свойства цемента

Свойства ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

• Плотность ПЦ составляет 3000-3100 кг/м3, насыпная плотность 1050-1120 кг/м3.

• Нормальная густота (НГ), содержание воды в процентах, которую необходимо ввести, чтобы получить удобоукладываемое тесто при стандартном способе уплотнения. НГ должна находиться в пределах 24-27%, с увеличением НГ цементов сверх 27, на каждый 1% роста, необходимо ввести в бетонную смесь дополнительно 3-5 л воды для получения требуемой подвижности. Нормальная густота цемента может достигать 30-32 %, что в основном связано с введением активных минеральных добавок, разработаны специальные цементы нормальная густота которых составляет 21-22% - такие вяжущие называют вяжущие низкой водопотребности (ВНВ). ГОСТ не регламентирует водопотребность цементов.

• Сроки схватывания. В ГОСТ сроки схватывания характеризуются временем изменения реологических свойств, оцениваются методом пенетрации (Стандартный метод основан на применении прибора Вика)

Начало схватывания До 45 минут; от 45 минут до 2 часов; более 2 часов; Конец схватывания не позднее 10 часов

(В зарубежных стандартах конец схватывания не нормируют).

Требования по срокам схватывания должны быть обеспечены при производстве специальных изделий и конструкций, технологиях монолитного строительства. Цементы с повышенным содержанием алюминатов кальция характеризуются короткими сроками схватывания.

Для регулирования сроков схватывания расход гипсового камня увеличивают, но т.к. избыточное количество гипса повлияет на другие физико-механические свойства цемента, то его количество должно быть оптимальным.

Для регулирования сроков схватывания и ускорения процессов структурообразования при помоле вводят специальные добавки – ускорители или кристаллизаторы, например: отходы химико-минералогического производства – кренты (вводится в процессе помола в количестве 10% от массы цемента, свойства цемента с такой добавкой приближаются к быстротвердеющему).

Цементное тесто склонно к водоотделению, вследствие этого цементный камень имеет неоднородную структуру, поверхностные слои содержат менее плотный цементный камень, пронизанный капиллярами, что предопределяет проблемы при производстве бетонов: водопроницаемость повышается, понижается долговечность, т.к. по капиллярам обеспечивается глубокое проникновение воды и агрессивных сред в тело бетона. Возникают процессы морозной деструкции и коррозионного разрушения. Водоотделение проявляется при вибрационном уплотнении, транспортировке. Снизить водоотделение можно применением добавок: активных минеральных типа диатомит, трепел, опока; пластифицирующих ПАВ.

• Тепловыделение.

При гидратации клинкерных минералов выделяется тепловая энергия, в зависимости от минерального состава тепловыделение изменяется, ниже приведена теплота выделяемая при гидратации минералов портландцемента за 28 суток твердения:

Q²⁸ C₃S = 487 Дж/г,

Q²⁸ C₂S = 168 Дж/г,

Q²⁸ C₃А = 873 Дж/г, Q²⁸

C₄АF = 376 Дж/г,

в теплотехнических расчетах учитывают тепловыделение за 3 сут. Q³ = 113-376 Дж/г, наиболее интенсивное тепловыделение происходит в течение 6-10 часов.

В технологиях бетона может происходить самотермообработка, если применить «термосное» твердение, т.е. исключить потери тепла в окружающую среду, цементы с высоким тепловыделением выгодно применять при производстве работ в условиях отрицательных температур.

Цементы с высоким тепловыделением запрещено применять для бетонов массивных сооружений, т.к. в конструкции возникают высокие градиенты температур, возникают растягивающие напряжения, которые приводят к значительным дефектам- трещинам в массиве бетоне. Температурные деформации 9∙10^-6

• Изменения объема системы: цемент-вода, приводящие к усадке.

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

Карбонизационная усадка. Вызвана карбонизацией Са(ОН)₂ и развивается постепенно с поверхности вглубь, т.к. она происходит в затвердевшем цементном камне особенно опасна в преднапряженных конструкциях, изделиях с большим модулем поверхности.

