Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

Кафедра технології будівельних конструкцій, виробів і матеріалів

Науково-дослідницька робота

на тему :

«Розробка енергозберігаючого способу прискорення твердіння бетону у початковий період»

Студенти групи 501-БТ

Сошина О.О.,

Пільнікова С.Л.

Науковий керівник

к.т.н., доцент Недуєв Ю.М.

Полтава 2012

ПЛАН

РОЗДІЛ 1 ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

1.1 Гідратація клінкерних мінералів і портландцементу

1.2 Твердіння бетону – складний фізико-хімічний процес

1.3 Методи управління структуроутворенням в’яжучих речовин

1.4 Класифікація добавок для бетону

1.5 Процеси структуроутворення у присутності комплексних добавок

1.6 Вплив центрів кристалізації на процеси твердіння цементу

1.7 Висновки літературного огляду

РОЗДІЛ 2 МЕТА РОБОТИ

РОЗДІЛ 3 МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕННЯ

3.1 Планування експерименту

3.2 Приготування розчинів добавок

3.3 Розрахунок кількості хімічних добавок і води

3.4 Розрахунок компонентів бетонної суміші

3.5 Приготування формувальної суміші

3.6 Формування зразків

3.7 Вібрування зразків

3.8 Повторне вібрування зразків

3.9 Розопалублення зразків

РОЗДІЛ 4 ХАРАКТЕРИСТИКА ВИХІДНИХ МАТЕРІАЛІВ

4.1 Портландцемент

4.2 Пісок кварцовий

4.3 Щебінь

4.4 Вода

4.5 Хімічні добавки

РОЗДІЛ 5 ПОЯСНЕННЯ ЕКСПЕРИМЕНТІВ ТА РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕНЬ

5.1 Хід роботи

5.2 Визначення міцності зразків на стиск

5.3 Вплив змінних факторів експерименту на міцність бетону в одно добовому віці

5.4 Вплив змінних факторів експерименту на міцність бетону в 2-х добовому віці

5.5 Вплив змінних факторів експерименту на міцність бетону в7^ми добовому віці

5.6 Вплив змінних факторів експерименту на міцність бетону в 28^ми добовому віці

5.7 Середні значення міцності

5.8 Визначення температури твердіння бетонної суміші при екзотермічних процесах

ЛІТЕРАТУРА

ВСТУП

Бетон – це штучний кам’яний матеріал, отриманий у результаті твердіння раціонально підібраної суміші в’яжучих, заповнювачів та води.

Багаторічний досвід застосування бетону у всіх областях будівництва показує, що головною умовою його ефективності і надійності є відповідність якісних показників матеріалу особливостям роботи в конструкціях та спорудах. Всебічне урахування цих особливостей необхідне при призначенні проектних вимог і проектуванні оптимальних складів бетону, що забезпечують комплекс його необхідних властивостей – багатопараметричному проектуванні складів бетону. Незважаючи на те, що проблемі визначення оптимальних складів приділялася велика увага протягом усього розвитку науки про бетон, вона відноситься до числа найбільш актуальних проблем бетонознавства і в даний час.

Головною складовою бетону, що переважним чином визначає його властивості, є в’яжучі речовини, за видом яких розрізняють бетони: цементні, силікатні, гіпсові, шлаколужні, полімербетони, полімерцементні бетони.

Найбільш поширені в будівельній практиці цементні бетони, наділені комплексом цінних технічних властивостей, – здатністю тверднути й нарощувати міцність як на повітрі, так і у воді, стійкістю до багатьох агресивних впливів, придатністю до виготовлення різноманітних за формою і призначенням конструкцій та споруд [1].

Для надання певних властивостей бетону й бетонної суміші до їх складу вводять різні хімічні добавки, які прискорюють або уповільнюють тужавіння бетонної суміші, роблять її більш пластичною та такою, що зручно і повністю заповнює форму, прискорюють твердіння бетону, підвищують його міцність та морозостійкість, а також за необхідності змінюють у потрібному напрямку інші його властивості [2].

До бетону пред’являється ряд вимог, виконати які найчастіше неможливо без використання так званих модифікаторів і пластифікаторів, тобто хімічних добавок, що дозволяють додати бетонній суміші властивості, що забезпечують вимоги як проектувальників, так виконавців робіт.

