Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Бетонная смесь

Свойства цементного камня


Свойства цементного камня

До сих пор мы рассматривали основы гидратации и некоторые специальные свойства продуктов гидратации отдельных клинкерных минералов. Теперь предстоит обсудить вопрос об изменении свойств цементного камня, образующегося в результате накопления продуктов гидратации клинкерных минералов. Рассмотрим важнейшие: прочность, водонепроницаемость, морозостойкость, устойчивость, против действия химически вредных веществ, усадку и ползучесть, тепловыделение.

Прочность цементного камня. Элементарное представление о возникновении прочности цементного камня можно составить по нашим воспоминаниям об игре с песком в детстве: чем мельче песок, смешанный с определенным количеством воды, тем прочнее изготовленные из смеси образцы (рис. 24).

Степень влияния тонких слоев на прочность сцепления может быть определена по трудности отделения друг от друга двух сложенных влажных стеклянных пластин. И в цементном геле пленки воды на поверхности гелевых частичек играют аналогичную роль, причем благодаря огромной удельной поверхности гелевых частиц (200—300 м2/г, а песок имеет поверхность 20—30 см/г) цементный камень достигает прочности 100 МПа и выше. Помимо действия водных пленок другие поверхностные силы также участвуют в создании прочности. Не последнюю роль играет и сцепление гелевых частиц друг с другом.

Существует однозначная связь между концентрацией гелевидных составляющих и прочностью цементного камня. Эта связь настолько сильна, что даже при различных значениях ВЩ в цементном клее она не нарушается (рис. 25). Необходимо, однако, учитывать, что цементный клей с большими значениями В/Ц, т. е. с более высоким содержанием воды, исчерпывает свою гидратацион-ную способность при меньшей концентрации гелевых составляющих, чем цементный клей с малым В/Ц. Обратите внимание на то, что на горизонтальной оси отложена концентрация гелевых составляющих, а не время, как на рис. 26, в основе которого лежат значения, взятые из Рис. 25. Здесь одинаковая концентрация гелевых составляющих и, следовательно, одинаковая прочность, которая из-за различных значений В/Ц наблюдается в различное время (представлена пунктиром).

Возникает вопрос, каким образом все же достигается такая высокая прочность (рис. 25, 26, 46) при В/Ц<.0,4. Попробуем дать объяснение. Как видно из рис. 26,концентрация гелевых составляющих Къ недостижима в цементном клее с В/Ц= = 0,4 даже после 28 сут. У цементного клея со значением В/Ц—0,32 прочность только немного увеличится, так как 100%-ная гидратация невозможна из-за недостатка воды: негидрати-рованные зерна цемента сохранятся в массе геля. Напротив, цементный камень с В/Ц=0,4 будет гидратиро-ваться далее, концентрация гелевых составляющих будет продолжать расти, достигнет значения С3, и тем самым соответственно будет достигнута высокая прочность.

Рис. 25. Зависимость предела прочности при сжатии цементного камня от концентрации гелевидных составляющих

Рис. 26. Зависимость предела прочности при сжатии цементного камня и концентрации гелевидных составляющих (К\, /Сг, Кз) от времени твердения

Наивысшая возможная концентрация гелевых составляющих соответствует значению, которое достигается при полной гидратации цементного камня с ВЩ— = 0,4. И при меньших ВЩ максимально достижима только эта концентрация гелевых составляющих. При этом видно, что значения ВЩ<С0,4 целесообразно принимать лишь тогда, когда необходимо повышение прочности в короткие сроки. Способность цемента к твердению при этом полностью не используется, поскольку часть его выполняет функции заполнителя.

Рис. 27. Нарастание прочности при различных марках цемента

Существуют цементы с различной прочностью, которая достигается в зависимости от различного количества клинкерных минералов и их характеристик, тонины помола. Цементы высоких классов прочности получают обычно при высоком содержании C3S (и соответственно малом содержании C2S) в клинкере и очень тонком помоле. Часто из одного и того же клинкера получают цементы различных классов прочности только из-за того, что их по-разному измельчают.

