Для студентов обучающихся по специальности «Производство строительных изделий и конструкций»

Минеральные вяжущие вещества

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Интенсивность твердения смеси вяжущего вещества с водой и достигаемая при этом прочность системы в начальный и последующие периоды времени зависят от многих факторов — свойств исходных материалов, содержания их в смеси, добавок и температурно-влажностных условий протекания физических и физико-химических процессов и др.

Следует отметить, что еще 15—20 лет назад при изучении проблемы твердения вяжущих веществ главное внимание уделялось химическим и физико-химическим процессам и, в частности, механизму взаимодействия с водой. При этом недостаточно учитывалось их влияние на микроструктуру гидратных новообразований и всей системы в целом, которая, в свою очередь, предопределяет физико-механические свойства (прочность, деформа-тнвность и др.), а также долговечность последней, Недооценивался и ряд явлений чисто физического характера, важных для синтеза прочности и регулирования дефор-мативности структур.

Можно полагать, что постепенно будет разработана общая теория твердения вяжущих веществ, комплексно учитывающая влияние протекающих при этом физических и физико-химических процессов на все основные свойства затвердевших систем и обеспечивающая прогнозирование их в оптимальных показателях на основе учета свойств исходных материалов и направленного регулирования процессов твердения.

Существующие в настоящее время теории твердения вяжущих веществ (А. Ле Шателье, В. Михаэлиса, А. А. Байкова и др.) развивают преимущественно физико-химические представления о механизме образования гидратных соединений и твердения смесей вяжущих веществ с водой при их взаимодействии друг с другом.

А. Ле Шателье предложил кристаллизационную теорию твердения (1887 г.), по которой вяжущее вещество, смешанное с водой, вначале растворяется и далее взаимодействует с ней, образуя гидратные соединения. Будучи менее растворимыми в воде, чем исходное вещество, они образуют пересыщенный раствор, из которого и выпадают в виде тонкодисперсных частичек—кристаллитов. Последние, срастаясь и переплетаясь друг с другом, вызывают схватывание и твердение всей системы. Известно, что А. Ле Шателье разработал свою теорию с учетом преимущественно тех процессов, которые наблюдаются при твердении полу водного гипса.

По коллоидной теории твердения портландцемента, предложенной В. Михаэлисом в 1893 г., при смешении цемента с водой вначале образуются пересыщенные растворы гидроксида кальция и гидроалюминатов кальция. Они выделяются из раствора в виде осадков кристаллической структуры. В. Михаэлис считал, что эти осадки активного участия в гидравлическом твердении не принимают. За его основу он принимал гелевидную массу, возникающую во время образования гидросиликатов кальция непосредственно на поверхности частичек исходного цемента. Из этой массы, по мнению В. Михаэлиса, более глубоко расположенные слои цементных зерен отсасывают воду, причем масса уплотняется и обеспечивает твердение системы.

Развитию коллоидной теории твердения в большой мере способствовал Г. Кюль.

Как уже отмечалось, А. А. Байков в 1923 г. выдвинул теорию твердения вяжущих веществ, в большой мере обобщающую взгляды А. Ле Шателье и В. Михаэлиса.

Основные положения его теории изложены в п. 5 главы 1. Напомним, что, по А. А. Байкову, вяжущее в первый период растворяется в воде до образования насыщенного раствора. Второй период характеризуется прямым присоединением воды к твердой фазе вяжущего и возникновением гидратных соединений высокой коллоидной дисперсности без промежуточного растворения исходного материала. Одновременно происходит схватывание массы. В третий период идут процессы перекристаллизации частичек новообразований коллоидных размеров в более крупные, что сопровождается твердением системы и ростом ее прочности.

В последующем развитию теории твердения вяжущих веществ в большой   мере   способствовали   исследования

B.        А. Кинда, В. Н. Юнга, П. П. Будникова, В. Ф. Журавлева, Ю. М. Бутта, П. А. Ребиндера,    Н.   А.   Торопова, C.            Д. Окорокова, И. В. Кравченко, Т. В. Кузнецовой,

Ю. С. Малинина, О. П. Мчедлова-Петросяна, А. А. Пащенко, С. М. Рояка, М. И. Стрелкова, М. М. Сычева, В. В. Тимашева, М. Ф. Чебукова, А. Е. Шейкина, В. И. Сатарина, Б. В. Волконского и др.