В технології бетону спостерігається тенденція до розробки і використання комплексних добавок в бетон, які відрізняються поліфункціональністю своєї дії. Вони впливають одночасно на декілька характеристик бетону: термін тужавіння, рухливість, темпи росту міцності, тепловиділення, корозійну стійкість та ін.

Застосування багатьох добавок не обмежується тільки бетонами, їх з успіхом можна застосовувати й для поліпшення характеристик цементно-піщаних розчинів.

Ідеал будівельників – бетонні суміші, які мають високу рухливість, уповільнене тужавіння й швидкий набір міцності, універсальність застосування, одержання конструкцій, які не потребують значних витрат на гідроізоляційні роботи. При цьому не слід забувати, що основним завданням є забезпечення необхідної міцності й довговічності бетонної конструкції, тобто можливістю тривалий час протистояти механічним навантаженням, хімічних і фізичних дій навколишнього середовища. Тому застосування добавок в сучасному будівництві не тільки рекомендується, але й просто життєво необхідно.

Очевидно, що використання модифікаторів бетону вигідно як технологічно, так економічно. Застосування добавок дозволяє знизити енерговитрати на укладання бетону, зменшити витрату цементу, зберегти високу рухливість суміші, збільшити довговічність конструкцій, домогтися відмінних показників ранньої та кінцевої міцності бетону.

1. Твердіння бетону – складний фізико-хімічний процес

Гідратація клінкерних мінералів і портландцементу. В основі цементуючої речовини портландцементу лежать гідратовані з’єднання вихідних матеріалів. Однак гідратованих з’єднань значно більше, ніж тих, що забезпечують твердіння неорганічним матеріалам [4].

Портландцемент включає, з одного боку C₃S, C₃A, C₂S, C₄AF і CaSO₄·2H₂O, з іншого – кристалічну й скловидну фазу. При помелі в цемент вводять мінеральні добавки, а сам клінкер вміщує різні домішки. Тому процеси твердіння досить складні.

Внаслідок змішування цементу з водою відбувається його гідратація, яка призводить до тужавлення та твердіння цементного тіста з утворенням штучного (цементного) каменю.

Тужавлення портландцементного тіста – це втрата його пластичності без значного розвитку міцності штучного каменю, що утворюється.

Твердіння обумовлене комплексом хімічних, фізико-хімічних та фізичних процесів, які мають місце при взаємодії клінкерних мінералів з водою, і пов’язані із структуроутворенням та нарощуванням міцності штучного каменю у часі.

При взаємодії цементу з водою слід розрізняти первинні й вторинні реакції. Первинні хімічні процеси – це взаємодія вихідних клінкерних мінералів з водою, вторинні – хімічні реакції гідратованих новоутворень один із одним, з гіпсом, неорганічними солями тощо.

На сьогодні отримані фундаментальні дані щодо механізму твердіння цементу. На їхній основі розроблені й використовуються в технології отримання бетону методи, які дозволяють впливати на процес твердіння цементу й властивості бетону.

Гідратація С₃S. Трикальцієвий силікат – найважливіший компо­нент портландцементного клінкеру, з ним пов’язана більшість техніч­них властивостей затверділого це­ментного каменю, тому вивченню процесів його гідратації присвячено дуже багато літератури. Однак, не дивлячись на різноманітність мето­дів дослідження.

Аліт піддається гідратації з утворенням гідросилікатів кальцію та портландиту:

2(3СaO · SiO₂) + 6H₂O = 3СaO · 2SiO₂ · 3H₂O + 3Ca(OH)₂.

На гідратацію C₃S, як і інших клінкерних мінералів, впливає температура (із зміною темпера­тури змінюється ступінь гідратації), розмір кристалів, а в деяких ви­падках і склад новоутворень. Так, при нормальному В/Т ступінь гід­ратації C₃S через 12 год при 5ºС становить 0, при 20ºС – 30%, при 50ºС – 60%.

На швидкість гідратації С₃S впливають електроліти та органічні добавки. Значно прискорюють гідратацію хлориди, броміди, сульфати, нітрати, хромати лужних і лужноземельних металів. Сповільнюють гід­ратацію Са(ОН)₂, а також фториди, фосфати й солі, катіони яких утво­рюють нерозчинні гідроксиди. Більшість органічних добавок сповіль­нює гідратацію. Прискорення гідратації при наявності домішок пояс­нюється зменшенням тривалості індукційного періоду через інтенсивніший процес утворення зародків, сповільнення гідратації викликається гальмуванням процесу утворення зародків. Введення затравок прискорює гідратацію, але не впливає на міцність C₃S.

