1.1.11 Структура цементного камня

При гидратации цемента различные фазы клинкера вносят свою лепту в прочность затвердевшего цементного камня (рисунок 1.47). Гидратация силикатных фаз вносит наибольший вклад в прочность, чем больше содержится C₃S, тем быстрее гидратация и тем выше марочная прочность. Цементы с высоким содержанием C₂S гидратируют значительно медленнее. Высокое содержание C₃A способствует быстрому набору прочности в ранние сроки твердения. C₃A и C₄AF мало способствуют прочности цемента в целом.

Рисунок 1.47 - Кинетика нарастания прочности мономинерального

камня во времени

Прочность затвердевших полиминеральных цементов не подчиняется закону аддитивности, поскольку на формирование физической структуры цементного камня помимо минералогического состава цемента оказывают большое влияние много других факторов. Прочность цементного камня однозначно определяется его физической структурой, поэтому его прочностные характеристики функционально связывают или с концентрацией гидратированной твердой фазы, или с пористостью материала. Чем выше степень гидратации - тем выше прочность, чем выше пористость – тем ниже прочность.

При одинаковой степени гидратации близких по типу вяжущих веществ образуется практически равнопрочный цементный камень. Так, по данным Ф. Лоуренса, нарастание прочности при растяжении образцов, приготовленных из теста C₃S и C₂S, при одинаковой степени гидратации в них соответственно C₃S и C₂S было практически идентично.

Другой важный фактор, влияющий на прочность цементного камня, - его пористость. С увеличением общей пористости цементного камня от 10 до 60 % прочность его весьма значительно снижается.

Из всех видов пор наибольшее влияние на пористость оказывают капиллярные, а также поры, содержащие защемленный воздух. С увеличением количества таких пор прочность цементного камня понижается.

Наконец, при одинаковой степени гидратации и пористости прочность цементного камня зависит от характера кристаллизации гидратов в качестве заполнения (кальматации) ими крупных пор.

Наиболее высокая прочность плотного цементного камня достигается при оптимальном сочетании слабозакристаллизованной массы гидратов с плотными, хорошо закристаллизованными ее участками. Слабозакристаллизованная масса выполняет в цементном камне функции связующего (клеящего) вещества, цементирующего негидратированные ядра клинкера и крупные кристаллы гидратов (СН, эттрингит и т.п.). Наиболее сильными связующими свойствами обладает гидросиликатный (тоберморитоподобный) гель.

Таким образом, прочность цементного камня, зависящая от количества гидратов и пористости, изменяется заметным образом и от состава и степени закристаллизованности гидратов. Характер же кристаллизации гидратов изменяется в зависимости от многих факторов: температуры твердения, примесей, дисперсности цемента и т.п.

Характеристика и происхождение различных пор (гелевые поры, капиллярные пустоты, воздушные поры) приведены в таблице 1.23.

Таблица 1.23 - Характеристика и происхождение различных пор в цементном камне, растворах и бетонах

Вид пор	Размеры пор	Описание
"Поры геля"	0,5 nm- 3 nm	Вследствие "внутренней усадки" в процессе гидратации цемента, образуется вода, которая не может быть в химически связанном виде (например, промежуточный слой воды из C-S-H-фазы)
Kaпилляр-ные поры	10 nm -5μм	Пустоты, не могут быть заполнены продуктами гидратации, потому что содержание воды слишком высоко, или в случае преждевременной остановки гидратации, дегидратации или недостаточного выхода продуктов
Воздушные поры	5μм -1 mm	Образуются при добавлении воздухововлекающего агента и в большинстве случаев шарообразны; если образуются не сообщающиеся между собой поры, то происходит повышение морозостойкости
Уплотняю-щиеся поры	1 mm - 5mm	Нерегулярной формы, наполненные водой или воздухом; сформированы из-за недостаточного уплотнения

Рисунок 1.48 иллюстрирует соотношение различных пор в бетоне в зависимости от отношения ж/с (жидкое/сухое) образовавшихся в затвердевшем цементе строительного раствора и бетона.

Рисунок 1.48 - Содержание пор бетона в зависимости от В/Ц отношения [153]

Повышение капиллярной пористости снижает прочность, химическую стойкость, морозостойкость затвердевшего цементного камня строительного раствора или бетона. Так же увеличивается водопроницаемость бетона.

На рисунке 1.49 показано снижение прочности бетона с увеличением водоцементного (В/Ц) отношения.

На рисунке 1.50 наглядно показано, как сильно зависит капиллярная пористость и, следовательно, водопроницаемость от значения В/Ц и степени гидратации цемента. В дополнение к составу цемента и условий хранения содержание капиллярных пор определяет предел прочности, который снижается до 1-2 Н/mm². Конечная прочность затвердевшего цементного камня при нормальных условиях хранения (нормальная температура и атмосферное давление) в лаборатории, в лучшем случае составит около 200 Н/мм². Такая конечная прочность в реальных условиях не может быть достигнута. Сверхвысокая прочность бетона, которая была установлена совсем недавно в Японии, составляет на сжатие 100-140 Н/mm².

Рисунок 1.49 - Зависимость прочности при сжатии бетона от В/Ц отношения и класса прочности цемента [154]	Рисунок 1.50 - Капиллярная пористость и водопроницаемость цементного камня в зависимости от В/Ц отношения и степени гидратации цемента [189]