По современным данным, взаимодействие воды с частичками портландцемента начинается с адсорбции ее молекул на поверхности клинкерных фаз, сопровождаемой в последующем хемосорбциоиными процессами, обусловливающими возникновение первичных гидратных новообразований различного состава как на поверхности зерен, так и в пространстве между ними.

Как уже указывалось, на поверхности цементных частичек в начальной стадии образуется гелевая пленка из гидратов, включающая в первую очередь первичный гидросиликат C3SH.V. Вследствие гидролиза первичных гидратов, растворения в воде как их, так и безводных соединений, диффузии растворенных веществ в пространство между зернами цемента в пределах их начального контура возникает в виде тончайших лепестков вторичный, «внутренний» гидрат С—S—Н (I), по X. Тейлору, или CSH (В), по Р. Боггу. В пространстве же между зернами создаются условия для  взаимодействия  с продиффундировавшими сюда ионами Са2+, ОН~ и кремнекис-лоты с образованием третичных («внешних») гидросиликатов кальция состава (1,5—2)CaO-Si02-ftH20 [С—S— —Н (II), по Тейлору, или C2SH2, по Р. Боггу]. Последние выделяются в виде волокон и игл и отличаются более высокой степенью кристаллизации по сравнению с С—S—Н (I). Одновременно идет образование эттринги-та C3A-3CaS04-32H20 и выделение кристаллов Са(бН)^ из его пересыщенных растворов. В результате формируется гелевидная структура цементного камня.

Описанные процессы взаимодействия цемента с водой базируются на результатах многих исследований. В частности, по Т, Пауэрсу, первичные гидраты образуются при реакции компонентов в переходной зоне размером в 1—3-10~''' мкм между границей исходного материала и образовавшейся гелевндной пленкой, обволакивающей зерно. Эта зона заполнена пересыщенным водным раствором Са(ОН)2, кремнезема, глинозема и других веществ. При этом но мере прохождения процессов образующиеся гидросиликаты кальция отлагаются преимущественно на внутренней поверхности гелевой оболочки, обусловливая ее рост внутрь зерна; часть же веществ диффундирует через оболочку и выделяется из раствора в пространство между зернами.

Т. Пауэре считает, что гель состоит из частичек новообразований размером 5—20-Ю-3 мкм и гелевых пор 1,5—2-Ю-3 мкм. Гель пронизывают более крупные капиллярные поры, заполненные водой или воздухом. При полной гидратации цемента объем твердой фазы вместе с гелевыми порами увеличивается в 2—2,2 раза (по сравнению с исходным объемом твердой фазы). По мнению Т. Паузрса, объем гелевых пор при самой плотной укладке частичек новообразований не может быть меньше 28 % общего объема геля. По другим данным, объем пор может снижаться до 24 % и даже меньше.

Если взять суспензию с водоцементиым отношением меньше 38—40 %, то в ней даже при самых благоприятных условиях полная гидратация цементных частичек, по Т. Пауэрсу, не может быть достигнута. Это объясняется тем, что объем взятой для затворения воды заполняется гелем. Дальнейшая гидратация прекращается из-за отсутствия свободного пространства в виде капиллярных пор для размещения новых порций  гидратных  соединений. Гелевые же поры слишком малы, чтобы в них могли отлагаться даже ничтожные по размеру частички новообразований.

Однако, по другим данным, диаметр гелевых пор в

зависимости от размера частичек новообразований мо

жет колебаться в более широких пределах—1—100Х

ХЮ~3 мкм.