Влажностная усадка. Объемные деформации в цементном камне связаны с удалением воды из влажного камня, возникают сильные растягивающие напряжения в материале. В том случае, если величина напряжений больше предела прочности на растяжение, появляются микро- и макродефекты, которые вызывают появление трещин.

Набухание. В отдельных системах вяжущих при повышении влажности цементного камня наблюдается разуплотнение с увеличением объема– набухание. Набухание, значительно меньше усадки, ≈ 30-50%.

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.

Основной технико-экономический показатель цементов

Активность, марка и класс цемента по прочности.

Из цементно-песчаного раствора изготавливают серию образцов-балочек, размером 4х4х16 см. после 28 суток твердения (1 сутки на воздухе, 27 суток в воде) образцы подвергают испытаниям: сначала 3 балочки испытывают на прочность при изгибе, затем полученные 6 образцов-половинок балочек испытывают на сжатие.

Прочность при изгибе R_изг, МПа, отдельного образца-балочки вычисляют по формуле

,

где F - разрушающая нагрузка, Н;

b - размер стороны квадратного сечения образца-балочки, м;

l - расстояние между осями опор, м.

За прочность при изгибе принимают среднеарифметическое значение результатов испытаний трех образцов. Результат вычисления округляют до 0,1 МПа.

Прочность на сжатие R, МПа, отдельной половинки образца-балочки вычисляют формуле

,

где F - разрушающая нагрузка, Н;

S - площадь рабочей поверхности нажимной пластинки, 25 см².

За прочность на сжатие принимают среднеарифметическое значение результатов испытаний шести половинок образцов-балочек. Результат вычисления округляют до 0,1 МПа.

Если один из шести результатов отличается более чем на 10 % от среднеарифметического значения, этот результат следует исключить и рассчитывать среднеарифметическое значение для оставшихся пяти результатов.

Если еще один результат отличается более чем на 10 % от среднеарифметического значения оставшихся пяти результатов, испытания считают выполненными неудовлетворительно, в этом случае все результаты признают недействительными.

Активность- фактическая прочность при сжатии, определенная по результатам испытания образцов в возрасте 28 суток.

Марки портландцемента 400, 500, 550, 600. Допустимой является и марка 300.

Цемент Марки 700 применяются для специальных портландцементов.

Марка означает допустимый нижний предел прочности при сжатии с учетом прочности при изгибе.

Класс по прочности устанавливается путем математической обработки результатов анализируемого периода (месяц). Классы ПЦ В 32.5; В42.5; В52.5

Группа эффективности цементов по результатам пропаривания определяется обязательно и характеризует величину прочности цементного камня при пропаривании по режиму 2+3+6+2. Такие данные необходимы для заводов ЖБИ, где проводится прием ускоренного твердения бетона при тепловлажностной обработке. По результатам испытаний в короткий временной промежуток устанавливается прочность цемента.

Группа	Вид цемента	Прочность при сжатии, МПа
		22.5 (300)	32.5(400)	42.5(500)	52.5(600)
1, К> 0.68 Высокоэффективный	ПЦ ШПЦ	> 23 > 21	> 27 > 25	> 32 > 30	> 38 -
2, К= 0.68 - 0.57 Среднеэффективный	ПЦ ШПЦ	20-23 18-21	24-27 22-25	28-32 26-30	33-38 -
3, К менее 0.56 Низкоэффективный	ПЦ ШПЦ	< 20 < 18	< 24 < 22	< 28 < 26	- -

Коэффициент К= Прочность по результатам пропаривания

Прочность при нормальном твердении в возрасте 28 сут

Прочность определяется прежде всего минеральным составом портландцемента.

Прочность цементного камня не может быть рассчитана, она функционально связана с концентрацией гидратированной твердой фазы и пористостью.