Гідратація C₂S. Двокальцієвий силікат міститься у клінкері в мета­стабільній β-формі, стабілізованій добавками. Порівняно з C₂S швид­кість гідратації β-C₂S невелика.

Беліт гідратується з утворенням таких самих продуктів як і аліт, але в іншому співвідношенні:

2(2СaO · SiO₂) + 4H₂O = 3СaO · 2SiO₂ · 3H₂O + Ca(OH)₂.

Під час гідратації C₂S в інтервалі температур 80-120ºС утворюють- ся такі самі продукти, що й при кімнатній температурі, в інтервалі 120-180ºС – C₂SH₂, що виникає спочатку і перетворюється на C₂SH (А), який при тривалій витримці або підвищенні температури переходить у C₂SH (С).

Гідратація алюмінатів. Гідравлічна активність алюмінатів кальцію зумовлена тим, що іони А1³⁺ у них перебувають у нестійкій для них четверній координації. Можливість утворення гідроксильних груп у алюмінатів і алюмоферитів виражена більше, ніж у силікатів, що по­в’язано з нижчою міцністю зв’язків у тетраедрах [АlO₄]^5- порівняно з тетраедрами [SiO₄]^4-.

Трикальцієвий алюмінат гідратується з утворенням гідроалюмінату кальцію:

3СaO · Al₂O₃ + 6H₂O = 3СaO · Al₂O₃ · 6H₂O.

В разі використання гіпсу (як добавки) при гідратації алюмінату кальцію також можливе утворення етрингіту:

3СaO · Al₂O₃ + 3(CaSO₄ · 2H₂O) + 26H₂O =

3СaO · Al₂O₃ · 3CaSO₄ · 32H₂O.

Гідратація цементу. Після замішування цементу з водою спочатку утворюється рихла коагуляційна структура, що володіє тиксотропністю. Під час перемішування тіста контакти, що виникають між гідратними новоутвореннями колоїдних фракцій цементу, руйнуються й тісто зберігає рухливість.

Чим довше триває гідратація, тим більше стає гідратних новоутворень й вище щільність структури. Час, протягом якого утворюється безперервно ущільнююча коагуляційна структура, є періодом тужавіння, тобто формуванням структури. Тужавіння цементу слід розглядати як первинну стадію загального процесу твердіння [5].

Реакції гідратації розпочинаються відразу ж після замішування цементу з водою. Вже через кілька хвилин розчин, що заповнює прос­тір між зернами цементу, стає перенасиченим відносно сульфату й гідро­ксиду кальцію, що виділяються під час гідролізу аліту. Висока концен­трація іонів кальцію та сульфат-іонів утримується в тісті протягом пев­ного часу, що залежить від вмісту в цементі лугів: чим більше в цементі лугів і чим раніше вони починають розчинятися, тим скоріше зменшу­ється перенасичення розчину відносно іонів кальцію.

Крім іонів кальцію й сульфат-іонів у поровому просторі міститься також деяка кількість іонів алюмінію, заліза та кремнію. Концентрація окремих іонів у по­ровому просторі не залишається сталою, а змінюється із збільшенням ступеня гідратації цементного тіста.

Оскільки основним мінералом портландцементного клінкеру є аліт, то в процесі гідратації цементу, як і при гідратації аліту можна виділити доіндукційний, індукційний та постіндукційний періоди, які виявляються менш чітко, ніж під час гідратації аліту [6].

Період кристалізації, під час якої концентрація іонного розчину не змінюється, називається індукційними (латентним або прихованим). Тривалість періоду індукції можливо змінити фізичним впливом на розчин, наприклад шляхом механічних (вібраційних) коливань, інтенсивного перемішування, а також використання різноманітних силових полів та випромінювання. Ряд дослідів показав, що фізичний вплив на іонні розчини сприяють виникненню центрів кристалізації, і залежно від ступеню насичення інтенсивність такого впливу має бути різною. Цей процес суттєво залежить також від концентрації розчину, наявності в ньому домішків та інше [7].

