн от времени, прошедшего с момента затворения (рис. 1.6).

       Рис.1.6. Зависимость скорости распространения ультразвука в бетонной смеси от времени с момента затворения

Сравнивая периоды формирования бетонной смеси (рис.1.5.) с эталонной кривой (см. рис. 1.5), определяют водосодержание цементного теста в узловой точке перехода бетонной смеси в бетон.

Зная В/Ц цементного теста, можно определить количество воды, отвлекаемое заполнителем

                                     (1.5)

где В_затв – вода затворения, кг ;

В_зап – водопотребность заполнителя в бетоне ,% ;

В_ц – вода, приходящаяся на цементное тесто в конце периода формирования структуры, кг ;

М_{зап. в} – масса высушенного заполнителя, кг.

Водопотребность заполнителя определяли ускоренным способом, исходя из условия равноводвижности бетонной (или растворной) смеси [13].

Для этого:

1) приготавливают цементное тесто при В/Ц, соответствующем нормальной густоте, и на встряхивающем столике по методике ГОСТ 310.4–76 добиваются расплыва стандартного конуса, равного 170 см;

2) подбирают такое В/Ц, при котором раствор на исследуемом песке состава 1:2 имеет такой же расплыв конуса;

3) устанавливают осадку конуса раствора на исследуемом песке состава 1:2 при (В/Ц), определенном ранее на встряхивающем столике. Для этого отвешивают 5 кг цемента и 10 кг песка и перемешивают их в течение 1 мин всухую, а затем 5 мин с водой, количество которой устанавливают в соответствии с (В/Ц). После этого определяют подвижность раствора стандартным способом;

4) подбирают В/Ц, при котором достигается такая же осадка конуса бетонной смеси 1:2:3,5 , что и раствора 1:2. Для этого отвешивают 2,5 кг цемента, 5 кг песка и 8,75 кг щебня, перемешивают их в течение 1 мин всухую и 5 мин с водой, а затем определяют подвижность бетонной смеси стандартными способами; 

5) определяют водопотребность исследуемых заполнителей

                             (1.6)

                             (1.7)

где (В/Ц)_р, (В/Ц)_Ц и (В/Ц)_б – водоцементное отношение раствора на исследуемом песке, стандартного раствора и бетона;

В_п и В_щ - водопотребность песка и крупного заполнителя (табл. 1.8).

Таблица 1.8

Водопотребность заполнителей для бетона

Из таблицы 1.8 видно, что чем выше плотность природного заполнителя или искусственно приготовленного, тем меньше коэффициент водопотребности, то есть меньшее количество воды вовлекается в процесс формирования структуры бетона.

Изменчивость количества и качества исходных компонентов бетона приводит к изменению физико-технических свойств. Учитывать неоднородность свойств заполнителей возможно при использовании ускоренных методов и имеющейся информации о структуре материалов, из которых они изготовлены.