Основные свойства портландцемента

Удельный (объемный) вес цемента в рыхлом состоянии составляет 9–11 кН/м³, а в уплотненном – 14–17 кН/м³.

Тонкость помола цемента влияет на срок схватывания и твердения, а также на прочность затвердевшего цемента: чем тоньше измельчен клинкер, тем быстрее и полнее протекает взаимодействие цемента с водой и тем выше будет его прочность. Тонкость помола устанавливают ситовым анализом. Через сито № 008 должно проходить не менее 85 % портландцемента от веса просеиваемой пробы. Более точной характеристикой тонкости помола служит его удельная поверхность, т.е. суммарная поверхность зерен, содержащихся в 1 части цемента. Удельная поверхность 2800–3000 см²/г и выше.

Сроки схватывания устанавливают начало и конец схватывания цементного теста. На сроки схватывания большое влияние кроме тонкости помола оказывают минералогический состав и водопотребность цемента. Под водопотребностью понимают количество воды, необходимое не только для гидратации цемента, но и для придания тесту определенной подвижности. Для гидратации требуется около 15 % воды от веса цемента, однако для того чтобы обеспечить подвижность цементного теста, воды берут значительно больше.

Начало схватывания цементного теста нормальной густоты должно устанавливать не раньше 45 минут, а конца – не позднее чем через 12 ч. от начала затворения.

Прочность портландцемента характеризуется его активностью, которую устанавливают по пределу прочности при изгибе образцов-балочек размером 40x40x160 мм и сжатии их половинок. Образцы делают из цементного раствора состава 1 : 3 (по весу) с нормальным кварцевым песком и испытывают через 28 суток после изготовления.

Твердение портландцемента – сложный физико-механический процесс в результате которого в цементном камне образуются новые соединения, отсутствующие в цементном клинкере.

Различаются три периода твердения портландцемента:

Первый период – подготовительный. При соприкосновении цементных зерен с водой поверхностные слои клинкерных минералов вступают с ней в химические реакции. Трехкальциевый силикат подвергается гидролизу и гидратации, образуя два новых соединения – гидросиликат кальция и гидроокись кальция по реакции:

Четырехкальциевый алюмоферрит при действии на него воды гидролизуется по реакции:

Двухкальциевый силикат и трехкальциевый алюминат только гидратируются (присоединяют к себе воду), образуя соответственно гидросиликат и гидроалюминат кальция:

Образующиеся гидратные соединения, обладая сравнительно плохой растворимостью, быстро поглощают раствор. Хотя в начале твердения гидратация кальциевых соединений идет интенсивно, во внутренние слои частиц цемента вода проникает с большим трудом. Поэтому процесс взаимодействия воды с клинкерными минералами в общей сложности протекает медленно и постепенно угасает.

Второй период твердения цемента – коллоидизация. В момент полного насыщения раствора, главным образом , выделяющиеся гидратные соединения уже не растворяются в состоянии коллоидного раздробления или геля (студня). При дальнейшей гидратации клинкерных материалов, и уменьшении свободной воды в цементном тесте склеивающая способность геля, как и любого клея увеличивается. Гель склеивает частицы цемента; при этом цементное тесто теряет пластичность, т.е. начинает схватываться.

Третий период – кристаллизация. Более устойчивые в коллоидном состоянии гидроокись кальция и трехкальциевый гидроалюминат постепенно начинают переходить в устойчивое – кристаллическое – состояние. Одновременно с этим медленно кристаллизующийся гель гидросиликата кальция уплотняется. Образующиеся кристаллы гидроокиси кальция и трехкальциевого гидроалюмината срастаются и, пронизывая коллоидные массы, состоящие, главным образом, из гидросиликата кальция, образуют прочный кристаллический сросток.

При твердении цемента на воздухе рассмотренные выше процессы дополняются карбонизацией гидроокиси кальция, что способствует повышению точности цементного камня.