На гідратацію як цементу, так і окремих мінералів, великий вплив чинить температура навколишнього середовища. При низьких темпера­турах вона різко гальмується, а при температурах, нижчих за -10ºС,– припиняється. Механізм гідратації практично не змінюєть­ся, але значно тривалішим стає індукційний період. При температурах вищих за нормальну, гідратація значно прискорюється, причому гідра­тація C₂S прискорюється більшою мірою, ніж C₃S.

Для регулювання будівельно-технічних властивостей цементу широко приймаються різні добавки. Добавками служать речовини, що належать до різних класів хімічних сполук : це активні мінеральні речовини, електроліти(переважно солі), органічні сполуки.

У основу класифікації добавок В.Б. Ратиновим покладений механізм їх дії на процеси гідратаційного тверднення[1], відповідно до якого добавки розділені на чотири класи: добавки, що змінюють розчинність в’яжучих і не вступають з ними в хімічну взаємодію; добавки, що реагують з в’яжучими матеріалами з утворенням важкорозчинних або мало диссоційованих сполук; добавки - готові центру кристалізації; добавки - поверхнево-активні речовини(ПАР), що адсорбуються на зернах вяжучих і гідратах новоутворень[2].

До якого б класу не належала добавка, вона обов'язково змінює склад рідкої фази і кінетику кристалізації новоутворень. В результаті формування структури тверднення відбувається в інших умовах.

Введення солей у воду замішування завжди змінює pH рідкої фази хлориди кальцію і натрію сульфат натрію знижують pH, а сульфат і карбонат калію - підвищують.

Хлорид кальцію. Введення хлориду кальцію істотно змінює склад рідкої фази. При введенні хлориду кальцію в наслідок зміни значення пересичення рідкої фази відносно гідросульфоалюмінату кальцію(ГСАК) прискорюється кристалізація його на ранніх стадіях. Хлорид кальцію також вступає у взаємодію з алюмінатною алюмоферритною складовою клінкера. В перші години разом з ГСАК утворюється гідрохлоралюмінат кальцію.

Введення хлориду кальцію істотно змінює склад рідкої фази. Окрім появи іонів хлору, в ній значно підвищується концентрація іонів кальцію і спостерігається інтенсивніший вступ іонів лужних металів. Оскільки хлорид кальцію знижує розчинність гіпсу, концентрація сульфатів стає нижче. Введення хлориду кальцію знижує pH рідкої фази. В процесі гідратації pH рідкої фази зростає, проте значення його в системах з добавкою хлориду кальцію завжди нижче, ніж в системі без CaCl .

В процесі гідратації іонна сила рідкої фази змінюється в цементі без добавок досягає максимального значення приблизно через 1 годину з моменту замішування. Аналогічна залежність зберігається і при введенні хлориду кальцію.

Збільшення іонної сили і зниження рН рідкої фази при введенні хлориду кальцію прискорює гідратацію силікатної складової клінкеру.

Інтенсивний вплив CaCl на силікати кальцію, що відзначається вже на ранніх стадіях, проявляється не лише в підвищенні їх розчинності, а отже, і в прискоренні гідратації, але і в зміні морфології і міри полімеризації гідросилікатів. У присутності CaCl утворюються добре закристалізовані гідросилікати з виразно вираженими контурами. Можливо також включення хлор-іонів в кристалічну решітку гідросилікатів.

При введенні хлориду кальцію утворюються гідросилікати з низьким молярним співвідношенням CaO:SiO , що призводять до утворення структур з підвищеною мірою полімеризації, що володіють більш високою механічною міцністю. Хлорид кальцію вносить зміни у формуванні структур тверднення в цементному тісті, прискорює процес кристалізаційного тверднення, інтенсивніше відбувається розчинення силікатів і кристалізація новоутворень гідратів; в результаті кристалізації гідрохлоралюміната і гідроалюмоферритів кальцію виникають додаткові елементи структури. Кристалізація останніх може бути в окремих випадках причиною скидання міцності.

Сульфат натрію. Введення сульфату натрію також змінює склад рідкої фази за рахунок збільшення іонної сили розчину на ранніх стадіях інтенсифікується процес гідратації силікатної складової клінеру. В результаті зміни складу рідкої фази міняється кінетика кристалізації ГСАК.

