48. Основные свойства портландцемента и методика их определения. Активность, марка, классы портландцемента.

В соответствии с ГОСТ 10178-85, по механической прочности ПЦ подразделяются на марки: 400, 500, 550 и 600 (допускается выпускать марку 300). По ГОСТ 30515-97 (максимально приближенному к европейскому стандарту EN 196-1) цементы по прочности на сжатие подразделяются на классы прочности: 22,5; 32,5; 42,5; 52,5.

Класс прочности цемента – условное обозначение одного из значений параметрического ряда по прочности в максимальные сроки, установленные нормативным документом.

Пример условного обозначения цемента типа партландцемент:

ПЦ 400-Д20-Б-ПЛ ГОСТ 10178-85, где ПЦ-портландцемент;

400 – марка по механической прочности (предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток, не менее 400 кгс/см² (40Мпа);

Д20 – максимальное содержание (в % по массе) активных минеральных добавок;

Б – быстротвердеющий цемент;

ПЛ – пластифицированный цемент;

ШПЦ – шлакопортландцемент.

Свойства портландцемента

Свойства портландцемента зависят от его химико-минералогического состава и тонкости помола. С увеличением содержания в цементе трехкальциевого силиката ускоряется набор прочности и растет ее величина, так как продукты, образующиеся при его твердении, обладают наивысшей прочностью из всех продуктов твердения цемента. С повышением содержания двухкальциевого силиката рост прочности в первые дни протекает медленно с последующим постепенным увеличением в течение длительного периода. Цементы, содержащие повышенное количество двухкальциевого силиката, более стойки к действию природных вод и попеременному замораживанию и оттаиванию.

В цементах с увеличенным содержанием трехкальциевого алюмината ускоряются сроки схватывания и рост прочности в первые дни твердения, снижаются морозостойкость и стойкость к действию агрессивных природных вод. Цементы с содержанием трехкальциевого алюмината менее 5 % называют низкоалюминатными, более 8 % - высокоалюминатными. С повышением тонкости помола цемента сокращаются сроки его схватывания, возрастают активность и интенсивность роста прочности.

Ниже приведены основные свойства и показатели портландцемента.

Плотность зерен ρ портландцемента колеблется в пределах 3050...3150 кг/м³.

Насыпная плотность ρ_н зависит от степени уплотнения. Для рыхлонасыпанного цемента она составляет 900...1100 кг/м³, сильно уплотненного - 1600 кг/м³. В расчетах принимают значение p_H=1300 кг/м³. Тонкость помола портландцемента оказывает большое влияние на его скорость твердения, прочность. Тонкость помола характеризуют зерновым составом портландцемента и удельной поверхностью. Зерновой состав определяют по ГОСТ 310.2-76 путем просеивания пробы цемента через сито № 008; при этом не менее 85 % пробы должно пройти через сито. Тонкость помола цемента характеризуется также удельной поверхностью порошка - площадью зерен, см², в одном грамме. Удельная поверхность обычного портландцемента составляет 2600...3200 см²/г. Водопотребность цемента характеризуют относительным количеством воды (в %) для получения цементного теста нормальной густоты. Содержание воды в тесте нормальной густоты соответствует ее максимальному количеству, которое цемент может удерживать с помощью химических и физико-химических (адсорбционных и капиллярных) сил. Поскольку в таком тесте еще нет водоотделения, цементное тесто нормальной густоты, скатываемое в шарик, не прилипает к ладони. Водопотребность цемента составляет 22...28 %. Чем меньше нормальная густота цемента, тем легче получить бетонную смесь с меньшим водоцементным отношением, а бетон - с меньшей пористостью и большей прочностью. И наоборот, с увеличением нормальной густоты, например у пуццоланового цемента она составляет 30 % и более, растет пористость и снижается морозостойкость бетона. Сроки схватывания цементного теста нормальной густоты определяют на приборе Вика по глубине проникания иглы. Начало схватывания должно наступать не ранее чем через 45 мин, конец схватывания - не позднее 10 ч от начала затворения. Эти показатели определяют при температуре 20 ± 2 °С. Схватывание портландцемента обычно наступает через 1...2 ч, а закончивается - через 4...6 ч. На сроки схватывания портландцемента влияют его минералогический состав, тонкость помола, температура теста, содержание воды и другие факторы. Если бетонную или растворную смесь укладывать после начала схватывания, то, утратив пластичность, она при укладке будет деформироваться с нарушением сплошности структуры. В результате в теле бетона образуются разрывы, трещины и другие дефекты механического происхождения, что отрицательно скажется на прочности и долговечности конструкции. На стройплощадке конец схватывания цемента в бетонной или растворной смеси (первоначально пластичной консистенции) можно установить следующим образом. Смесь набирают в руку и сжимают. После окончания схватывания на поверхности смеси при сжатии не блестит вода, а комок смеси растрескивается или рассыпается. Сроки схватывания увеличиваются, если для затворения цемента взято больше воды. При ее избытке возрастает объем пространства в тесте, которое должно быть заполнено новообразованиями. Увеличивать количество воды в тесте или бетонной смеси ради удлинения сроков схватывания нерационально, тaк как прочность затвердевшего камня (бетона) тем меньше, чем больше введено воды. Целесообразно применять для этого специальные добавки - замедлители схватывания.