Пористость цементного камня

Строение цементного камня. Цементный камень является капиллярно-пористым телом, состоящим из различных твердых фаз, представленным преимущественно субмикрокристаллами, способными удерживать некоторое количество воды.

Капиллярная пористость с течением времени уменьшается, т.к. продукты гидратации заполняют часть пространства пор, занятого водой затворения, однако не все поры могут быть заполнены продуктами гидратации. При В/Ц более 0.65 даже при полной гидратации цемента образующихся продуктов гидратации недостаточно, чтобы блокировать все капилляры, поэтому цементный камень будет иметь низкую морозостойкость и высокую водопроницаемость.

Свойствами цементов управляют:

• Минеральным составом портландцемента

• Вещественным составом - введением специальных добавок

• Тонкостью помола цемента

Кроме активных минеральных добавок в состав цемента могут входить:

Наполнители. Улучшающие зерновой состав и структуру затвердевшего цементного камня, не обладающие гидравлическими свойствами

Технологические - инициаторы помола и обжига

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

Гидрофобизирующи е- обеспечивают уменьшение смачиваемости порошкового цемента и гидрофобизирующие камень

Полифункциональные добавки- влияют на два и более свойств цемента

Добавки повышающие прочность, на современном этапе это в основном пластифицирующие-водопонижающие добавки.

Общие сведения о ПАВ в цементных системах

Размер зерен цемента составляет 1-100 мкм, величина удельной поверхности в среднем составляет 3000-3500 (в определяемый параметр не входит поверхность микротрещин, микрорельеф и поры). В 1 м³ бетона, при расходе цемента ≈ 400 кг, суммарная площадь частиц составляет 800000 м², если добавить площадь заполнителей, то площадь суммарной поверхности составит ≈ 1 км². Вода, вводимая в цементные композиции должна смочить и равномерно распределиться по поверхности цементных частиц и заполнителей. Этому препятствует один из показателей - поверхностное натяжение, т.е. между молекулами воды действуют значительные силы, препятствующие ее растеканию. Действие сил проявляется в том, что из-за поверхностного натяжения в свободном состоянии вода находится не в виде пленки, а в шарообразно-капельной форме. При введении поверхностно-активных веществ ПАВ изменяется поверхностное натяжение воды, и тем самым обеспечивается растекание воды по поверхности цементных частиц.

Кроме этого на поверхности частиц, в микротрещинах и порах адсорбирован воздух, ухудшающий смачивание и негативно влияющий на прочность. Поэтому одной из задач ПАВ является: эмульгировать воздух в воде, что приведет к росту смачиваемости цемента.

Следует учитывать, что при взаимодействии цемента с водой происходит агрегатирование частиц - образование флокул. Флоккулы «захватывают» воду, поэтому чтобы обеспечить удобоукладываемость расход воды приходится увеличивать. Значит, еще одной задачей ПАВ будет снижение флокуляции цемента.

При изготовлении бетонов и растворов для повышения удобоукладываемости решается противоречивая проблема: с одной стороны можно увеличить расход воды и тем самым повысить качество перемешивания, транспортировки, укладки; с другой стороны для повышения прочности количество воды необходимо снизить до значений близких к теоретическому количеству воды, необходимому для протекания реакций гидратации (приблизительно 20—23% от массы цемента). Потому, что вода не связанная в гидратные новообразования испаряясь образует поры, что обуславливает: усадку; снижение прочности, особенно на растяжение при изгибе; способность цементного камня поглощать агрессивные среды и т.д. Чем больше капиллярная пористость, тем больше диффузия агрессивной среды в цементный камень, тем более вероятно протекание коррозионных процессов.

Для снижения величины В/Ц применяют вибрационные режимы уплотнения, т.е. за счет вибрации цементные композиции приобретают жидкотекучие свойства, однако вибрационные методы не решают проблему полностью. В современном строительстве используют технологию монолитного бетонирования, когда смесь подают к месту укладки. Для обеспечения транспортабельности назначают для удобоукладываемость бетонной смеси - 15-20 см. При бетонировании конструкций сложной формы, с высокой степенью армирования в современную строительную практику внедряют «самоуплотняющиеся» бетоны. Поэтому вопрос о использовании ПАВ пластифицирующего действия является одним из актуальных направлений совершенствования качества цементных конгломератов.