Ю. С. Малинин с сотрудниками в результате исследований процессов твердения цемента пришел к следующим важным выводам. Алит растворяется в воде за-творения инконгруэитно, т. е. разлагаясь на Са(ОН)2 и гель кремнекислоты. При этом концентрация СаО в растворе достигает 500—1500 мг/л, а концентрация Si02 не превосходит 15—30 мг/л, т. е. во много раз меньше, чем необходимо по стехиометрическим соотношениям. Не-растворившийся кремнезем остается в пределах контура исходного зерна. На основании этого можно полагать, что в начале взаимодействия цемента с водой алит дает Са(ОН)2 и кремнезем (в виде свободных радикалов SiOj"). В последующем между Са(ОН)2 и этими радикалами, находящимися в твердой фазе, идет реакция с образованием гидросиликатов кальция приближенного состава 1,8 CaO-Si02- 1,9H20. Избыток же Са(ОН)2 отлагается в межзерновом пространстве.

Частички новообразований характеризуются высокой дисперсностью. Удельная их поверхность достигает 200—400 м2/г, т. е. кристаллиты гидросиликатов кальция достигают толщины только двух-трех элементарных слоев. Частички могут иметь форму лепестков, волокон или иголок, что, по некоторым данным, зависит от состава новообразований и условий их возникновения. При указанной величине кристаллитов гидросиликатов кальция от половины до 2/з всех слагающих их атомов и ионов находится на поверхности и, следовательно, они характеризуются наличием свободной энергии, обусловливающей связь частичек новообразований и твердение всей системы.

Как уже отмечалось, гидросиликаты кальция группы С—S—Н (I), по X. Тейлору, или CSH (В), по Р. Боггу, а также гексагональные формы гидроалюминатов кальция имеют слоистую кристаллическую решетку и способны отдавать и принимать обратно определенное количество воды, заключенной между элементарными слоями решетки, без ее нарушения. Это сопровождается деформаниями усадки и набухания, что необходимо учитывать при использовании цемента в бетонах.

В связи с накоплением большого объема экспериментальных данных всевозрастающее число исследователей склоняется к гипотезе о смешанном механизме взаимодействия вяжущих веществ с водой, когда гидратация их протекает одновременно как топохимически, т. е. на поверхности раздела твердой и жидкой фаз, так и с растворением исходного вещества (А. В. Волженский, Ю. С. Малинин, С. Д. Окороков, А. А. Пащенко, М. М. Сычев, Н. Декамп, Р. Коидо и С. Узда, Р. Маиьян, Г. Функ и др.).

По А. В. Волженскому [14], механизм образования цементирующих соединений зависит от свойств вяжущих веществ и от условий их взаимодействия с водой. Взаимодействие это может проходить одновременно как при прямом присоединении воды к твердой фазе, т. е. по схеме А. А. Байкова, так и через водную фазу с растворением веществ, т. е. по схеме А. Ле Шателье. По его мнению, предпосылок к прямому присоединению воды к твердой фазе тем больше, чем реакционноспособиее вяжущее при взаимодействии с водой, чем больше внешняя и внутренняя поверхности его частичек, чем меньше воды в смеси, чем выше температура реагирующей  смеси.

Разная степень воздействия и противоречивая «игра» основных факторов, влияющих на механизм реакций, должны предопределять, по какой схеме будут преимущественно образовываться новые соединения, обусловливающие твердение системы. Не исключена вероятность того, что в начале твердения системы гидратация будет идти в основном по одной схеме, в дальнейшем же возможны изменения из-за иных условий реакции (уменьшения количества воды, изменения температуры и т. п.).

Но механизм возникновения гидратных новообразований важен не сам по себе. Он должен очень сильно влиять на свойства затвердевшей системы.

Можно предполагать, что чем интенсивнее будет взаимодействие вяжущего с водой в твердой фазе, тем выше окажется степень дисперсности частичек ценообразований и тем больше дефектов будет в их структуре. Образование же гидратных соединений в окружающей водной среде особенно при избытке воды по схеме А. Ле Шателье должно приводить к появлению менее дисперсных частичек с более  упорядоченной   структурой.   Частички предельно высокой дисперсности со структурой, едва распознаваемой рентгеноскопически, должны характеризоваться исключительно развитой удельной поверхностью и соответственно большим потенциалом поверхностной энергии. Это должно предопределять не только адсорбцию частичками новообразований большого количества воды, но и ярко выраженную связующую способность вновь образовавшейся твердой фазы при повышенной склонности к необратимым пластическим деформациям.

