Контракция и усадка портладнцемента. Влияние добавок и состава на величину усадки.
Контракция – изменение объёма,связанное с тем, что объём новообразований цем. Камня всегда будет меньше, чем объём исходных исходных, наиболее интенсивно в возрасте 1 до 7 суток, контракция зависит от минерального состава цемента, тонкости помола цемента, в/ц фактора
С3A+H2O→С3AH6
V=196,91 V=150,11 ΔV=23%
C3S→ ΔV=7-9%
C4AF→ ΔV=до 10%
В нормативных документах регламентируют предельное содержание С3A в зависимости от вида выпускаемых изделий или конструкций. Чем больше дисперсность цемента, тем выше контракционная усадка
Влажностная усадка происходит всегда и связана с удалением воды. Удаление воды сопровождается возникновением сильных напряжений в том, случае если величина напряжений больше предела прочности на растяжении в цементном камне появл. Микро и макро трещины. Величина возможной усадки 3-5 мм на погонный метр.
Контракционная усадка – объем новообразований цементного камня меньше объема занимаемого веществами, вступающими в реакцию, т.е. усадка интенсивно развивается в момент протекания химических реакций
Контракция увеличивается с увеличением тонкости помола, с повышением водо-цементного фактора, с увеличением содержания C3А. Контракция сопровождается напряжениями и, соответственно, деформациями в твердеющей системе.
Величина контракционной усадки составляет приблизительно 10% от влажностной.
Усадка имеет необратимый характер.
В результате усадки и набухания, повторяющихся в технологический период изготовления бетона или в эксплуатационный период, нередко возникают самопроизвольные напряжения в материале и, как следствие, микротрещинообразование с возможным ухудшением физико-мехаческих свойств строительных изделий
На величину усадки может влиять тонкость помола, минеральный и вещественный состав цемента, содержание воды в бетоне и В/Ц фактор, усадка может достигать 3 мм на 1 метр. Более значимо на величину усадки влияет В/Ц фактор, так при увеличении В/Ц с 0.28 до 0.65 усадка возрастает в два раза.
Различными приемами регулирования режимов твердения, введением дополнительных компонентов в состав цемента и бетонов, удается уменьшить или полностью исключить влияние усадочных напряжений и деформаций, связанных с разупорядочением структуры. Для снижения усадки при помоле клинкера вводят добавки: микронаполнители, водопотребность которых меньше водопотребности цемента, например микродисперсный кварц; пластифицирующие добавки; гидрофобизирующие добавки.
Уменьшение объема системы цемент-вода в процессе гидратации получило название контракции. Величина контракции зависит от многих факторов: состава и тонкости помола цемента, В/Ц, вида и содержания добавок и др. По величине контракции можно следить за протеканием процесса гидратации цемента и структурообразования бетона.
По некоторым данным общее количество химически и физико-химически связанной воды при полной гидратации цемента составляет в среднем 50% от массы цемента. Поэтому, если при твердении бетона не имеется доступа воды извне, то для полной гидратации цемента необходимо, чтобы В/Ц было больше 0,5. Если цементный камень твердеет в воде, то полная гидратация цемента происходит и при меньших В/Ц, так как вода может впитываться через капиллярные и контракционные поры, частично освобождающиеся от воды в результате гидратации. Однако необходимо, чтобы объем этих пор был достаточен для размещения продуктов гидратации. Это имеет место при В/Ц>0,38. При меньших В/Ц полная гидратация цемента при любом твердении невозможна.
Т.о. при В/Ц>0.5 в бетоне всегда будут присутствовать капиллярные поры, доступные для миграции влаги, и стойкость его будет понижаться. При В/Ц=0,38-0,5 в цементном камне могут сохраниться капиллярные и контракционные поры при отсутствии притока влаги извне за счет того, что гидратация цемента не будет происходить полностью. При водном твердении эти поры частично зарастают продуктами гидратации. При В/Ц<0,38 в цементном камне отсутствуют капиллярные поры. Он весь состоит из цементного геля, но в нем обязательно сохраняются остатки негидратированного цемента. Эти остатки способствуют уплотнению материала и повышению его прочности. Изменение состава цементного камня в процессе его гидратации в зависимости от В/Ц показано на рисунке
В обычных бетонах цемент редко гидратирует полностью. При обычных сроках твердения успевает прогидратировать только часть цемента, поэтому даже при В/Ц=0,5 и выше в цементе сохраняются непрогидратировавшие зерна и значительное количество капиллярных пор. При изменении расхода цемента и воды пористость также изменяется. Понижение капиллярной пористости ведет к повышению прочности и стойкости бетона, поэтому на производстве стремятся готовить бетонную смесь с минимальным расходом воды, допустимым по условиям формирования конструкции или изделия. Изменение пористости бетона во времени показано на рисунке
Изменение пористости бетона в процессе твердения:
Изменения объема системы: цемент-вода, приводящие к усадке.
Влажностная усадка. Объемные деформации в цементном камне связаны с удалением воды из влажного камня. В том случае, если величина напряжений больше предела прочности на растяжение, появляются микро- и макродефекты, которые вызывают трещинообразование камня.