Портландцемент твердеет тем быстрее, чем больше в нем трехкальциевого силиката (алита) и трехкальциевого алюмината, но в дальнейшем прирост прочности такого цемента замедляется. Цементы, содержащие много двухкальциевого силиката (белита), наоборот, в раннем возрасте твердеют медленно, а затем нарастание прочности продолжается длительно и равномерно.

При твердении цементных изделий на воздухе за счет испарения воды происходит усадка, а при твердении в воде обратный процесс – набухание. Особенно опасно неравномерность изменения объема, что наблюдается при твердении цементов, содержащих повышенное количество непогасившихся зерен и . В затвердевшем цементном камнем или бетоне происходит их гашение, сопровождающееся увеличением объема, появлением внутренних напряжений и трещин.

При схватывании и твердении портландцемента выделяется тепло. У цементов высокой активности экзотерия выше, чем у низкоактивных, что необходимо учитывать при возведении массивных сооружений (бетонных фундаментов, плотин и др.). Внутри таких сооружений могут развиваться значительные температуры (до 70–80 °С), и в результате резкого температурного перепада между внутренними и наружными зонами конструкций массив покрывается трещинами, которые служат очагами прогрессирующей коррозии бетона.

Коррозия портландцемента

Коррозия в бетонах и растворах происходит под действием агрессивной среды создаваемой различными жидкостями и газами. Различают три основных вида коррозии.

1. Процессы, возникающие при действии пресных вод. Пресные воды, соприкасаясь с цементным камнем, растворяют и вымывают выделяющуюся при твердении портландцемента известь , которая больше растворяется в воде по сравнению с другими продуктами гидратации. Удаляющаяся из цементного камня гидроокись кальция разлагает другие гидраты, вследствие чего бетоны становятся более пористыми и постепенно разрушаются. Осообенно быстро эти процессы протекают при фильтрации воды сквозь толщу бетона. Для повышения стойкости цемента в пресных водах к нему добавляют активные минеральные добавки, которые связывают известь в малорастворимые соединения – гидросиликаты кальция.

2. Процессы, происходящие под действием вод, содержащих химические вещества (соли), вступающие в обменные реакции с составными частями цементного камня. Образующиеся при этом продукты реакции либо легкорастворимы и уносятся водой, либо выделяются в аморфном виде, не обладая прочностью.

Более часто наблюдается коррозия бетона под действием углекислых вод, так как углекислота имеется во многих природных водах. Взаимодействуя с углекислым кальцием, образующим карбонизированный слой на поверхности цементного камня, эта кислота переводит его в более растворимый в воде карбонат:

где – бикарбонат.

Эта реакция проходит до тех пор, пока в растворе не установится равновесие между содержанием бикарбоната, карбоната и углекислоты.

Вредное влияние на цементный камень оказывает также соляная кислота, которая часто содержится в сточных водах промышленных предприятий и, просачиваясь в почву, разрушает подземные бетонные конструкции (фундаменты пр.)

Эта кислота вступает в реакцию с известью, выделяющейся при твердении цемента, и образует легкорастворимый продукт в виде хлористого кальция:

.

Образующийся хлористый кальций легко растворяется и уносится водой, а гидрат окиси магния представляет собой несвязанный аморфный осадок, который также постепенно вымывается.

3. Процессы, связанные с образованием малорастворимых продуктов, которые постепенно накапливаются в капиллярах, порах. По мере увеличения объема этих отложений цементный камень сначала уплотняется, а затем начинает разрушаться. Примером тому служит сульфатная коррозия – разрушение цементного камня под влиянием вод, в которых растворены соли сульфатов. В порах цементного камня откладывается гипс, вступает в реакцию с гидроалюминатом кальция, в результате чего образуется труднорастворимый гидросульфоалюминат кальция, который при кристаллизации увеличивается в объеме в 2,5 раз и разрушает цементный камень:

Гидросульфат кальция получил название цементной бациллы вследствие разрушающего действия.

Лекция № 10