Технология производства ЖБИ имеет такие регламентируемые показатели, как остаточная влажность бетона. Так для стеновых конструкций допускаемая отпускная влажность 12%, монтаж изделий с более высокой влажностью вызовет промерзание стен. Кроме этого, повышаются затраты на создание микроклимата в помещениях, тепло расходуется на сушку стен. За счет применения ПАВ снижается расход воды для приготовления бетонной смеси, снижается влажность бетонных конструкций.

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.

В качестве гидрофобизаторов применяют: алкилхлорсиланы; метилсилоксан; кремний органические жидкости ГКЖ 10, ГКЖ 11, ГКЖ 9, ГКЖ 94; отходы нефте-химического синтеза, целлюлозно-бумажной промышленности; окисленный петралатум; кубовые остатки синтетических жирных кислот; соапстоки растительного масла. Нафтеновые кислоты содержатся в нефти (чем больше кислот, тем хуже качество нефти) ≈ 0.1-1.2%. Все соединения имеют гидрофильную «головку» и полярную группу – ОН, - СООН, SO₃H, OSO₃H, NH₂

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.

Тип цемента	Наименование цемента	Сокращенное обозначение цемента	Вещественный состав цемента, % массы*
			Основные компоненты										Вспомогател. компоненты
			Портландцементный клинкер Кл	Доменный или электротермофосфорный гранулированный шлак Ш	Пуццолан П	Зола-уноса З	Глиеж или обожженный сланец Г	Микрокремнезем МК	Известняк И
ЦЕМ I	Портландцемент	ЦЕМ I	95 - 100	-	-	-	-	-	-		0 - 5
ЦЕМ II	Портландцемент с минеральными добавками**:
	шлаком	ЦЕМ II/А-Ш	80 - 94	6 - 20	-	-	-	-	-		0 - 5
		ЦЕМ II/В-Ш	65 - 79	21 - 35	-	-	-	-	-		0 - 5
	пуццоланой	ЦЕМ II/А-П	80 - 94	-	6 - 20	-	-	-	-		0 - 5
	золой-унoca	ЦЕМ II/А-З	80 - 94	-	-	6 - 20	-	-	-		0 - 5
	глиежем или обожженным сланцем	ЦЕМ II/А-Г	80 - 94	-	-	-	6 - 20	-	-		0 - 5
	микрокремнеземом	ЦЕМ II/А-МК	90 - 94	-	-	-	-	6 - 10	-		0 - 5
	известняком	ЦЕМ II/А-И	80 - 94	-	-	-	-	-	6 - 20		0 - 5
	композиционный портландцемент***	ЦЕМ II/А-К	80 - 94	6 - 20									0 - 5
ЦЕМ III	Шлакопортландцемент	ЦЕМ III/A	35 - 64	36 - 65	-	-	-	-	-		0 - 5
ЦЕМ IV	Пуццолановый цемент***	ЦЕМ IV/A	65 - 79	-	21 - 35					-		0 - 5
ЦЕМ V	Композиционный цемент***	ЦЕМ V/A	40 - 78	11 - 30	11 - 30	-	-	-	-		0-5
* Значения относятся к сумме основных и вспомогательных компонентов цемента, кроме гипса, принятой за 100 %. ** В наименовании цементов типа ЦЕМ II (кроме композиционного портландцемента) вместо слов «с минеральными добавками» указывают наименование минеральных добавок - основных компонентов. *** Обозначение вида минеральных добавок - основных компонентов должно быть указано в наименовании цемента. Примечание - В таблице приведен вещественный состав портландцемента со шлаком подтипов А и В; для остальных цементов типа ЦЕМ II и цементов типов ЦЕМ III - ЦЕМ V приведен вещественный состав подтипа А.