Набухание. В отдельных системах вяжущих при повышении влажности цементного камня наблюдается разуплотнение с увеличением объема конгломерата – набухание. Набухание, значительно меньше усадки, ≈ 30-50%, следовательно, усадка имеет необратимый характер.
В результате усадки и набухания, повторяющихся в технологический период изготовления конгломерата или в эксплуатационный период, нередко возникают самопроизвольные напряжения в материале и, как следствие, микротрещинообразование с возможным ухудшением физико-мехаческих свойств строительных изделий
На величину усадки может влиять тонкость помола, минеральный и вещественный состав цемента, содержание воды в бетоне и В/Ц фактор, усадка может достигать 3 мм на 1 метр. Усадка цементов тем больше, чем более дисперсность цемента, но лишь в первые 60 суток, затем усадка уменьшается. Более значимо на величину усадки влияет В/Ц фактор, так при увеличении В/Ц с 0.28 до 0.65 усадка возрастает в два раза.
Различными приемами регулирования режимов твердения, введением дополнительных компонентов в состав цемента и бетонов, удается уменьшить или полностью исключить влияние усадочных напряжений и деформаций. Для снижения усадки при помоле клинкера вводят добавки: микронаполнители, водопотребность которых меньше водопотребности цемента, например микродисперсный кварц; пластифицирующие добавки; гидрофобизирующие добавки. Самый эффективный прием введение добавок, обеспечивающих расширение цементного камня.
В состав цемента могут входить:
Активные минеральные добавки;
Гидравлические добавки
Наполнители. Улучшающие зерновой состав и структуру затвердевшего цементного камня;
Воздухововлекающие- повышающие пористость цементного камня
Водоудерживающие- регулируют водоотделение
Пластифицирующие- снижают расход воды при сохранении реологических свойств
Ускоряющие- повышают скорость набора прочности в ранние сроки твердения
Гидрофобизирующие- обеспечивают уменьшение смачиваемости порошкового цемента и гидрофобизирующие камень
Полифункциональные добавки- влияют на два и более свойств цемента
Общие сведения о ПАВ в цементных системах
Определяющим фактором эффективности суперпластификатора на базе эфиров поликарбоксилатов (PCE) являются его адсорбционные свойства. Эти свойства зависят, от молекулярной структуры полимера, химических условий в поровом растворе и физико-химических свойств поверхности цемента. Высокая плотность зарядов, то есть большое количество карбоксилатных групп у главной цепи приводит к быстрой и полной адсорбции полимеров. Этому способствует и быстро реагирующая поверхность зерна цемента, при этом доминирующую роль играют фазы C3A. На реакционную способность поверхности цемента влияет содержание в нем ионов сульфатов.
Традиционные суперпластификаторы (С-3) на базе нафталинсульфонатов (NSF) и метилсульфонатов (MSF) адсорбируются очень быстро и с высокой степенью адсорбции, составляющей, как правило, более 90%. диспергирование вследствие стерического отталкивания
Гидрофобизирующие добавки разработаны Скрамтаевым и Хигеровичем (патент 1949).
Цель добавок – управлять поведением цемента во всех его агрегатных состояниях. В порошкообразом – исключить при помоле налипание частиц на шары и повысить эффективность помола (интенсификаторы помола), предотвратить от влаги воздуха при транспортировке и отгрузке, исключить комкование и преждевременную гидратацию при хранении, в технологии бетонов- улучшить пластичность и обеспечить гидрофобные свойства бетона. Гидрофобизирующие добавки хорошо пластифицируют тощие бетоны с низким расходом цемента.
Однако, применение некоторых гидрофобизирующих добавок, типа технических мыл, сопровождается воздухововлечением и практически не поддается контролю. На каждый процент воздухововлечения, снижение прочности камня может достигать 3-5%.
Добавки. Обеспечивающие гидрофобность могут иметь различную природу: гидрофильные, гидрофобные.
Гидрофобные: Парафины, стеариновая кислота, кальциевые соли нафтеновых кислот, олеиновая кислота, мылонафт
Прим. Натриевые и калиевые мыла жирных, нефтяных и смоляных кислот являются гидрофильными, но взаимодействуют с Са(ОН)2 и в результате обменных реакций превращаются в кальциевые мыла, которые являются водонерастворимыми и гидрофобными
Эффект добавок проявляется в том, что капиллярные поры покрываются гидрофобным веществом. Возникает противокапиллярное давление. Материал остается пористым, воздухопроницаемым, но не смачивается водой.
Величина давления при котором вода начинает подниматься по порам зависит от радиуса пор. Например при радиусе 5 мкм и давлении воды до 1/3 атмосферы, высота столба жидкости может достигнуть 3 метров.
Гидрофобные добавки могут изменить некоторые показатели: увеличить сроки схватывания, в начальные сроки твердения снизить скорость набора прочности твердеющей системы. Применение ряда добавок может осложнить технологию производства, а именно, необходимо предварительно получить раствор добавки, т.к. добавки в основном нерастворимы в воде применяют специальные растворители, на пример парафин растворим в дихлорэтане или четыреххлористом углероде.