|
Глубокое понимание свойств портландцемента
и требований, предъявляемых к нему, а также проектирование и выбор клинкера
определенного минералогического состава возможны только при знании процессов,
протекающих при 'формировании прочного цементного камня из цементного порошка.
Цемент, затворенный водой и тщательно перемешанный,
образует пластичное, липкое цементное тесто. Это тесто .постепенно
загустевает и переходит в камнеподобное состояние. Превращение порошка
цемента в цементный камень с постепенным переходом через стадию образования
пластичного цементного теста определяется физико-химическими процессами,
происходящими между цементом и водой.
Клинкерные минералы, входящие в состав цементного зерна,
при соприкосновении последнего с водой начинают растворяться и химически
взаимодействовать с ней — гидратироваться, образуя гидраты
Так как цемент затворяется ограниченным количеством воды,
то в .результате растворения клинкерных минералов раствор в цементном тесте
быстро становится насыщенным. Дальнейшая их гидратация вызывает пересыщение
раствора, так как растворимость гидратов значительно меньше растворимости
клинкерных минералов. Пересыщенные .растворы в обычных условиях существовать
не могут, из них начинает выпадать растворенное вещество в виде мельчайших
частиц, в данном случае гидратов ктинкерных минералов. Эти 'частицы обладают
клеящей способностью, которая передается цементному тесту. В результате оно
хорошо прилипает к различным телам и склеивает их.
Вследствие поглощения воды клинкерными минералами на
гидратацию содержание свободной воды в цементном тесте уменьшается, что
повышает концентрацию гидратов и вызывает их слипание. При этом цементное
тесто начинает загустевать (упрочняться), теряя клеящую способность и
пластичные свойства. Период, в течение которого цементное тесто начинает приобретать
некоторую прочность, называют временем схватывания; в зависимости от величины
этой прочности различают начало и конец схватывания цементного теста. В конце
схватывания оно теряет пластичность.
Дальнейшее приобретение прочности цементным камнем определяется
более глубокими процессами уплотнения гидратиро- ванных масс клинкерных
минералов и частичным переходом последних в кристаллическое состояние.
Образующиеся при этом кристаллические сростки пронизывают цементный камень во
всех направлениях и как бы армируют его, обеспечивая высокую прочность.
Скорость твердения цемента, таким образом, будет зависеть
от скорости растворения клинкерных минералов, накопления гидратов,
последующего их уплотнения и кристаллизации.
Скорость растворения минералов различна. Быстрее всех
растворяется трехкальциевый алюминат; затем следует четы- рехкальциевый
алюмоферрит и трехкальциевый силикат и значительно медленнее других
растворяется двухкальциевый силикат. Если учесть, что клинкер в основном
составляют силикаты кальция, тогда как алюминаты содержатся в сравнительно небольшом
количестве, то становится очевидным, что цементы с высоким содержанием
трехкальциевого силиката твердеют значительно быстрее цементов с высоким
содержанием двухкаль- циевого силиката.
Скорость растворения цементного порошка и всех последующих
процессов твердения цемента зависит также от тонкости помола цемента. Чем
мельче зерна, тем большей оказывается их поверхность в одном и том же
количестве цемента, в результате улучшаются условия взаимодействия цемента с
водой. По
Для определения активности цемента сначала приготовляют
цементный раствор определенной консистенции, затем .из него изготовляют
образцы, выдерживают их'28 суток в стандартных условиях и испытывают на
прочность.
Цементный раствор приготовляют в соответствии с ГОСТ
310—60 (методы испытания цемента) следующим образом. Отвешивают 500 г цемента и 1500 г песка. Песок для испытания цементов применяется «нормальный» Вольский (ГОСТ
6139—52), характеризующийся определенной крупностью зерен (от 0,5 до 0,85 мм) и высоким содержанием двуокиси кремния (не менее 96%).
