Глава 3. Методы испытаний вяжущих веществ и бетонов

3.1. Испытание портландцемента

При оценке свойств вяжущих веществ испытывают как само по себе вяжущее (в виде порошка), так и составы, в которые вяжущее входит в качестве одного из компонентов (тесто=вяжущее+вода или раствор=вяжущее+вода+песок). Чтобы по результатам испытания цементного раствора (или теста) оценить качество цемента, влияние других факторов (количества и качества песка, густоты теста или раствора, условий изготовления, хранения и испытания образцов, их возраста) нужно сделать постоянным (одним и тем же во всех случаях). С этой целью установлены государственные стандарты на методы изготовления, хранения и испытания образцов. В настоящее время на испытания портландцемента действуют два российских стандарта: ГОСТ 310 (для внутреннего использования) и ГОСТ 30744-2001, соответствующий европейским стандартам.

Песок и вода по составу и качеству также должны удовлетворять требованиям соответствующих стандартов.

Содержание воды подбирают таким, чтобы приготовленная смесь (тесто или растворная смесь) для изготовления образцов имела бы стандартную консистенцию (нормальную густоту). Количество воды, необходимое для получения смеси нормальной густоты, называется водопотребностью вяжущего (теста) или раствора.

Во избежание снижения В/Ц при изготовлении образцов поверхности емкостей и инструмента предварительно смачивают влажной тканью. Формы, в которых происходит твердение вяжущего, смазывают тонким слоем машинного масла. Формы заполняют смесью с избытком, который затем срезают вровень с краями. Одновременно заглаживают поверхность пилящим движением ножа (рейки), сильно наклоняя лезвие в направлении перемещения.

А. ИСПЫТАНИЕ ЦЕМЕНТА В ВИДЕ ПОРОШКА

Определение насыпной объемной массы портландцемента производиться с помощью мерного сосуда, емкостью 1 л, который заполняют вяжущим, срезают избыток и взвешивают. Насыпную объемную массу рассчитывают по формуле γ_н=(m-m₁)/V, где m – масса сосуда с вяжущим; m₁ – масса пустого сосуда; V – емкость сосуда.

При определении насыпной объемной массы в рыхлом состоянии заполнение мерного сосуда производят с помощью стандартной воронки. При определении насыпной объемной массы в уплотненном состоянии содержимое мерного сосуда уплотняют по мере его заполнения, периодически постукивая сосудом о стол.

Обычно насыпная объемная масса составляет:

в рыхлом состоянии – 900-1000 кг/м³,

в уплотненном состоянии – 1350-1500 кг/м³.

Определениеплотности портландцемента производиться с помощью колбы Ле-Шателье (рис. 3.1), в которую заливают жидкость до нижней черты, после чего всыпают портландцемент, пока жидкость не поднимется до верхней черты. Объем V_абс всыпанного материала равен объему между рисками (обычно 20 или 10 см³), а его масса m определяется по разности взвешиваний исходной емкости до и после всыпания. Плотность равна ρ=m/V_абс.

Поскольку портландцемент химически взаимодействует с водой, в качестве рабочей жидкости используют керосин.

Определение тонкости помола по остатку на сите. По ГОСТ 310 цемент высушивают при 105…110 С в течение 2 ч, охлаждают и просеивают через сито № 008 (размер ячейки в свету 0,08 мм). Остаток на сите взвешивают и выражают в процентах от массы пробы (50 г). По ГОСТ 30744 пробу цемента дезагрегируют, встряхивая вручную в течение 2 мин в стеклянной колбе, оставляют в покое на 2 мин и перемешивают сухим стержнем. Отвешивают 10 г и просеивают через сито № 009, после чего взвешивают остаток на сите.

Б. ИСПЫТАНИЕ ЦЕМЕНТА В СОСТАВЕ ТЕСТА

Определение водопотребности цемента (нормальной густоты теста) производят с помощью прибора Викá (рис. 3.2)

Иглу3 прибора Вика заменяют металлическим цилиндром – пестиком 4, переставляя их местами (чтобы масса перемещающейся части оставалась равной 300 г). Отвешивают 400 г цемента и воду в количестве 23…30 % от массы цемента.

По ГОСТ 310 тесто перемешивают вручную в течение 5 мин и заполняют им в один прием кольцо 7 прибора Вика, постукивая подставкой 8 с кольцом о стол 5…6 раз. Избыток теста срезают и поверхность заглаживают. Пестик немедленно приводят в соприкосновение с тестом и сразу же дают ему погружаться в течение 30 с.

По ГОСТ 30744 тесто перемешивают в специальном смесителе по режиму "90 с перемешивание + 5 с остановка + 90 с перемешивание" и переносят в один прием в кольцо 7, но без уплотнения или вибрации. Время от начала затворения до начала погружения пестика в цементное тесто должно составлять 4 мин. Фиксируют глубину погружения также за 30 с.

Нормальной (в обоих стандартах) считается густота, при которой пестик не доходит до дна на 5…7 мм.