При замішуванні цементу розчинами сульфату натрію висока концентрація сульфатів при одночасному зниженні вмісту вапна в рідкій фазі сприяє утворенню великих кількостей гідросульфоалюмінатів кальцію у більше ранні терміни. Кристалізація його відбувається при невисокій концентрації Ca(OH) і кристали первинного еттрингіта, що виділяється не занадто дрібні і не мають підвищеної розчинності. Деструктивні процеси за рахунок розчинення первинного еттрингіта не спостерігаються. За рахунок кристалізації великих кількостей ГСАК в ранні терміни при введенні сульфату натрію прискорюється утворення кристалізаційного каркаса і скорочується тривалість індукційного періоду.

Дія карбонату калію на процес гідратації цементу аналогічний дії інших солей; т.е впливає на силікатну складову клінкеру. В наслідок збільшення концентрації іонів гідроксильних груп і іонної сили рідкої фази підвищується розчинність силікатів кальцію інтенсифікується виділення гідросилікатів кальцію. При замішуванні цементу 1,45н розчином K CO (така концентрація розчину при В/Ц =0,5 відповідає введенню 5% солі від маси цементу) іонна сила рідкої фази збільшується в 7,5 раз. В ході гідратації вона не лише не знижується, як в цементі з водою, а росте. Це обумовлено підвищенням лужності і концентрації іонів лужних металів.

При введенні карбонату калію змінюються умови кристалізації гідросульфоалюміната кальцію. При гідратації цементу без добавки основна маса ГСАК утворюється в інтервалі між 6 і 8 годин, про що свідчить одночасне різке падіння концентрації кальцію і сульфатів в рідкій фазі, а в результаті значного підвищення лужності середовища росте і рівноважна розчинність гідросульфоалюміната кальцію; тому його кристалізація відбувається в умовах менших пересичень. При великих дозуваннях карбонату калію(5 і 15 %%) коли внаслідок високої лужності середовища первинний еттрингіт не утворює щільних важко проникаючих плівок на клінкерних зернах, гіпсі втрачає здатність уповільнювати процес тужавіння. Введення сульфатів калію і алюмінію інтенсифікує гідратаційне тверднення цементних паст. Що виділяється при невисоких перенасиченнях первинний эттрингіт не перешкоджає кристалізації наступних порцій эттрингіта.

Із зростанням температура і концентрація Ca(OH) в рідкій фазі основність гідросилікатів кальцію має поточну до деякого підвищення. Проте усі гідросилікати є сімейством тоберморітових (чи тоберморітоподібних) фаз.

Є точка зору, згідно якої існування гідросилікатів кальцію змінної основності обумовлене утворенням тісних сумішей з C S H I і C S H II.

Нарешті є вказівки, що основність гідросилікатів кальцію зменшується в процесі гідратації C S і C S, очевидно, внаслідок зміни концентрації гідроксиду кальцію в рідкій фазі.

Частинки Ca(OH) , що виникають при гідратації βC S і особливо C S не впливають скільки-небудь істотно на механічні показники цементного каменю. Проте наявність гідроксиду кальцію в твердій фазі і ті, що C S при взаємодії з водою утворює розчини сильніше пересичені по відношенню до Ca(OH) великою мірою визначає рН середовища і відповідно стійкість з'єднань гідратів, у відомій мірі - їх основність, а рівно і основності подвійних солей, що кристалізуючихться у присутності ряду добавок.

Встановлено, що за рівних умов утримання в клінкері до 1,3%% по масі сульфату значно збільшує початкову міцність цементу, але слабо впливає на його кінцеву міцність. Це обумовлено тим, що сульфат прискорює гідратацію трьохкальцієвого силікату, проте при цьому виникає менш щільна структура затверділого цементного каменю.

Основна маса сульфату введеного у вигляді сульфату CaSO кальцію при помелі, утворює кірку еттрингіта на поверхні часток C A; ця кірка гальмує подальшу взаємодію між C A і водою і, таким чином уповільнює схоплювання. Проте для утворення щільної кірки эттрингіта в течії декількох годин повинна підтримуватися досить висока концентрація сульфату в поровому розчині.

У тому разі коли не підвищується оптимальний вміст сульфату CaSO що вводиться для регулювання тужавіння, збільшує початкову і кінцеву міцність. Очевидно, це збільшення міцності є результатом того, що сульфат - іони прискорюють гідратацію C S. Сульфат включається в гідросилікат кальцію, збільшуючи зміст в нім вапну. Проте у зв'язку з тим, що сульфат спочатку взаємодіє з C A, те зі збільшенням концентрації в цементі зростає і оптимальний зміст CaSO .