В практике бетонных работ иногда наблюдается ложное схватывание цемента, т. е. загустевание цементного теста или бетонной смеси в сроки, гораздо более короткие, чем предусмотрено стандартом (ранее 45 мин). Это объясняется тем, что в состав такого цемента входит полуводный гипс, а не гипсовый камень. Полуводный гипс быстро взаимодействует с водой, образуя пространственную малопрочную структуру, что и приводит к потере пластичности цементного теста уже через 10...20 мин после затворения. При последующем перемешивании, особенно с небольшой добавкой воды, тесто восстанавливает пластичность и затвердевает как обычно. Чтобы не допустить ложного схватывания, помол и хранение цементов осуществляют при пониженной температуре. Нельзя так же допускать смешивание цементов разных видов. Равномерность изменения объема при твердении - одно из необходимых свойств портландцемента. Если в составе цемента содержатся свободные оксиды кальция и магния - СаО и MgO, то при взаимодействий с водой в местах их расположения объем цементного камня увеличивается, что вызывает его коробление или растрескивание. Цементы должны выдерживать испытание на равномерность изменения объема при испытании образцов кипячением в воде. Содержание оксида магния MgO в исходном клинкере должно быть не более 5 %. Тепловыделение, сопровождающее твердение портландцемента, обусловлено тем, что всё реакции взаимодействия минералов цементного клинкера с водой экзотермичны. При укладке небольших объемов сильного разогрева бетона обычно не происходит, поскольку процесс растянут во времени и теплота теряется в окружающую среду. При твердении изделий в закрытом объеме (камерах тепловой обработки) тепловыделение может использоваться для ускорения твердения бетона.

Прочность портландцемента характеризуют маркой, которую устанавливают по пределу прочности при сжатии и изгибе образцов-балочек размером 40x40x160 мм, испытанных в возрасте 28 сут. твердения. Балочки изготовляют из цементно-песчаного раствора состава 1 : 3 (цемент : нормальный (Вольский) песок) стандартной консистенции при водоцементном отношении В/Ц = 0,4. Образцы твердеют на воздухе (над водой) в течение 1 сут. и в воде комнатной температуры (без форм) -27 сут. Через 28 сут. балочки испытывают на изгиб, а образовавшиеся при этом половинки балочек - на сжатие. Среднее арифметическое значение предела прочности при сжатии, определенное по четырем наибольшим значениям, называют активностью цемента. Марку цемента устанавливают по пределу прочности при сжатии и изгибе в соответствии с табл. 5. Если один из них меньше указанного в табл. 5, то цемент относят к меньшей марке. Например, при испытании получены значения R_сж- 52 МПа и R_и = 6,3 МПа. Следовательно, цемент будет марки 500 (а не 550). Прочность цемента при соответствующих условиях внешней среды со временем возрастает. Нормальными условиями твердения цементных материалов (строительного раствора и бетона) считают температуру 20 ± 2 °С и относительную влажность воздуха 95... 100 %. При понижении температуры замедляются химические реакции взаимодействия цемента с водой. Это выражается в недоборе прочности. Для ускорения твердения бетонные изделия обрабатывают насыщенным паром при температуре 60...90 °С. Пропаривание позволяет за 10. ..15 ч получать отпускную прочность бетона, составляющую 70...100 % от проектной 28-суточной. Тепловую обработку изделий надо проводить в условиях, исключающих высушивание бетона, так как вода необходима для синтеза кристаллогидратов цементного камня. Коррозионная стойкость портландцемента характеризуется стойкостью цементного камня к действию проточной воды, а также вод, содержащих растворимые соли или кислоту. Коррозия цементного камня приводит к разрушению бетона или раствора.

