Цементный камень является минеральным клеем, скрепляющим зерна заполнителя в единый монолит. Для достижения требуемой прочности бетона он сам должен обладать достаточной собственной прочностью и хорошо сцепляться с зернами заполнителя. Этот элемент, кроме того, обладает наибольшей химической активностью, наиболее легко подвергается опасности разрушения в результате химического воздействия агрессивной окружающей среды, температурно-влажностных воздействий.
Глава 2. Железобетонные опоры
Цементный камень образуется в результате твердения цемента при замешивании его с водой. Направление процессов твердения и конечный состав цементного камня определяются минералогическим составом цементного клинкера, видом и количеством добавок к нему. В настоящее время наиболее распространенным и наиболее используемым для производства цементов является портландцементный клинкер, из которого в результате помола приготавливается портландцемент. Последний является основным видом цемента, идущим на изготовление бетона для железобетонных опор контактной сети всех типов.
В свете современных представлений клинкер портландцемента состоит из сложной системы минералов-силикатов кальция, алюминатов кальция, алюмоферритов кальция, находящихся в клинкере в кристаллической форме, и стекловидной фазы, включающей твердые растворы различных материалов. Доминирующими в составе клинкера, по имеющимся данным [2], являются следующие минералы: трехкальциевый силикат, называемый алитом (химическая формула 3СаОSiO2 —С3S), двухкальцисвый силикат, называемый белитом (химическая формула 2СаОSiO2 — С2S), трехкальциевый алюминат (ЗСаО*А2O3 — С3А), четырехкальциевый алюмоферрит (4СаО*Аl2O3Fе2O3—С4АlF). Силикаты кальция в цементном клинкере составляют 75 — 80% веса клинкера, а алюминат и алюмоферрит — в сумме 20 — 25%. Кроме того, в клинкере содержатся также различные минералы. В решетке трехкальциевого силиката присутствуют атомы алюминия и магния, а в составе двухкальциевого силиката имеются атомы калия. Из приведенных минералов наибольшее значение в формировании свойств цементного камня и, соответственно, бетона играют силикаты кальция. Содержание алюмината в цементе нежелательно. Его роль в обеспечении прочности цементного камня незначительна, за исключением прочности в раннем возрасте. В то же время при воздействии сульфатов на цементный камень расширение, обусловленное образованием гидросульфоалюмината кальция из трехкальциевого алюмината, может привести к разрушению цементного камня. Вследствие этого содержание трехкальциевого алюмината в портландцементе, идущем на изготовление опор контактной сети, ограничивается величиной 8%. Однако трехкальциевый алюминат необходим при обжиге цементного клинкера. Он действует как плавень, понижая температуру обжига, что содействует соединению окиси кальция и кремнезема при более низких температурах. Поэтому этот минерал необходим в процессе производства цемента. В этой же роли выступает и четырехкальциевый алюмоферрит.
При соединении цемента с водой проходят процессы гидролиза и гидратации перечисленных минералов цементного клинкера, и в результате образуются сложные гидратированные соединения. Установлено, что основными продуктами гидратации портландцемента являются ги-
Глава 2. Железобетонные опоры
дросиликаты, гидроокись кальция, гидроалюминаты и гидросульфоалюминаты. Наиболее важным продуктом гидратации являются кальциевые гидросиликаты, образующиеся в результате действия воды на трехкальциевый и двухкальциевый силикаты кальция. Эти гидросиликаты оказывают наибольшее влияние на механические свойства, проницаемость и морозостойкость цементного камня. Гидроокись кальция (известь) выделяется в значительном количестве при взаимодействии с водой кальциевых силикатов и оказывает существенное влияние на интенсивность гидратации этих силикатов и на прочность цементного камня. Кроме того, гидроокись кальция создает щелочную среду в цементном камне, обеспечивающую пассивацию стальной арматуры. Это новообразование реагирует с углекислотой воздуха, в результате чего образуются вторичные новообразования в виде карбонатов, увеличивающих прочность цементного камня. Известь является хорошо растворимым веществом и при фильтрации воды через бетон выносится из цементного камня, уменьшая его прочность.
Гидроалюминаты и гидросульфоалюминаты оказывают неоднозначное влияние на свойства цементного камня. Считается, например, что гидроалюминат на начальной стадии твердения цемента несколько увеличивает прочность цементного камня, но в более позднем возрасте оказывает противоположное действие. В отношении гидросульфато-алюминатов также существует мнение, что это новообразование замедляет процесс гидратации.