Велика кількість детальних досліджень системи CaO-SiO -H O, а також гідратації з добавками або без них за найрізноманітніших умов привела до позначення їх продуктів як C-S-H I з S-H II, тоберморіт G і, нарешті C-S-H. C-S-H I із співвідношенням C/S˃1,5 - в основному волокнистий гідросилікат кальцію. У присутності різних іонів голчасті форми C S H II поступаються місцем шаруватому гідросилікату. [5]

C S H фази можуть включати різні сторонні іони. Було знайдено, що до 1/6 двоокису кремнію може бути заміщено сульфатом, алюмінієм або залізом. При цьому 74%% алюміній, 50%% залоза і 100%% сульфату можуть заміщати SiO , а складені долі алюмінію і заліза можуть заміщати іони кальцію. У C-S-H фази можуть входити луги, оксид магнію і хлорид-іон, що веде до зміни морфології, стосунків C/S; H/S і, врешті-решт до зміни міцності.

Найбільш вражаюче падіння міцності цементного каменю у зразків з найвищим вмістом сульфату рівна 3%%, їх міцність складає 56%% міцності зразків, що не містять сульфатів.

Гідратація β C S може бути прискорена добавками сульфату або хлориду кальцію. NaCl такої дії не чинить. Введення хлоридів або сульфатів помітно зменшує кількість волокнистих гідратів при збільшенні кількості шаруватих гідратів.

Луги пов'язані і вільні повністю розчиняються в поровому розчині відразу ж після введення води зачинення. Отже, знижується концентрація гідроксиду кальцію в поровому розчині і відповідно спочатку легко і швидко утворюється той, що має понижений вміст винищити гідросилікат кальцію C-S-H I, а не багатий вапном гідросилікат C-S-H II. Це виражається у збільшенні міцності в перші терміни. Коли ж на пізніших стадіях гідратації утворюється багатий вапном C-S-H II, швидкість гідратації зменшується. Звідси міцність через 28 діб цементів з підвищеним вмістом лугів вище чим у цементі з пониженим вмістом лугів.

Існує і зворотне судження, що луги знижують кінцеву міцність затверділого цементного тіста, обумовлюючи розвиток його більш грубої і неоднорідної структури.

Процес тужавіння і тверднення. Реакції, що відбуваються при тужавнні цементу, можуть бути представлені в наступному виді. Цементні зерна під дією води утворюють пересичений розчин, з якого виділяється гелевидна маса кристалів. Відому роль, особливо на подальших стадіях гідратації, повинна грати також дифузія молекул води до поверхні або навіть всередину кристалічної решітки з подальшою місцевою реакцією. Якщо серцевина цементного зерна, що не прореагувала, оточена продуктами гідратації, вода може проникнути до неї лише шляхом дифузії через поверхневу плівку. Поки цементне тісто знаходиться в пластичному стані, воно повільно стискається, тому що при гідратації відбувається зменшення об'єму системи цемент + вода. Коли маса стає жорсткою, настає невелике розширення, тому що навколо цементних зерен утворюється маса гелю, внаслідок чого вони розбухають і починають давити на навколишню речовину.

Кількість гелю поступово збільшується, і він проникає в простір між зернами.

Цементний гель, очевидно, утворюється спочатку в нестійкому стані; при цьому волокнисті кристали часток гелю або самі частки займають великий обьем і включають більше води, ніж в сталому виді. Таким чином, гель має постійну тенденцію до усадки і до віддачі деякої кількості води, що міститься в ньому. У воді скільки-небудь помітної усадки гелю не відбувається; очевидно, вона компенсується постійною гідратацією цементу, що ще не гідратувався. При висиханні тужавіючого цементу, в ньому відбувається безповоротна усадка і зменшення вмісту води у міру переходу гелю в стійкішу форму. В цьому випадку розширення при подальшому зволоженні і повторне поглинання води стають оборотними явищами і повторюються під час послідовних циклів зволоження і висихання. При тривалішому зберіганні у вологих умовах може статися подальша повільна зміна у зв'язку із зростанням кристалів.