Действие этих двух факторов легче всего представить на модели концентрации гелевидной составляющей: тонкомолотый цемент со своей намного большей реакционной поверхностью и высоким содержанием высококачественного C3S (рис. 22) должен давать более быстрое нарастание концентрации гелевидных новообразований, чем цемент с более грубым зерном и малым содержанием C3S. Так происходит представленное на рис. 27 нарастание прочности цементов различных прочностных классов. В связи с этим возвратимся еще раз к рис. 22, из которого видно, что минералы C3S и C2S обеспечивают различное нарастание прочности, но что приблизительно через год они имеют одинаковую прочность. Это подтверждается и рис. 27: через 28 сут твердения прочность образцов резко различается, через год эта разница уменьшается наполовину, а в дальнейшем — еще больше. Шлакопорт-ландцементы (обозначение ZZ см. разд. 2.1) по тонине помола и скорости взаимодействия нельзя непосредственно сравнивать с портландцементом, так как из-за присутствия шлака они реагируют медленнее. Последующее твердение этих цементов весьма эффективно. Известны результаты длительных испытаний, которые свидетельствуют о том, что шлакопорт-ландцемент низкого класса прочности после трех лет имел существенно более высокую прочность, чем портландцемент высокого класса прочности.
Еще один фактор влияет на скорость роста концентрации гелевидных составляющих — температура. При этом не имеет значения, произошло ли повышение температуры за счет поступления тепла- извне или за счет собственного тепловыделения при гидратации.

Рис. 28. Влияние температуры на скорость твердения бетона, приготовленного на портландцементе

При температурах ниже 5° С гидратация практически не происходит. С повышением температуры она протекает быстрее, и это обстоятельство используют на заводах по изготовлению бетона. Бетонную смесь нагревают различными методами, чаще всего паром. За счет ускоренного твердения бетона производительность увеличивается. Однако важно следить, чтобы при высоких температурах вода не удалялась из бетона, так как иначе гидратация прекращается. Напротив, низкие температуры замедляют твердение, что удлиняет сроки распалубки в зимний период строительства. В этом случае целесообразно использовать добавки, ускоряющие твердение (см. разд. 2.4). Влияние температуры на твердение бетона на портландцементе видно из рис. 28. Следующими выводами можно завершить этот важный раздел.

Прочность цементного камня зависит от концентрации гелевидных составляющих.

В цементных клеях с различным водосодержанием концентрация ге-леобразных составляющих нарастает с неодинаковой скоростью (более высокое значение В/Ц замедляет скорость).

При одинаковой длительности твердения достигается более высокая концентрация гелевых новообразований и тем самым большая прочность при меньших В/Ц.

ф Максимально возможная концентрация гелевидных составляющих наблюдается у полностью гидратиро-ванного цементного камня с В/Ц— =94

При значениях Б/Д<0,4 эта максимальная концентрация вследствие незначительности заполняемого объема и избытка цемента достигается раньше. Поэтому очень быстро набираются высокие, прочности.

- При В/Ц>0,4 в случае полной гидратации (цемент использован полностью) прочность, которая может быть достигнута, будет тем ниже, чем выше значение В/Ц – Путем повышения температуры твердение цементного камня может быть сильно ускорено, низкие температуры замедляют твердение.

Водонепроницаемость, морозостойкость и морозосолестойкость (сопротивляемость действию противогололедных реагентов). Эти свойства цементного камня определяются плотностью бетона, от которого зависит его водонепроницаемость и малая степень насыщения водой. И здесь концентрация гелевых новообразований дает ключ к пониманию стойкости бетона, но еще больше открывает возможность к пониманию зависимостей для пор, представленных соответственно на рис. 21. Размеры гелевых пор очень незначительны. Поэтому находящаяся в них вода оказывается под большим влиянием поля сил, действующих на поверхности стенок этих пор. Отсюда следует, что вряд ли вода может через них протекать. При обычных температурах замораживания вода в порах также не может замерзать, так как точка ее замерзания зависит от давления пор. Поэтому играют роль только капиллярные поры, которые, правда, достаточно велики, чтобы принимать и пропускать воду. Из рис. 21 следует, что капиллярные поры при завершенной гидратации образуются только при Я/Д>0,4. Таким образом, чисто теоретически можно заключить, что всякий цементный камень водонепроницаем и морозостоек, если он образовался из цементного клея со значением В/Ц^: s^0,4. Проведенные опыты, однако, показали, что эти свойства наблюдаются и при более высоком В/Ц; таким образом, ограниченное количество капиллярных пор еще безвредно.

