5.2.5. Структурные составляющиецементного камня

В твердеющем цементном камне можно выделить три основные структурные составляющие (рис. 5.7): 1) кристаллический сросток, образованный сросшимися друг с другом кристаллликами гидроалюминатов кальция, гидрата окиси кальция, а также гидросульфоалюмината и гидросульфоферрита кальция; 2) гелевую структурную составляющую, которой дисперсной фазой являются субмикрокристаллы гидросиликатов кальция; 3) не до конца прогидратированные зерна цемента.

Рис. 5.7. Микроструктура твердеющего цементного камня

Гелевая составляющая, называемая тоберморитовым гелем, является основным структурным компонентом цементного камня, занимающим примерно 75 % его объема.

5.2.6. Строительно-технические свойства портландцемента

Строительно-технические свойства портландцемента характеризуются истинной и насыпной плотностью, тонкостью помола цементного порошка, нормальной густотой и сроками схватывания цементного теста, тепловыделением и равномерностью изменения объема в процессе твердения, прочностью затвердевших цементно-песчаных растворов.

а) Свойства цементного порошка

Истинная плотность частиц портландцемента колеблется в пределах 3,05-3,2 г/см³, насыпная плотность цементного порошка в рыхлом состоянии  в пределах 0,9-1,1 г/ см³. Тонкость помола цемента характеризуется массой порошка, прошедшей через сито № 008 (с размером стороны ячейки в свету 0,08 мм), и удельной поверхностью, т. е. суммарной поверхностью зерен, содержащихся в единице массы цемента: проходить через сито № 008 должно не менее 85 % порошка, удельная поверхность должна быть в пределах 2000-3000 см²/г у обыч­ного портландцемента и 3500-5000 см²/г у быстротвер-деющих и высокопрочных портландцементов.

б) Свойства цемента в тесте

Определение: цементным тестом называют смесь цемента с водой.

Такие свойства цемента, как сроки схватывания, равномерность изменения объема при твердении и др., определяют на цементном тесте нормальной густоты, т. е. заранее заданной стандартной консистенции (пластичности).

Определение: нормальную густоту цементного теста характеризуют количеством воды в процентах от массы цемента.

Ее определяют на приборе Вика (рис. 5.8), состоящем из круглого металлического стержня 1, свободно перемещающегося в вертикальном направлении в обойме станины 5 и закрепляемого на нужной высоте зажимным винтом 4. Глубину погружения стержня определяют по шкале 3 прибора с указателем 2, закрепленным на стержне. В нижнюю часть стержня вставляется металлический цилиндр  пестик 6 (измеритель густоты цементного теста). Масса стержня с пестиком составляет 300 г.

Рис. 5.8. Прибор Вика

1  Цилиндрический стержень; 2  указатель для отсчета перемещения стержня;

3  Шкала; 4  зажимной винт; 5  обойма станины; 6  пестик

Приготовленное цементное тесто помещают в металлическое кольцо конической формы, установленное на стеклянную пластинку, смазанную машинным маслом. Стержень с пестиком опускают до соприкосновения с поверхностью цементного теста и закрепляют зажимным винтом. Затем освобождают закрепляющий винт, и пестик свободно погружается в цементное тесто.

За нормальную густоту цементного теста принимают такую его консистенцию, при которой пестик прибора Вика не доходит до дна на 5-7 мм.

Свойства цемента необходимо определять на тесте нормальной густоты, так как с изменением количества воды, а следовательно, и консистенции цементного теста будут изменяться и его свойства. Для получения теста нормальной густоты необходимо 24-28 % воды.

По ГОСТ 1017876 требуется, чтобы начало схватывания цементного теста наступало не ранее 45 мин, а конец наступал не позднее 10 ч.

За начало схватывания принимается период времени от момента затворения до начала загустевания, а за конец схватывания – время от момента затворения до полной потери цементным тестом пластичности.

Введенный в состав цемента гипс замедляет сроки схватывания, так как в его присутствии при взаимодействии цемента с водой вокруг гидратирующихся цементных зерен образуются экранирующие оболочки, препятствующие дальнейшему растворению клинкерных минералов. Все, что замедляет образование экранирующих пленок вокруг гидратирующихся цементных зерен или повышает растворимость клинкерных минералов и степень пересыщения жидкой фазы цементно-водной суспензии, ускоряет схватывание цементного теста. К таким факторам относятся: увеличение тонкости помола цемента, повышение в цементе содержания С₃А  клинкерного минерала с наибольшей скоростью растворения, введение в цемент или в воду затворения добавок, увеличивающих растворимость некоторых клинкерных минералов, например хлористого кальция СаСl₂, поташа К₂СО₃, а также рост температуры.

в) Свойства цемента в камне

Тепловыделение при твердении цемента. Тепловыделение в процессе схватывания и твердения цементного теста обусловливается экзотермическими реакциями гидратации клинкерных минералов. Количество тепла, выделяющегося в процессе гидратации цементов, определяется их минералогическим составом. Тепловыделение отдельных клинкерных минералов в условиях полной гидратации характеризуется следующими данными, кал/г (кДж/кг): С₃А = 260 (1090); C₃S = 160 (670); C₄AF = 136 (570); C₂S = 84 (352).

Чем выше содержание в цементе С₃А и C₃S, тем больше его тепловыделение.

Тепловыделение цемента, особенно в первые сроки твердения, существенно повышается с увеличением тонкости помола цемента и при введении в его состав химических добавок, ускоряющих процесс гидратации. Тепловыделение 1 г цемента за 7 сут твердения в зависимости от его минералогического состава и тонкости помола колеблется в пределах 40-80 кал/г (168-335 кДж/кг).

Равномерность изменения объема при твердении. Процесс твердения цементного камня сопровождается объемными деформациями: набуханием при твердении в воде, усадкой при твердении на воздухе. Однако все цементы должны характеризоваться в процессе твердения равномерным изменением объема.

Одной из причин неравномерного изменения объема цементного камня при твердении является наличие в клинкере свободных СаО и MgO, гидратация которых после конца схватывания цементного теста сопровождается возникновением в твердевшем цементном камне больших внутренних напряжений.

Испытание на равномерность изменения объема при твердении производится на образцах-лепешках, изготовленных из цементного теста нормальной густоты. На рис. 5.9 показаны образцы, выдержавшие и не выдержавшие испытание на равномерность изменения объема при твердении. Цементы, не выдержавшие испытания на равномерность изменения объема при твердении, признаются некачественными и не должны применяться в строительстве.

Прочность цементного камня в первом приближении определяется его относительной плотностью d, равной отношению средней плотности цементного камня в высушенном состоянии ₀ к его истинной плотности :

d = ₀/.

Рис. 5.9. Лепешки из цементного теста

а  выдержавшие испытания на равномерность изменения объема;

б  не выдержавшие испытания

Прочность цементного камня R_цк. в зависимости от его относительной плотности d описывается эмпирической формулой

R_ц.к. = Adⁿ = 3100[(1 + 0,23α р_ц)/(1+ р_ц·В/Ц)]^2,7, (1)

где α – степень гидратации цемента; р_ц – безразмерная величина, равная отношению истинной плотности цемента к плотности воды, отн. ед.; 0,23 – масса воды, химически связанная при гидратации цемента, отн. ед.; В/Ц – водоцементное отношение, отн. ед.

Из формулы (1) следует, что прочность цементного камня тем выше, чем больше степень гидратации цемента α и чем меньше водоцементное отношение В/Ц.