Цемент и .песок высыпают в сферическую чашку и тщательно
перемешивают лопаточкой в течение 1 мин. Затем в центре сухой смеси делают
углубление и вливают в него воду в количестве 40% от веса цемента
(водоцементное отношение равно 0,4), т. е. 200 мл. .После того как вода
впитается, смесь еще раз перемешивают вручную в течение 1 мин, а затем в стандартной
механической мешалке в течение 2,5 мин (20 оборотов чаши).
По окончании перемешивания определяют консистенцию раствора.
Для этого пользуются встряхивающим столиком с установленной на нем
формой-конусом высотой '60 мм и диаметром оснований 1100 и 70 мм.
Для определения консистенции раствора форму-конус заполняют
растворной смесью в два приема. Первый слой штыкуют 15 раз, второй—10.
Излишек раствора срезают ножом и форму-конус поднимают строго вертикально.
Полученный конус раствора встряхивают на столике 30 раз и измеряют расплыв
конуса по нижнему основанию в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Консистенция раствора считается нормальной, если расплыв конуса оказывается
равным 105—1110 мм. При меньшем расплыве конуса раствор приготовляют заново с
несколько большим количеством воды.
От величины .водоцементного отношения зависит пористость
цементного камня. На химическую реакцию цемент поглощает строго определенное
количество воды, примерно 15—20% ог своего веса. Вода, введенная в раствор
сверх этого количества, испаряется и образует в цементном камне поры,
снижающие его прочность. Чем выше В/Ц, тем больше будет пористость цементного
камня и ниже его прочность. Однако прочность цементных образцов зависит также
от степени их уплотнения. А чем пластичнее смесь, тем легче и лучше она
уплотняется при формовании образцов. Продолжительность и усилие уплотнения
раствора принимаются во всех случаях строго постоянными (одинаковое число
встряхиваний), .поэтому для получения равной степени уплотнения необходимо
применять смесь одной и той же консистенции, при'В/Ц близком к 0,40, что и
предусматривает стандарт.
Для изготовления образцов применяют металлические разъемные
трехгнездные формы. Уплотняют раствор вибрацией на виброплощадке.
При испытаниях цемента необходимо особое внимание обращать
на условия твердения. Это требование определяется тем, что на процессы
твердения цемента температура и влажность среды оказывают серьезное влияние:
с повышением температуры твердение ускоряется; недостаточная влажность так
же, как и низкая температура, может привести к замедлению или к полному
прекращению твердения. Поэтому для получения сравнимых .результатов
независимо от места и времени испытания ,цемента стандарт устанавливает
определенные требования в отношении условий твердения цемента.
Отформованные образцы вместе с формой помещают в ванну с
гидравлическим затвором при относительной влажности среды около il00% и
температуре 20±2°С и хранят в течение 24±2 ч. Затем образцы расформовывают и
укладывают в бассейн с водой в горизонтальном положении, раздельно друг от
друга. .Воду в бассейне нужно менять через каждые 14 суток.
1По истечении срока хранения образцы вынимают из воды,
насухо вытирают ,и не позднее чем через 10 мин подвергают испытанию.
Для определения марки цемента образцы испытывают в
возрасте '28 суток с момента их изготовления, подвергая каждую балочку
разрушению изгибающей нагрузкой, а затем каждую из полученных 'половинок
балочек испытывают на сжатие.
По величине предела прочности при изгибе и сжатии образцов
в возрасте 28 суток устанавливают марку цемента. При этом пределы прочности
при изгибе и сжатии для каждой марки цементов должны быть не ниже,
приведенных в I.
ГОСТ 970—61 предусматривает отличные по величине марки
цемента. Марка обозначается по пределу прочности при сжатии через 28 суток
твердения трамбованных образцов (кубов 70,7Х Х70,7Х70,7 мм), изготовленных из
раствора жесткой консистенции с нормальным песком состава 1:3 (по весу). По
этому ГОСТ принято пять марок: 300, 400, 500, 600, и 700. Более высокие значения
марок объясняются более энергичным уплотнением образцов трамбованием и низким
водоцементным отношением в пределах 0,28—0,32 и менее.