Водонепроницаемость бетонного изделия в зависимости от его толщины наблюдается уже при В/Ц — = 0,60—0,70. При использовании уплотняющих веществ в отдельных случаях возможны и более высокие значения водоцементного отношения.

Более строгие требования к В/Ц предъявляют морозостойкость и морозосолестойкость — сопротивляемость противоморозным химическим реагентам (обычно неорганическим солям). Рис. 29 показывает, как противогололедные реагенты способствуют разрушению бетона при замораживании. При воздействии мороза,

Сопротивляемость химически вредным веществам. Вещества, оказывающие любое действие на бетон, попадают в поровую систему цементного камня главным образом в растворенном виде с водой — с агрессивными грунтовыми и поверхностными водами или с выпадающими осадками. Структура цементного камня может разрушаться вследствие увеличения объема продуктов взаимодействия, выщелачивания твердых составляющих или возникновения гелеобразных не связанных друг с другом продуктов.

Слева показан бетон, подвергавшийся около 10 лет кроме мороза действию реагентов. Справа на рисунке показан бетон достаточно морозостойкий, не подвергавшийся действию таких реагентов без одновременного использования противогололедных реагентов, цементный камень без искусственных воздушных пор при В/Ц=0,50 достаточно устойчив. Если использованы воздухововлекающне добавки, допустимо значение В/Ц=0,6.

Более низкие значения В/Ц необходимы, если на замерзшие бетонные поверхности нанесены противогололедные реагенты (например хлористый магний). Они хотя и вызывают таяние льда на поверхности бетона, но при этом отнимают необходимое для этого тепло от бетона, который в нижележащих слоях, куда соль не поступает, замерзает еще сильнее («морозный шок»). По этой причине (см. рис. 29) в строительстве бетонных дорог приходится назначать В/Ц = 0,42 (без воздухововлекающих добавок) или 5/Я=0,45 (с воздухо-вовлекающими добавками).

Суммируя сказанное, следует отметить, что

Наиболее частая причина разрушений— действие сульфатов. Взаи-х модействие последних с С3А цемента уже рассматривалось в разд. 3.1. Помимо этого, вредное действие оказывает большое количество кислот и солей, особенно агрессивная углекислота (СОг), ионы магния и алюминия.

Этот вопрос в настоящей работе мы не можем рассмотреть очень подробно. Как уже указывалось в предыдущем разделе, в данном случае одним из основных условий возникновения коррозии является то, что агрессивная жидкая среда проникает в цементный камень до того, как она начнет свое разрушающее действие.
С увеличением плотности цементного камня уменьшается проникание агрессивнои среды.

Вторым условием может быть меньшее содержание в цементном камне веществ, с которыми реагирует агрессивная жидкая среда. Поэтому, например, при сульфатной коррозии выбирают цемент, содержащий по возможности минимальное количество С3А.

Значение В/Ц, при котором обеспечивается стойкость цементного камня к агрессии, зависит от концентрации агрессивных веществ (степень агрессивности воды) и колеблется максимально между 0,45 и 0,65 (см. с. 76).

Водонепроницаемость и морозостойкость бетона снижаются с повышена: ем ВЩ, поэтому необходимо учитывать верхние пределы В/Ц.

Цементный камень сопротивляется химически агрессивной о/сидкой среде тогда, когда он обладает достаточной плотностью вследствие низкого значения В/Ц и содержит минимальное количество того соединения, с которым реагирует агрессивное вещество.

Усадка и ползучесть. Под усадкой понимают изменение объема, вызванное высыханием, а под ползучестью — изменение формы цементного камня, вызванное внешними силами.

И эти свойства цементного камня объясняются его строением.

Усадка. Рис. 30 возвращает вас на урок физики в среднюю школу. В сосуде с водой стоят открытые снизу трубочки различного диаметра. Вода в них поднимается на разную высоту. Для рассматриваемого случая важно подчеркнуть, что здесь действует сила, поддерживающая воду в таком положении. Ее называют капиллярной силой. Она тем больше, чем тоньше капилляры. Этот пример, хотя и в сильно искаженном виде, можно отнести к цементному камню. В результате сухого хранения цементного камня вода уходит из пор, и сила, которая задерживала воду, теперь действует в обратном направлении, — она создает в цементном камне ., напряжение, вызывающее уменьшение объема.