Ступінь гідратації портландцемента і його міцність. Так, як міцність цементу наростає у міру його гідратації, то повинна існувати деяка залежність між мірою гідратації і міцністю. Проте участь кожного цементного з'єднання в загальному розвитку міцності цементу неоднакова[6],. Наприклад, усі три з'єднання - С₃А, С₂АF і С₃S гідратуються швидко, але основним носієм міцності цементу є все ж С₃S. Двохкальцієвий силікат гідратується повільніше, але безперервно, і приблизно так само впливає на розвиток міцності. Тому заздалегідь передбачити точну залежність між мірою гідратації і міцністю не можна.

Швидкість початкової гідратації C₃S була малою, при додаванні гіпсу швидкість збільшилася на декілька відсотків.

Гідратація C₃S після першого дня прискорилася добавкою гіпсу.

Суміш C₃S (80 частин) і C₃A (20 частин) добавка гіпсу(2%%) по SO₃ прискорила гідратацію С₃S протягом 91 дня, а добавка великої кількості гіпсу діяла тільки у більш ранньому віці.

Міра гідратації під час тужавіння. Міра гідратації C₃A найбільша з 4-х клінкерних мінералів, досягає від 10 до 30% через 3 хв., ферритних фаз від 8 до 20% через 3 хв. Аліт - декілька % через 3 хв і близько 10% через 5 годин. Міра гідратації беліту - нікчемна.

Аліт від 40 до 70% через 1 добу і від 80 до 100% через 28 діб.

Оптимальний вміст гіпсу сприяє досягненню максимальної міцності шляхом прискорення гідратації алітової фази.

Властивості свіжого тіста.

Прихований період. Протягом короткого періоду часу після початку взаємодії між цементом і водою хімічні реакції відбувається порівняно швидш. Потім починається триваліший період слабкої активності, який дістав назву "Період спокою". У течії цього періоду тісто зберігає свою пластичність і триває від 40 до 120 хв при кімнатній температурі.

У течії скратого періоду правильно приготоване тісто є щільною суспензією часток у флокулянтному (пластівчастому) стані.

Висловлювалася думка, що міцність на стискування відноситься до квадрата кількості цементу, що гідратувався, а також що вона прямо пропорційна цій кількості. Ні те, ні інше відношення не дають задовільного пояснення фактам. Пауерс намагався виразити залежність між міцністю, об'ємом гідратації і пористістю у вигляді функції, названої їм відношенням гелю до пор. Це - відношення об'єму гідратованого цементу до суми цього об'єму і об'єму капілярів. Перший пов'язаний з вмістом води, що не випаровується, а другий є обьемом води, використаної для складання суміші, мінус збільшення простору, зайнятого цементом, що гідратувався.

Хороша залежність була знайдена між міцністю портландцементного бетону на стискування і кількістю пов'язаної води в цементі, що схопився. Остання в даному випадку умовно визначалася як вода, що утримується при нагріванні до 110˚, але що втрачається при 550˚, причому вона вимірювалася не у бетоні, а в цементом тісті в ті ж терміни.

Хімічні чинники, що впливають на тужавіння портландцемента. При перших же дослідах практичного застосування портландцемента з'ясувалося, що швидкість його тужавіння неоднакова в різних зразках. Час тужавіння є загалом довільною величиною; це - час, який протікає після змішування цементу з водою до того моменту, коли тісто придбаває здатність витримати певний, умовно прийнятий тиск. Проте це величина може служити для порівняння здатності до тужавіння у різних цементах. У загальному вигляді можна сказати, що чим вище зміст глинозему і окислу заліза в цементі, тим швидше настає початок тужавіння за рахунок швидшого тужавіння цих двох з'єднань. Саме цим і пояснилося швидке тужавіння старого роман-цемента.

У колишній час портландцемент мав повільне тужавіння, що викликалося спільною дією ряду причин. Цей цемент відрізнявся порівняно крупчастим мливом і містив значну кількість вільного вапна, яке має властивість уповільнювати тужавіння. Крім того, в клінкері скупчувалася сірці з палива у вигляді сульфату кальцію, який є хорошим уповільнювачем тужавіння. Клінкер, отриманий в обертових пічах, краще обпалювався і містив менше сульфатів. Найпоширенішою добавкою , що вводиться в млин при помелі клінкеру, являється гіпс.