Встречающиеся в практике коррозии можно разделить на три

вида. Коррозия первого вида обусловлена растворением и вымыванием (выщелачиванием) гидроксида кальция из цементного камня. Вслед за этим разлагаются гидросиликаты и гидроалюминаты кальция. Такая коррозия развивается наиболее интенсивно в мягких водах, содержащих небольшое количество солей. Наиболее эффективное средство борьбы с выщелачиванием -введение в состав цемента добавок, связывающих Са(ОН)₂ в более стойкие соединения. Такие добавки, называемые активными минеральными, будут рассмотрены в 9.2.5. Коррозия второго вида обусловлена взаимодействием Са(ОН)₂ и других составных частей цементного камня с агрессивными веществами внешней среды. В результате этого образуются легкорастворимые соединения, которые вымываются из цементного камня, тем самым ослабляя его. К этому виду относится, например, кислотная и магнезиальная коррозии. Под влиянием вод, содержащих угольную кислоту Н₂С0₃, в результате ее реакции с гидроксидом кальция образуется хорошо растворимый бикарбонат кальция Са(НС0₃)₂, который вымывается из цементного камня.

Свободные кислоты встречаются в сточных водах промышленных предприятий. Кислотная среда может возникнуть при конденсации на поверхности конструкций влаги, если в атмосфере содержатся агрессивные вещества - хлор, хлорид водорода, сернистый газ. Такая атмосфера характерна для современных промышленных центров. Попадающая в бетон кислота взаимодействует с Са(ОН)₂. Образующийся при этом хлорид кальция легко растворяется в воде и вымывается.

Коррозия третьего вида характеризуется тем, что в результате взаимодействия со средой в порах цементного камня возникают новые твердофазные соединения, объем которых намного больше объема исходных продуктов реакции. Кристаллы этих соединений, увеличиваясь в объеме, давят на стенки пор, вызывая большие внутренние напряжения и растрескивание бетона. Наиболее ярко коррозия этого вида проявляется при действии на цементный камень сульфатных вод (сульфатная коррозия), в результате чего образуется увеличивающийся в объеме гидросульфоалюминат кальция ЗСаО • А1₂0₃ • 3CaS0₄ • З1Н₂0, вызывающий растрескивание цементного камня.

В практике редко встречается коррозия одного вида. Кроме того, трудно разграничивать коррозию, например, первого и второго видов. Однако почти всегда можно выделить преобладающий вид коррозии и с учетом коррозионных воздействий запроектировать мероприятия по защите конструкций от коррозии.

49. Определение сроков схватывания цементного геля. Способы ускорения твердения. Водопотребность цементов. Понятие стандартной консистенции. Схватывание цемента – это процесс загустевания цементного теста вследствие взаимодействия цемента с водой.