Обычно водопотребность цемента составляет 24…28 % от массы цемента (В/Ц=0,24…0,28).

Определение сроков схватывания. Пестик 4 прибора Вика (см. рис. 3.2) заменяют иглой 3, переставляя их местами. Отвешивают 400 г цемента и воду в количестве установленном в п. 3.1.4. Готовят тесто нормальной густоты и заполняют им кольцо прибора Вика. Иглу 3 прибора доводят до соприкосновения с поверхностью теста и фиксируют винтом 5 (верхним). Погружение иглы (отпусканием винта) производят с интервалом 10 мин, каждый раз в новое место. Перед погружением иглу протирают влажной тканью. Сроки схватывания считают от начала затворения до следующего момента: начало схватывания – когда игла не доходит до дна: по ГОСТ 310 – на 1…2 мм, а по ГОСТ 30744 – на 3…5  мм; конец схватывания – когда игла погружается в тесто: по ГОСТ 310 – не более чем на 1…2 мм, а по ГОСТ 30744 – на 0,5 мм.

Определение конца схватывания по ГОСТ 30744 отличается двумя моментами: 1) обычную (длинную) иглу в приборе Вика заменяют на короткую иглу с кольцеобразной насадкой, позволяющей точно фиксировать наступление конца схватывания (см. рис. 3.2-б); 2) кольцо с цементным тестом переворачивают широким основанием вверх.

Определение равномерности измерения объема кипячением в воде. При твердении цементного теста иногда наблюдается искривление изделий, их растрескивание или полное разрушение. При­чиной этого является наличие свободной (не свя­занной в соединения с другими окислами) извести.

При затворении цемента водой происходит гашение свобод­ной извести [CaO+H₂O=Ca(OH)₂], которое сопровождается увеличением объема твердой фазы. Если бы увеличение объема происходило до начала схватывания цемента, то коробления или растрескивания изделий не было бы, т.к. структура пластичного теста способна к самовосстановлению. В отличие от быстрогасящейся воздушной извести, получаемой при тем­пературе 900…1100 °С, известь в портландцементе, обжигаемом при 1450 °С, представляет собой "пережог" и гасится медленно. При испытаниях этот процесс ускоряют кипячением образцов в воде.

По ГОСТ 310 две навески теста нормальной густоты по 75 г каждая скатывают в шарики, кладут на стеклянные пластинки и, постукивая о стол, превращают в лепешки. Первые 24 часа лепешки хранят во влажном пространстве (в ванне с гидравлическим затвором) (рис. 3.3), затем кипятят в воде в течение 3 ч. После охлаждения их вынимают и осматривают. Признаками неравномерности изменения объема являются: 1) коробление лепешек (рис. 3.4-а); 2) появление сетки мелких трещин (см. рис. 3.4-б); 3) наличие радиальных трещин (см. рис. 3.4-в); 4) полное разрушение лепешек.

По ГОСТ 30744 два кольца Ле-Шателье (рис. 3.5) устанавливают на пластинки 3 и наполняют в один прием цементным тестом нормальной густоты без уплотнения или вибрации. Избыток теста срезают ножом, накрывают кольца сверху другими пластинками с пригрузом 4 и помещают в камеру влажного хранения (см. рис. 3.3) на 24 ч. После этого измеряют штангенциркулем расстояние d между концами индикаторных игл 2 с точностью до 0,5 мм, освобождают от пластинок и пригруза и кипятят в воде в течение 3 ч. Затем кольца извлекают, охлаждают и измеряют расстояние f между концами игл. Вычисляют разность z=f-d для каждого кольца.

В. ИСПЫТАНИЕ ЦЕМЕНТА В СОСТАВЕ РАСТВОРА

(определение активности, марки и класса цемента)

Прочностные свойства цемента определяют на образцах-балочках размерами 40x40x160 мм, приготовленных из стандартного цементного раствора состава 1:3 (1 ч цемента : 3 ч стандартного песка).

Согласно ГОСТ 6139-2003 стандартный песок для испытаний цемента должен быть кварцевым (SiO₂≥96 %), с содержанием глинистых и илистых примесей, не более 1 %, потерей массы при прокаливании не более 0,5 % и иметь нормированный зерновой состав. Он может быть моно- и полифракционным.

Монофракционный песок, состоящий из одной фракции 0,5…0,9 мм, предназначен для определения марки цемента по #M12291 871001227ГОСТ 310. Он должен иметь сертификат соответствия эталонному песку – песку Привольского месторождения, удовлетворяющему требованиям ГОСТ 6139-2003.

Полифракционный песок, состоящий из фракций: 0,08…0,16; 0,16…0,50; 0,50…1,0 и 1,0…1,6 мм, предназначен для определения класса цемента по #M12291 1200011363ГОСТ 30744. Полифракционный песок должен иметь сертификат соответствия эталонному песку, удовлетворяющему требованиям европейского стандарта EN 196-1.