Для практических целей в строительстве мы измеряем усадку по степени изменения длины (укорочение призмы).

Наблюдаемое внутреннее напряжение тем больше, чем меньше поры, из которых ушла вода. Но поскольку при малых порах, т. е. большой концентрации гелевидных составляющих, наблюдается высокая прочность цементного камня, то сопротивление изменению формы будет также велико. Следовательно, не обязательно будет наблюдаться большая усадка. Таким образом, мы видим, что взаимоотношения весьма сложны. На рис. 31 сделана попытка представить эту связь наглядно. Гелевые частицы, изображенные в виде шаров, в насыщенном водой состоянии окружены прочно удерживающейся водной оболочкой. Первоначально удаляется вода, находящаяся в пустотах, и только позже — вода оболочек.

Высыхание сравнительно большого количества воды пустот в цементном’ камне с различным В/Ц первоначально не вызывает существенного различия в усадке. Окруженные водной оболочкой гелевые составляющие несколько сближаются, но, в сущности, остаются в том же положении. Поэтому после 28. сут твердения размер усадки при различных значениях В/Ц, несмотря на сильно различающуюся потерю воды, все же почти одинаков.

Рис. 31. Схематическое изображение усадки

Только после высыхания водных пленок наступает при высоких В/Ц более сильная усадка, так как менее плотно расположенные гелевые частички могут сильно уплотняться, что при низком В/Ц из-за исходной высокой плотности уже невозможно. Поэтому при более длительном хранении цементного камня с более высоким В/Ц обнаруживается значи тельная усадка.

Это схематическое объяснение подтверждается результатами измерения усадки у цементного камня с различным В/Ц на рис. 32. На усадку, кроме того, влияют:
-минеральный состав цемента (высокое содержание C3S приводит к малой усадке, а высокое содержание С3А к более сильной): – тонина помола цемента (тонкомолотый цемент даст более сильную усадку, чем грубомолотый); – карбонатизация, (превращение Са(ОН)г цементного камня в результате соединения с СС>2 воздуха в СаСОз); – внешние климатические воздействия (чем суше и теплее климат, тем больше усадка).

Важно знать, что усадка может снизиться при попадании влаги в цементный камень. Первоначальный объем цементного камня, однако, при этом набухании не достигается. Размеры усадки выражают как относительное изменение длины в мм/м или в . Максимальное значение ее для цементного камня равно примерно 4 мм/м или 0,4.

Рис. 32. Усадка цементного камня в зависимости от потери воды и возраста при В/Ц, равном 0,26; 0,45; 0,55; 0,65

Ползучесть. Намного легче объясняется ползучесть цементного камня, так как здесь существует однозначная связь. Соответственно цементный камень деформируется тем меньше, чем выше концентрация гелевых новообразований, т. е. чем он прочнее. Естественно, мера ползучести зависит и от прилагаемого извне усилия. При этом играют роль те же факторы, с которыми мы встречались при рассмотрении прочности цементного камня.

Усадка и ползучесть зависят от множества факторов, например от вида цемента, значения ВЩ, климата и действующих сил, влияние которых может быть противоположным. Поскольку здесь мы касаемся специальных проблем, то неясные практические вопросы следует разрешать экспериментально в лабораторных условиях.

Тепловыделение твердеющего цементного камня. Известно, что в результате гидратации выделяется тепло, количество которого зависит от характеристики минералов клинкера. Вследствие этого неизбежного явления твердеющий цемент и изготовленный из него бетон нагреваются. Повышение температуры тем значительнее, чем крупнее бетонное изделие. В этом может убедиться каждый строитель при распалубке массивных фундаментных блоков. Тепловыделение может быть желательным, когда бетонирование ведется при низких температурах (зимнее строительство). Большей же частью оно нежелательно, так как вызывает в твердеющем бетоне температурные напряжения, ведущие к разрывам. В зависимости от области применения можно в определенных границах регулировать тепловыделение направленным подбором минерального состава клинкера. Для предупреждения разрывов на стройке обычно принимают специальные конструктивные и технологические решения, на которых в данной книге мы не имеем возможности останавливаться.





Похожие статьи:
Ремонт и восстановление бетонных изделий

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Бетонная смесь

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум