Наиболее важным свойством на основе портландцемента является прочность.
А.В. Волженским предложена следующая классификация основных факторов, обусловливающих прочностные и деформативные свойства, а также долговечность цементного камня:
1) свойства и содержание (концентрация) по массе и объему вяжущего вещества в единице объема исходной слитной его смеси с водой, обусловливающие начальную пористость системы;
2) содержание (концентрация) по массе и объему негидратированной части вяжущего и гидратных новообразований в объеме твердеющей системы, зависящие от степени гидратации вяжущего и обусловливающие характер и объем его пор;
3) свойства частиц гидратных новообразований, предопределяющие микроструктуру затвердевшей системы;
4) удельная теплота, скорость гидратации и тепловыделения вяжущих веществ;
5) наличие в твердеющей смеси различных добавок (регуляторов скорости твердения, пластифицирующих, гидрофобизирующих и т.п.) [13].
Образовавшийся цементный камень представляет собой микроскопически неоднородную дисперсную систему, образно названную В. Н. Юнгом «микробетоном». Заполняющая часть в нем представлена цементными зернами, еще не вступившими в реакции, а вяжущая — гелеобразными и кристаллическими новообразованиями. От соотношения гелеобразных и кристаллических фаз в цементном камне, обладающих различными физико-химическими свойствами, их дисперсности зависят основные свойства цементного камня:
· деформативность (сначала разрушается матрица, а потом
разрываются кристаллы),
· стойкость при попеременном замораживании и оттаивании,
увлажнении и высушивании и др.
Поэтому путем рационального подбора минерального состава клинкера и условий твердения можно получить структуру цементного камня, удовлетворяющую конкретным эксплуатационным условиям [14].
Чем больше в цементе содержание C3S, тем больше прочность цементного камня, хотя при C3S> 65% не приводит к существенному повышению прочности, т.к. при гидратации алитовой фазы образуется Са(ОН)2, прочность которого на порядок ниже чем прочность ГСК. При полной гидратации C3S образуется около 60% гидросиликатов типа CSH (II) и до 40% Са(ОН)2.
При гидратации C2S образуются те же соединения в количестве 82 и 18% (по массе), соответственно. Эти цифры дают представление о соотношении в затвердевшей массе гелевидной и крупнокристаллической фаз. Необходимо отметить, что частицы, которые составляют гель, также характеризуются кристаллической структурой, однако исключительно высокая дисперсность обусловливает их коллоидные свойства [13].
Цементный гель состоит из частиц гидратных новообразований размером 50-200 Å и более и гелевых пор диаметром от 10-30 до 1000 Å. Объем гелевых пор при твердении цемента в нормальных условиях по Пауэрсу составляет 28% общего объема геля с порами, что составляет 39% объема твердой фазы геля. С увеличением количества геля происходит контракция (зарастание) пор, что хорошо сказывается на прочностных характеристиках и коррозионных свойствах цементного камня [14].
Оптимальное содержание (по прочностным показателям) С3А в цементе составляет 8%. С3А гидратируется в ранние сроки твердения, имеет самое высокое тепловыделение. При повышении температуры С2АН8 и С4АН13-19 (гексагональная модификация) переходят в С3АН6 (кубическая модификация), а прочность гексагональной модификации выше, чем кубической, поэтому при твердении цементного камня может наблюдаться спад прочности.
Скорость химических реакций, протекающих при твердении цемента, а также полнота использования цемента и его прочность увеличиваются при повышении тонкости помола цемента (табл.5) (чем более тонкодисперсный цемент, тем больше Rц.к, однако, существует ограничение по удельной поверхности, т.к. с повышением тонкости помола возрастает В/Ц).
Таблица 5. Классификация размера фракций цемента по обеспечиваемой прочности цементного камня
| Размер фракции цементных частиц, мкм | Обеспечиваемая прочность в сроки |
| 0 - 10 | Ранние сроки (0-7 сут.) |
| 10 - 40 | Марочная прочность (28 сут.) |
| 40 - 90 | 1 – 2 года |
| > 90 | 5 -6 лет |
Для непрерывного повышения прочности цементного камня необходима влажная теплая среда. Твердение практически: прекращается, если цементный камень будет находиться в сухой среде или при отрицательной температуре. Замерзший камень после оттаивания, способен к дальнейшему твердению, но в этом случае не всегда может быть достигнута такая же прочность, как при твердении в нормальных условиях.
Вместе с тем конечная прочность затвердевшего цементного теста, достигаемая при длительной гидратации, в большой степени зависит от его пористости.
В цементном камне обычно присутствуют все виды пор (от ультрамалых до макропор), они, как правило, беспорядочно распределены и имеют различный диаметр и конфигурацию (прямую, червеобразную, сферическую замкнутую и др.). Поры могут соединяться друг с другом, образуя сложные каналы в структуре материала, общая пористость цементного камня может находиться в пределах 8-30%.
Помимо гелевых пор, в цементном камне наблюдаются:
- капиллярные поры размером в поперечнике от 0,1 до 20 мкм (микропоры – до 0,01 мкм, переходные – от 0,01 до 0,2 мкм и макропоры диаметром более 0,2 мкм). С увеличением продолжительности твердения цемента объем капиллярных пор снижается, так как они заполняются новообразованиями. В зависимости от В/Ц и продолжительности твердения объем капиллярных пор может колебаться от 0 до 40% и более;
Пустоты в цементном камне диаметром более 40 мкм не являются капиллярными и заполняются водой под действием гидростатического давления.
- сферические воздушные поры размером от 50-100 мкм до 2 мм, они образуются в небольшом количестве (2-5%) вследствие вовлечения воздуха при изготовлении теста. Такая структура цементного камня обуславливает его высокую водонепроницаемость.
Тонкое капиллярное строение цементного камня и заполнение пор цементным гелем также обеспечивают высокие показатели по водонепроницаемости структуры [14].
Капиллярные поры играют отрицательную роль в структуре камня, т.к. по ним происходит миграция свободной воды, растворов солей и других веществ, вызывающих коррозию цементного камня. Воздушные замкнутые поры в структуре выполняют роль демпферов при процессах расширения в цементном камне, что повышает морозостойкость цементного камня (при замерзании вода увеличивается в объеме примерно на 9%).
Производственные требования часто вызывают необходимость регулировать процесс формирования структуры цементного камня и бетона, ускорять или замедлять его.
Если процесс гидратации замедляется, то вследствие медленного образования продуктов гидратации имеется достаточное пространство для заторможенного роста кристаллов длинноволокнистых ГСК. Следовательно, медленная гидратация цемента способствует образованию такой структуры теста, которая характеризуется большим количеством сцепленных между собой длинных волокон ГСК. При той же степени гидратации и пористости эта структура обладает больше прочностью, чем полученная при быстрой гидратации цемента структура, состоящая из коротких волокон.
Помимо выбора цемента надлежащего минерального состава и тонкости помола ускорение твердения бетона достигают тепловлажностной обработкой (пропариванием, автоклавной обработкой), введением специальных добавок (кристаллические затравки) и их сочетанием.
Попеременное увлажнение и высушивание при эксплуатации цементных систем сопровождается изменяющимися по направлению процессами усадки и набухания. В таких условиях в цементном камне накапливаются остаточные деформации, расшатывающие структуру.
Существует мнение, что усадку цементного камня вызывают силы, адсорбционно удерживающие воду в гелевых порах и освобождающие ее при испарении. Также усадочные деформации цементного камня связывают с его гелевидной составляющей. Причиной усадки цементного камня на конечной стадии высыхания может являться испарение воды из гидросиликатов кальция, которые обладая слоистой структурой, способны отдавать и принимать определенное количество воды, заключенной между слоями решетки, что сопровождается соответствующими изменениями расстояний между слоями. Установлено, что гидросиликаты с соотношением С/S = 0,8-1,0 и Н/S до 2,5-2,8 ступенчато теряют воду при изменении относительной влажности.
На усадку цементного камня влияют многие факторы, в том числе и его минералогический состав. Наибольшей усадкой обладают высокоалюминатные и белитовые цементы, значительно меньше – алитовые, что связано с образованием большого количества крупнокристаллического портландита, уменьшающего усадочные деформации.
При повышении В/Ц усадка цементного камня увеличивается. Рост дисперсности цемента повышает усадку лишь в начальные сроки твердения.
Усадка цементного камня обычно колеблется в пределах 3-5 мм/м, цементных растворов – 0,6-1,4, тяжелых бетонов – 0,3-0,5 мм/м. Основная часть усадочных деформаций приходится на первые 3-4 мес., полная стабилизация наступает через 1-2 года [14].
Список литературы
1. В.А. Перепелицын. Основы технической минералогии и петрографии. – М.: Недра, 1987, 255 с.
2. Quantitative determination of clinker phases and pore structure using image analysis* Kirsten Theisen, Senior Research Chemist F.L.Smidth. World Cement Resarch and Development, August 1997.
3. М.М. Сычев. Закономерности проявления вяжущих свойств // Шестой международный конгресс по химии цемента. – М.: Стройиздат, 1976, С. 42-57.
4. О.П. Мчедлов-Петросян, В.И. Бабушкин. Приложение термодинамики к исследованию цементов. // Новое в химии и технологии цемента. – М.: ГСИ, 1962, С. 187-201.
5. О.П. Мчедлов-Петросян, В.И. Бабушкин. Термодинамика и термохимия цемента. // Шестой международный конгресс по химии цемента. – М.: Стройиздат, 1974, 36 с.
6. У. Людвиг. Исследование механизма гидратации клинкерных минералов. // Шестой международный конгресс по химии цемента. – М.: Стройиздат, 1976, С 104-121.
7. Р.Кондо, М.Даймон. Фазовы состав затвердевшего цементного теста. // Шестой международный конгресс по химии цемента. – М.: Стройиздат, 1974, с. 244-257.
8. Добавки в бетон: Справочное пособие/ В.С. Рачмадран, Р.Ф. Фельдман. Пер. с англ. Т.И. Розенберг, В.Б Ратинов. – М.: Стройиздат, 1988. – 575 с.
9. Глекель Ф.Л., Копп Р.З., Ахмедов К.С. Регулирование гидратационного структурообразования поверхностно-активными веществами. Ташкент: изд-во «Фан», УзССР, 1986. 224 с.
10. Е.Е. Сегалов, П.А. Ребиндер. Возникновение кристаллизационных структур твердения и условия развития их прочности. // Новое в химии и технологии цемента. – М.: ГСИ, 1962, С. 202-213.
11. А.Ф. Полак. Кинетика структурообразования цементного камня. // Шестой международный конгресс по химии цемента. – М.: Стройиздат, 1976, С 64-68.
12. Ю.В. Чеховский, Л.Е. Берлин. О кинетике формирования поровой структуры цементного камня. // Шестой международный конгресс по химии цемента. – М.: Стройиздат, 1976, С. 294-297.
13. А.В. Волженский. Минеральные вяжущие вещества. – М.: Стройиздат, 1979. – 476 с.
14. Теория цемента/ Под ред. А.А. Пащенко. – К.: Будiвельник, 1991. – 168 с.