У свій час в цілях уповільнення тужавіння цементу в млин вводили пару. Цемент поглинав близько 1% води, і після цього досить було додати трохи гіпсу, не більше 1%, щоб уповільнити тужавіння до бажаної міри. Пізніше від цього методи відмовилися.

Терміни тужавіння сучасного портландцемента регулюються шляхом введення визначеного кількість гіпсу в млин при помелі клінкеру. Кількість гіпсу, що додається, повинна відповідати 1-3% SO₃. Стандарти усіх країн обмежують допустимий вміст гіпсу в готовому цементі. Добавка гіпсу у встановленій кількості дозволяє регулювати терміни тужавіння і робить сприятливий вплив на міцність, але присутність його в надмірних кількостях може викликати деяке розширення тужавівшого цементу.

Вплив гіпсу на тужавіння цементу не пропорційно введеній кількості його. Навіть невелике перевищення встановленої величини добавки може викликати значну зміну термінів тужавіння.

Вплив солей на тужавіння цементів. Є і інші солі, окрім сульфату кальцію, які впливають на тужавіння портландцемента. Одні з них уповільнюють тужавіння, інші прискорюють його. Існує група солей, які уповільнюють тужавіння, будучи додані у малій кількості, і прискорюють його, якщо вводяться у великих кількостях. Наявні з цього питання дані часто суперечні. Вплив тих або інших солей часто залежить від складу портландцемента.

Необхідно також розрізняти між впливом солей на тужавіння і їх дією на подальшу гідратацію. Деякі речовини, що викликають безпосереднє швидке ущільнення, можуть завадити подальшому наростанню міцності або значно знизити її. Що наводяться нижче дані відносяться до впливу солей на цементи, що містять в якості уповільнювача тужавіння гіпс; в деяких випадках добавка тих або інших солей робить різний вплив на цемент з гіпсом і без нього.

З числа найбільш важливих добавок слід назвати хлористий кальцій і хлористий натрій, які досить часто застосовуються у будівельній практиці. Їх іноді застосовують для захисту бетону, укладеного в зимовий час, від дії морозу. Добавка хлористого кальцію в дуже малій кількості(менше 1%) іноді призводить до прискорення тужавіння портландцемента, а в значніших кількостях - уповільнює його.

Проте ця дія по-різному позначається на різних цементах. В деяких випадках добавка понад 3% хлористого кальцію викликає миттєве тужавіння. Хлористий натрій менше впливає на тужавіння цементу : в одних випадках він прискорює тужавіння, а в інших - уповільнює.

Лужні карбонати, як і СО₂ значно прискорюють тужавіння і при величині добавки 1-2% скорочують термін початку тужавіння до декількох хвилин. Карбонат амонія менш активний. З іншого боку, бікарбонати часто чинять уповільнюючу дію. Хлористий алюміній і хлористий магній чинять істотну прискорюючу дію на схоплюванні, а хлористий барій і хлористий стронцій дещо прискорюють його. Хлористий амоній, хлористе залізо, хлорне залізо і хлористий кобальт, додані в кількості до 2%, уповільнюють тужавіння, а у великих кількостях - прискорюють його.

Солі сірчаної і азотної кислот, будучи додані в розбавлених розчинах до звичайного цементу з гіпсом, не роблять помітного впливу на тужавіння. Гідроокиси натрію і калію, а також силікат натрію підвищеної концентрації дещо прискорюють тужавіння. Добавка цукру у вигляді 1%-ного розчину майже повністю припиняє тужавіння і тверднення, хоча може викликати безпосереднє швидке ущільнення, що нагадує швидке тужавіння. Добавка цукру у кількості 0,05% від ваги цементу може привести до того, що цемент не матиме ніякої міцності через 1 добу і лише половину нормальної міцності через 3 доби.

Теорія дії уповільнювачів. При змішуванні цементу з водою утворюється розчин, який впродовж 1-2 хв. Насичується гідратом окислу кальцію і сульфатом; іноді навіть відбувається деяке пересичення розчину цими двома компонентами.

Початок тужавіння слід приписати дії алюмінатів, а також трьохкальцієвого силікату, який починає тужавіти через декілька годин. Гідратація різних сполук цементу. Очевидно, повинна відбуватися одночасно, оскільки процес цей починається на поверхні твердої частки і поширюється всередину. Таким чином, велику роль повинна грати відносна реакційна здатність окремих з'єднань.