Такая величина водоцементного отношения и способ изготовления
образцов (трамбованием) по существу не отвечали условиям применения цемента в
рабочих бетонных смесях и наиболее распространенному способу их уплотнения
(вибрацией). Водоцементное отношение рабочих бетонных смесей всегда превышает
нормальную густоту цементного теста, исходя из
условий их удобоукладываемости при виброуплотнении. В заводских
условиях производства сборных железобетонных изделий В/Ц обычно равно 0,4—0,5,
снижаясь в отдельных случаях до 0,35; бетонная смесь для монолитных
конструкций имеет более высокую величину водоцементного отношения, достигающую
иногда до 0,7—0,75.
Определение активности цемента в пластичных образцах с
водоцементным отношением не менее 0,4 ближе отвечает условиям использования
цемента в бетонах. Это значительно упрощает проектирование состава 'бетона
заданной прочности.
Таковы в общих чертах основные причины отказ.а от многолетней
методики определения активности цемента на образцах из раствора жесткой
консистенции и перехода на испытание в пластических растворах.
Величина отношения активности цемента, полученной в пластичных
растворах /?Пласт и жестких растворах Rmec™, в среднем .составляет для
портландцементов 0,80, а для пуццолановых портландцементов и
шлакопортландцементов 0,70. Так, например, портландцемент марки 500,
определенной в жестких рас- створах, покажет марку 400 (500-0,8) по новому
методу испытания в пластических растворах.
Сроки схватывания портландцемента
Сроки схватывания портландцемента определяют на тесте
нормальной густоты, т. е. определенной консистенции. Нормальная густота
цементного теста характеризуется количеством воды (от веса цемента),
потребной для получения теста стандартной консистенции.
Нормальную густоту цементного теста определяют при помощи
прибора Вика. Он состоит из стержня, вертикально перемещающегося в
направляющих и заканчивающегося металлическим цилиндриком (пестик Тетмайера)
диаметром 10 мм, длиной 50 мм. Вес стержня с пестиком должен быть равен 300±2 г.
Тщательно перемешанное цементное тесто укладывают в металлическое
или эбонитовое кольцо, установленное на стеклянную пластинку.
Кольцо с тестом устанавливают ,в приборе по центру с пестиком
и доводят пестик до поверхности теста. .Зятем стержень с закрепленным в нем
пестиком освобождают, и он под действием собственного веса начинает
погружаться в .цементное тесто. За нормальную густоту цементного теста
принимается такая, при которой пестик не доходит до дна кольца на 5—1 мм.
При определении сроков схватывания отвешивают 400 г цемента, затворяют его водой в количестве, соответствующем нормальной густоте, и перемешивают.
'Сроки схватывания определяют также при помощи прибора
Вика, но при этом пестик заменяют иглой диаметром 1,1 мм, длиной 50 мм. Для того чтобы вес подвижной части прибора при замене пестика иглой сохранялся
постоянным и равным 300 г, на стержень устанавливает добавочный груз весом 27,5 г. Тщательно перемешанное тесто укладывают в кольцо прибора, как указано в предыдущем опыте.
Затем острие иглы доводят до соприкосновения с поверхностью теста, стержень
освобождают и игла под весом стержня погружается е тесто.
Началом схватывания цементного теста считается время,
прошедшее от начала затворения цемента водой до того момента, когда игла не
будет доходить до дна кольца на ;1—2 мм, а концом схватывания считается время
от начала затворения цемента до момента, когда игла будет погружаться в тесто
не более чем на 1 мм. Портландцемент должен иметь: начало схватывания не
ранее 46 мин; конец схватывания не позднее 12 ч.
Равномерность изменения объема портландцемента при
твердении
Наличие в портландцементе свободной извести и окиси магния
может повлечь образование трещин и искривление цементных образцов, что
принято называть неравномерностью изменения объема при твердении. Причиной
этого является, как отмечалось, увеличение объема СаО и MgO при их
взаимодействии
с водой (гашении) и появление в результате этого
внутренних растягивающих напряжений в цементном камне, разрывающих или
искривляющих образец.
Применяют два метода испытания цемента на равномерность
изменения объема: кипячением и выдерживанием в автоклаве при давлении пара 20
ати. Кипячением испытывают портландцемент с содержанием окиси магния до 5%.