Процесс схватывания цемента заключается в необходимой потере подвижности цементного теста в результате гидрадации и практически определяется на цементном тесте нормальной густоты по погружению иглы в приборе Вика с нагрузкой (300±2) г. Началом схватывания цементного теста считают время, прошедшее от начала затворения (момента приливания воды) до того момента, когда игла опускается в тесто не более чем на 1…2 мм; концом схватывания – время от начала затворения до момента, когда игла опускается в тесто не более чем на 1…2мм. При смешивании портландцемента с водой образуется пластичное тесто (гель), постепенно загустевающее (схватывающееся) и переходящее в камневидное состояние. Алит — основной минерал, который используют для производства портландцемента, он быстро твердеет и практически определяет скорость твердения и нарастания прочности портландцемента. Сроки схватывания цементного теста нормальной густоты определяют на приборе Вика по глубине проникания иглы. Начало схватывания должно наступать не ранее чем через 45 мин, конец схватывания - не позднее 10 ч от начала затворения. Эти показатели определяют при температуре 20 ± 2 °С. Схватывание портландцемента обычно наступает через 1...2 ч, а закончивается - через 4...6 ч. На сроки схватывания портландцемента влияют его минералогический состав, тонкость помола, температура теста, содержание воды и другие факторы. Если бетонную или растворную смесь укладывать после начала схватывания, то, утратив пластичность, она при укладке будет деформироваться с нарушением сплошности структуры. В результате в теле бетона образуются разрывы, трещины и другие дефекты механического происхождения, что отрицательно скажется на прочности и долговечности конструкции. На стройплощадке конец схватывания цемента в бетонной или растворной смеси (первоначально пластичной консистенции) можно установить следующим образом. Смесь набирают в руку и сжимают. После окончания схватывания на поверхности смеси при сжатии не блестит вода, а комок смеси растрескивается или рассыпается. Сроки схватывания увеличиваются, если для затворения цемента взято больше воды. При ее избытке возрастает объем пространства в тесте, которое должно быть заполнено новообразованиями. Увеличивать количество воды в тесте или бетонной смеси ради удлинения сроков схватывания нерационально, тaк как прочность затвердевшего камня (бетона) тем меньше, чем больше введено воды. Целесообразно применять для этого специальные добавки - замедлители схватывания.

В практике бетонных работ иногда наблюдается ложное схватывание цемента, т. е. загустевание цементного теста или бетонной смеси в сроки, гораздо более короткие, чем предусмотрено стандартом (ранее 45 мин). Это объясняется тем, что в состав такого цемента входит полуводный гипс, а не гипсовый камень. Полуводный гипс быстро взаимодействует с водой, образуя пространственную малопрочную структуру, что и приводит к потере пластичности цементного теста уже через 10...20 мин после затворения. При последующем перемешивании, особенно с небольшой добавкой воды, тесто восстанавливает пластичность и затвердевает как обычно. Чтобы не допустить ложного схватывания, помол и хранение цементов осуществляют при пониженной температуре. Нельзя так же допускать смешивание цементов разных видов. Быстротвердеющий портландцемент характеризуется более быстрым нарастанием прочности в первые 3 суток твердения. Более быстрое твердение цемента достигается за счёт содержания в клинкере активных минералов, а также за счёт повышения тонкости помола клинкера до удельной 3500-4000 см²/г. При помоле БТЦ допускается введение активных минеральных добавок (не более 15%) или доменных гранулированных шлаков(до 20% по массе цемента). Водопотребность цемента характеризуют относительным количеством воды (в %) для получения цементного теста нормальной густоты. Содержание воды в тесте нормальной густоты соответствует ее максимальному количеству, которое цемент может удерживать с помощью химических и физико-химических (адсорбционных и капиллярных) сил. Поскольку в таком тесте еще нет водоотделения, цементное тесто нормальной густоты, скатываемое в шарик, не прилипает к ладони. Водопотребность цемента составляет 22...28 %. Чем меньше нормальная густота цемента, тем легче получить бетонную смесь с меньшим водоцементным отношением, а бетон - с меньшей пористостью и большей прочностью. И наоборот, с увеличением нормальной густоты, например у пуццоланового цемента она составляет 30 % и более, растет пор