4.4 Сцепляемость цементного камня с горной породой

По энергетической способности взаимодействиям вяжущими веществами выделяют четыре группы породообразующих минералов, занимающих основную часть всех горных пород.

1. Минералы с высоким потенциалом отрицательного заряда на поверхности кристаллов в виде анионов О² (кварц и др.).

2. Минералы с пониженным потенциалом отрицательного заряда за счет его частичной нейтрализации катионами К⁺, Na⁺, Mg²⁺, Fe³⁺.

3. Минералы с весьма низким потенциалом (с большим количеством нейтрализующих заряд катионов Са²⁺, Mg²⁺): кальцит, доломит и др.

4. Минералы с нейтральной поверхностью (тальк, графит).

Различные вяжущие материалы взаимодействуют с этими минералами по-разному. Вяжущие материалы, имеющие в преобладающем составе минеральное частицы с высоким отрицательным зарядом (полярные гидрофильные частицы), активнее взаимодействуют с минералами, имеющими высокий отрицательный потенциал, и наоборот, гидрофобные вяжущие активнее взаимодействуют с гидрофобными минералами (правило Ребиндера).

Цемент имеет в своем составе отрицательно заряженные минеральные составляющие (SiO^-), поэтому цементный раствор активно взаимодействует со всеми металлами и горными породами за исключением глин, особенно гидрофильных, таких, как бентонит. Дело в том, что в контакте с глиной за счет впитывания воды гидрофильной глиной происходит обезвоживание цементного раствора и образование кристаллогидратов (твердение раствора) происходит замедленно и не активно.

Лабораторные исследования по определению сцепляемости цементного раствора с горной породой проводят в прессованных из порошка испытуемой горной породы трубках с "наружным диаметром 30 мм и внутренним диаметром 12 мм либо в куске испытуемой горной породы с выбуренной "скважиной" (полостью) диаметром 12 мм,

В полость трубки или скважины заливают цементный раствор, в течение двух суток дают ему затвердеть. Затем с помощью гидравлического пресса затвердевший стержень цементного раствора выдавливают и давление МПа, затрачиваемое на выдавливание стержня, принимают за величину сцепляемости.

4.5 Усадка цементного камня при твердени

Большим недостатком тампонажных цементов является их усадка. Усадка камня обусловлена уплотнением рыхлой структуры цементного раствора при кристаллизации. Особенно интенсивно она происходит при недостатке воды на образование кристаллогидратов. Усадка цементного камня приводит к его растрескиванию, нарушению сцепления его с породой, потере герметичности и прочности.

Объемные изменения при твердении определяют с помощью прибора для определения грунтов (ПНГ). Он представляет собой емкость, в верхней части которой с помощью кронштейна закреплен индикатор часового типа, ножка кронштейн приводится в соприкосновение с исследуемым цементным раствором.

Изменение объема цементного раствора при твердении определяют по формуле

ΔV = (a/10)·100%,

где а - показатель индикатора.

4.6 Неконтролируемое самопроизвольное расширение

Помимо равномерного объемного расширения, не сопровож­дающегося значительными внутренними напряжениями, в твер­деющем цементном камне могут происходить процессы, со­провождающиеся неравномерным расширением и растрескиванием.

Оксидное расширение наблюдается в тех случаях, когда в портландцементном клинкере содержится недопустимо большое количество несвязанных оксидов кальция (более 2 % к массе клинкера) или магния (более 5 % к массе клинкера). В процессе обжига клинкера при обычных для производства портландцемента температурах 1400—1500 °С эти оксиды при­обретают плотную структуру и очень медленно реагируют с во­дой. Образующиеся при этом соответствующие гидроксиды Са(ОН)2 и Mg(OH)2 вызывают местное увеличение объема твердой фазы в уже сформировавшейся и потерявшей способ­ность к пластической деформации структуре цементного камня. Это приводит к появлению внутренних напряжений и растрески­ванию цементного камня.

Несвязанный оксид кальция в обожженном клинкере оста­ется в тех случаях, когда для данной продолжительности и тем­пературы обжига количество СаС03 в сырьевой смеси было больше допустимого (высокий коэффициент насыщения КН). В современном производстве это случается редко. Свободный оксид магния появляется в результате обжига сырьевой смеси с примесью магнезита или доломита. Такие примеси содержатся во всех карбонатных породах, поэтому для производства порт­ландцемента выбирают те из них, в которых количество магне­зиальных примесей ограничено.

Гипсовое расширение — следствие неправильной до­зировки гипса. Если при помоле портландцемента гипса вве­дено больше, чем может быть химически связано в фазы AFm и AF/ на ранней стадии твердения, то, образуясь на поздней стадии твердения, эти фазы вызывают неравномерное расшире­ние (их кристаллы имеют вид удлиненных призм или игл) и растрескивание цементного камня.

Щелочное расширение возникает при повышенном содержании в клинкере оксидов щелочных металлов. Оксиды связаны в алюмоферритной фазе, а также в сульфатах. Выде­ляясь в процессе гидратации, они вступают в химические реак­ции с активными минеральными и другими добавками и вызы­вают неравномерное расширение цементного камня.