Свойства и прочность цементного камня зависят от количества и качества новообразований и пористости. Количество этих новообразований прямо пропорционально степени гидратации цемента, численно равной отношению массы прореагировавших с водой минералов к общей массе цемента. Понятие степени гидратации свидетельствует о том, что в процессе гидратации и твердения цемента в реакцию образования новых соединений вступает не все количество минералов. Это объясняется особенностями процесса гидратации и твердения цемента. Они заключаются в том, что цемент состоит из множества мелких частиц и образование соединений начинается с поверхности частиц после их смачивания. Образующиеся на поверхности цемента частицы постепенно перекрывают доступ влаги к непрореагировавшему остатку частиц цемента, и гидратация цемента прекращается. Это значит, что в цементном камне сохраняется определенная часть негидратированного цемента, играющею значительную роль в дальнейшем нарастании прочности цементного камня и возможности «самозалечивания» цементного камня при образовании в нем трещин.
Полная гидратация цемента в нормальных условиях твердения невозможна при водоцементных отношениях (В/Ц) менее 0,5, что характерно, в частности, для опор контактной сети. Для бетонов последних
Глава 2. Железобетонные опоры
водоцементное отношение находится в пределах 0,4—0,45, и, следовательно, полная гидратация цемента в них не произойдет. Теоретически максимальная степень гидратации приблизительно равна двум водоце-ментным отношениям (например, в цементном камне, изготовленном сВ/Ц = 0,4,амакс = 0,8).
Степень гидратации цемента имеет большое технико-экономическое значение. При увеличении степени гидратации цемента возрастает объем новообразований, увеличивается прочность цементного камня, уменьшается пористость и улучшается его качество, при этом повышается долговечность бетона. Однако полная гидратация цемента нецелесообразна, так как в этом случае исчезает возможность самозалечивания трещин в цементном камне и снижается долговечность бетона.
Пористость цементного камня является следствием применения для твердения цемента избыточного количества влаги и неполной гидратации зерен цемента. По современным воззрениям [3], в затвердевшем цементном камне образуются две группы пор. Это, прежде всего, поры геля, под которыми понимаются продукты различных гидратных новообразований. Поры геля сохраняют внутренние пространства между гелевыми частицами и могут содержать большое количество испаряющейся воды. Эти поры имеют размер 15 —20 А в диаметре, что лишь на один порядок больше размера молекул воды. Поэтому давление водяного пара и подвижность адсорбированной на стенках пор воды отличаются от соответствующих свойств свободной воды. Количество испаряемой воды свидетельствует непосредственно о пористости геля.
Поры геля занимают объем, составляющий около 28% общего объема геля. Фактическое значение пористости геля является характерным показателем для используемого вида цемента и не зависит от водоцементного отношения смеси и степени гидратации цемента. Следовательно, на всех стадиях гидратации образуется гель со сходными свойствами, и продолжающаяся гидратация не влияет на уже образовавшиеся продукты. При увеличении общего объема геля с развитием гидратации увеличивается также и объем его пор. Однако такое представление о формировании пористости геля является несколько упрощенным. Можно предположить, что строение цементного геля, в частности размеры гелевых пор и их строение, определяется и условиями гидратации цемента. Очевидно, что цементный гель, образовавшийся на начальной стадии формирования структуры (до появления на цементных зернах экранирующих оболочек), имеет большую пористость и иное строение порового пространства, чем цементный гель, образовавшийся на более поздних стадиях гидратации цемента.
Поры цементного геля, присутствуя в его структуре, оказывают влияние на прочность. При этом следует отметить, что характер этого вли-
Глава 2. Железобетонные опоры
яния, как в целом и природа прочности геля, полностью не раскрыт. Можно предполагать, что прежде всего эти поры оказывают влияние на интенсивность притяжения между твердыми поверхностями частиц геля. Это притяжение называется вандер-ваальсовыми силами и с уменьшением размера пор возрастает, способствуя получению высокой прочности цементного камня.
Вторую группу пор в цементном камне составляют капиллярные поры. Объем капиллярной пористости цементного камня зависит как от нодоцементного отношения, так и от степени гидратации. Скорость твердения цемента не оказывает влияния на объем капиллярной пористости, но вид цемента влияет на степень гидратации, достигаемую в определенном возрасте.
Капиллярные поры цементного камня имеют размер порядка 12-10-5см, они различаются по форме и в цементном камне образуют систему, беспорядочно распределенную по его объему. Эти взаимосвязанные капиллярные поры в основном и определяют проницаемость и морозостойкость затвердевшего цементного камня. В отношении прочности принято считать, что она определяется общей пористостью цементного камня. Нужно отметить, что в условиях продолжающейся гидратации цемента капиллярная пористость цементного камня уменьшается с течением времени (с увеличением возраста цементного камня). Образующийся в процессе твердения объем цементного геля с порами в 2,2 раза больше объема негидратированного цемента, а поэтому продукты гидратации цемента занимают и часть пространства, занятого водой чатворения, или часть объема капиллярных пор.