Технические свойства портландцемента.
Портландцемент — порошкообразный материал серого цвета плотностью 3000-3200 кг/м3 и насыпной в рыхлом состоянии 900-1300 кг/м3, в уплотненном — 1500-1600 кг/м3. Характеристики портландцемента можно подразделить на: минеральный и вещественный составы, тонкость помола, нормальная густота, сроки схватывания, марка по прочности и другие технические свойства.
Минеральный состав выражает содержание в клинкере (в % по массе) главных минералов: Высокоалитовый (C3S>60%); Алитовый (C3S=50-60%); Белитовый (C2S>35%); Алюминатный (C3А>12%); Алюмоферритный (C4АF18%).
Вещественный состав цемента выражает содержание в цементе (в % по массе) основных компонентов: клинкера, гипса, минеральных добавок, пластифицирующих и гидрофобизующих добавок.
Тонкость помола цемента оценивается по стандарту путем просеивания предварительно высушенной пробы цемента через сито с сеткой № 008 (размер ячейки 0,08 мм); тонкость помола должна быть такой, чтобы через указанное сито проходило не менее 85% массы просеиваемой пробы.
Водопотребность цемента определяется количеством воды (в % от массы цемента), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты. Водопотребность портландцемента в пределах от 22 до 28%. При введении активных минеральных добавок водопотребность цемента повышается и может достигнуть 32 — 37 %. Чем меньше водопотребность цемента, тем выше его качество.
Сроки схватывания цемента определяют в тесте нормальной густоты. Сроки схватывания определяют с помощью прибора Вика. Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 45 мин, а конец схватывания — не позднее 10 ч от начала затворения. Для получения нормальных сроков схватывания при помоле клинкера на цементном заводе вводят добавку двуводного гипса в количестве 3-5%.
Активность и марка портландцемента, определяют испытанием стандартных образцов-призм, их сначала испытывают на изгиб, затем получившиеся половинки призм — на сжатие. Активностью называют предел прочности при сжатии половинок балочек, испытанных в возрасте 28 сут. В зависимости от активности с учетом предела прочности при изгибе портландцемента подразделяют на марки М400, М500, М550 и М600.
Твердение цементного теста. Состав и строение цементного камня.
Сразу после затворения теста водой начинаются химические реакции. В начальной стадии процесса гидратации цемента происходит быстрое взаимодействие алита с водой с образованием гидросиликата кальция и гидроксида:
2(3СаО.SiO2) + 6 Н2О = 3СаО.2SiO2).3Н2О + 3Са(ОН)2
При гидратации белита выделяется меньше Са(ОН)2 :
2(2СаО.SiO2) + 4 Н2О = 3СаО.2SiO2).3Н2О + Са(ОН)2
Взаимодействие трехкальциевого алюмината с водой приводит к образованию гидроалюмината кальция:
3СаО.Al2O3 + 6 Н2О = 3СаО. Al2O3.6Н2О
Для замедления схватывания при помоле клинкера добавляют 3-5% от массы цемента природного гипса.
Сульфат кальция играет роль химически активной составляющей цемента, реагирующей с трехкальциевым алюминатом и связывающей его в гидросульфoалюминат кальция (минерал эттрингит) в начале гидратации портландцемента:
3СаО.Al2O3 + 3(СаSO4 .2Н2О) + 26 Н2О = 3СаО.Al2O3.3СаSO4 .32Н2О)
Кристаллы эттрингита обуславливают раннюю прочность затвердевшего цемента. Заполняя поры цементного камня, эттрингит повышает его механическую прочность и стойкость. Структура затвердевшего цемента улучшается еще и потому, что предотвращается образование в нем слабых мест в виде рыхлых гидроалюминатов кальция.
Четырехкальциевый алюмоферрит при взаимодействии с водой расщепляется на гидроалюминат и гидроферрит:
4СаО.Al2O3.Fe2O3.+mН2О=3СаО.Al2O3.6Н2О+СаО.Fe2O3.nН2О
Гидроалюминат связывается добавкой природного гипса, а гидроферрит входит в состав цементного геля.
Коррозия цементного камня.
Коррозия первого вида. Выщелачивание гидроксида кальция происходит интенсивно при действии мягких вод, содержащих мало растворенных веществ. К ним относятся конденсат, дождевые воды, воды горных рек, болотная вода.
Коррозия второго вида. Углекислотная коррозия развивается при действии на цементный камень воды, содержащий свободный СО2 в виде слабой угольной кислоты. Избыточный двуоксид углерода разрушает карбонатную пленку бетона вследствие образования хорошо растворимого бикарбоната кальция Са(HСО3)2 .
Общекислотная коррозия происходит при действии растворов любых кислот, имеющий Рн<7. Свободные кислоты встречаются в сточных водах промышленных предприятий, они могут проникать в почву и разрушать бетонные фундаменты, коллекторы и другие подземные сооружения. Бетон на портландцементе защищают от непосредственного действия кислот с помощью защитных слоев из кислотостойких материалов.
Коррозия третьего вида. Сульфоалюминатная коррозия возникает при действии на гидроалюминат цементного камня воды, содержащей сульфатные ионы.
Образование в порах цементного камня эттрингита сопровождается увеличением объема примерно в 2 раза. Развивающееся в порах кристаллизационное давление приводит к растрескиванию защитного слоя бетона. Вслед за этим происходит коррозия стальной арматуры, усиление растрескивания бетона и разрушение конструкции.
Для борьбы с сульфоалюминатной коррозией применяется специальный сульфатостойкий портландцемент.
Щелочная коррозия может происходить в двух формах:
• под действием концентрированных растворов щелочей на затвердевший цементный камень;
• под влиянием щелочей, имеющихся в самом цементе.