Метод испытания в автоклаве применяют, когда содержание окиси магния в клинкере
портландцемента превышает 5%. В этом случае установить вредное влияние окиси
магния только кипячением не удается, так как она, будучи в клинкере сильно
пережженной, при температуре кипячения (100°С) гасится очень медленно.
Температура насыщенного пара в автоклаве превышает 200°С, процесс - гашения в
этих условиях резко ускоряется.
Испытание кипячением. Из приготовленного указанным выше
способом теста нормальной густоты отвешивают шесть навесок по 75 г и помещают каждую навеску в виде шарика на стеклянную пластинку, предварительно протертую
машинным маслом. Затем пластинки встряхивают до расплыва шариков в лепешки
диаметром 7—8 см и толщиной в середине около 1 см. Приготовленные таким образом лепешки хранят в течение 24±2 ч в ванне с гидравлическим затвором
при относительной влажности воздуха 100%. Затем их помещают .в бачок с водой
и кипятят в течение 4 ч. После этого лепешки в бачке охлаждают, извлекают ,из
воды и осматривают. Оставшиеся две лепешки хранят в течение 28 суток.
Цемент считают доброкачественным в отношении равномерности
изменения объема, если на лицевой стороне лепешки нет радиальных, доходящих
до краев трещин или сетки трещин, а также каких-либо искривлений и увеличения
объема лепешки. Трещины усыхания (в середине лепешки) допускаются.
Испытание в автоклаве. Две лепешки, выдержавшие испытание
кипячением, помещают на решетку автоклава, предварительно на Г2—115% объема
наполненного водой, но не доходящей до решетки; затем крышку автокл,ава
закрывают, закручивая поочередно противоположные гайки, и включают электронагревательные
приборы. Давление в автоклаве поднимают до 20±0,5 ат в течение 3/4—2 ч и
поддерживают на этом уровне в течение .3 ч. Затем нагревательные приборы
выключают и с помощью клапана давление за 1 ч доводят до наружного. После
остывания автоклава открывают его крышку и осматривают лепешки.
Тонкость помола портландцемента
Тонкость помола портландцемента может быть оценена двумя
показателями:
количеством цемента в % от веса навески, проходящего через
сито с определенным размером отверстии (метод ситового анализа);
удельной поверхностью зерен —числом квадратных сантиметров
поверхности зерен в 1 г цемента (метод воздухопроницаемости).
Эти два 'показателя связаны между собой: чем тоньше измельчен
цемент, тем больше его пройдет через данное сито при рассеве и тем
соответственно больше будет величина удельной поверхности.
Ситовый анализ. Для определения тонкости помола цемента
методом ситового анализа отвешивают 50 г цемента, предварительно высушенного в сушильном шкафу в течение 1 ч при температуре 105—110° С, высыпают его на
сито и закрывают крышкой. Сито применяют с сеткой № 008 по ГОСТ 3584-53
(размер ячейки в свету 0,08 мм).
Сетка должна быть хорошо натянута и плотно зажата в цилиндрической
Обойме диаметром 10—>15 см. На ней не должно быть остатков цемента.
Цемент просеивают с помощью механического прибора либо
вручную. Просеивание считается законченным, когда в течение 1 мин сквозь сито
при ручном просеивании проходит не более 0,05 г цемента.
Метод воздухопроницаемости. Этот метод основан на сопротивлении
столбика из цементного порошка прохождению через него 'воздуха. Сопротивление
оказывает поверхность цементных зерен, так как между поверхностью и
движущейся струей воздуха возникают силы трения. Таким образом, чем больше
поверхность цементных зерен, т. е. выше тонкость помола, тем выше суммарная
величина силы трения и меньшую воздухопроницаемость покажет столбик
цементного порошка. Для цементов отечественных заводов она равна 2500—3000
см2/г.
В качестве прибора для определения удельной поверхности
цемента применяют пневматический поверхностномер. Методика определения
сдельной поверхности цемента приведена в ГОСТ 310—60.
|