Достаточно распространенное мнение о том, что прочность затвердевшего вяжущего тем выше, чем крупнее слагающие его частички, ошибочно. Можно полагать, что связующая способность одного и того же вяжущего вещества тем выше, чем больше удельная поверхность частичек новообразований при оптимальной их концентрации в единице объема. Это вытекает из того, что чем выше дисперсность частичек, тем больше точек соприкосновения и тем выше взаимосвязь между ними вследствие ван-дер-ваальсовых и электростатических сил физического порядка, обусловливающих начальный эффект твердения. Несомненно, на связующую способность новообразований должна сильно влиять и форма их частичек. В то же время развиваются и чисто химические связи, прочно соединяющие частички новообразований с помощью основных и побочных валентностей. С увеличением времени твердения связи химического порядка между частичками новообразований цементного камня все более активно участвуют в создании прочности.

В соответствии со сказанным увеличение прочности твердеющей смеси вяжущего с водой при уменьшении водовяжущего отношения обусловливается не только уменьшением капиллярной пористости камня, но и благоприятным изменением структуры частичек новообразований, приобретающих тем большую дисперсность и связующую способность, чем меньше В/В. Это явление, в частности, выявлено в опытах с полуводным гипсом (см. главу 1).

Большая дисперсность частичек новообразований, обусловливая их повышенную связующую способность, оказывает на нее и отрицательное влияние вследствие адсорбции частичками значительного количества воды. Водные оболочки, возникая на поверхности частичек, расчленяют их и, погашая действие сил физического порядка, ухудшают взаимосвязи между частичками, обусловливая снижение прочности твердеющего вяжущего. Вместе с тем водные оболочки уменьшают концентрацию твердой фазы и увеличивают ползучесть цементного камня. Прочность затвердевших вяжущих во влажном состоянии определяется преимущественно более устойчивыми химическими связями.

По мере высыхания твердеющего вяжущего все большую роль в повышении прочности начинают играть ван-дер-ваальсовы силы, освобождающиеся по мере удаления водных оболочек с поверхности частичек новообразований.

Возникновение частичек новообразований по той или иной схеме должно сопровождаться процессом их укрупнения или за счет отложения новых порций вещества из раствора, или за счет перекристаллизации наиболее мелких и дефектных из них (по структуре), особенно в тех участках системы, где взаимодействие исходного материала с водой уже завершается. Как известно, перекристаллизация ускоряется и размеры более крупных частичек увеличиваются тем больше, чем выше растворимость новых соединений при данной температуре системы.

Таким образом, через некоторое время при твердении вяжущих, особенно полиминеральных, система должна состоять не только из не прореагировавших с водой частичек исходного вещества, но и из частичек новообразований самых различных размеров в зависимости от их растворимости, количества жидкой фазы, температуры системы и некоторых других факторов. И если в вяжущем наиболее растворимые из образовавшихся соединений, например Са(ОН)2, через некоторое время будут иметь вид кристаллов, обнаруживаемых с помощью оптического микроскопа, то мало-растворимые в воде (а особенно в насыщенном растворе Са(ОН)2] гидросиликаты кальция к этому времени будут еще весьма дисперсными частичками. Они нераспознаваемы с помощью оптического микроскопа и откосятся к гелям (размеры их меньше 0,2—0,1 мкм). Однако и эти полукристаллические частички гелевидных гидросиликатов кальция могут иметь разные размеры — от 0,005—0,02 до 0,1—0,2 мкм.

Отсюда следует, что и так называемые гели в затвердевшем цементном камне могут существенно различаться по величине слагающих их частичек, а следовательно, по связующей способности и по многим техническим свойствам. Гели, только что возникшие при взаимодействии исходного вяжущего с водой, будут состоять из частичек с предельно малыми размерами; гели же, образовавшиеся раньше, должны характеризоваться более грубой структурой, слагаемой более крупными частичками с меньшей удельной поверхностью и связующей (клеящей) способностью.

Таким образом, в ходе взаимодействия вяжущего вещества с водой и твердения всей системы проявляется влияние двух противоположных тенденций, в разные сроки твердения с разной интенсивностью сказывающихся на конечном результате — технических свойствах затвердевшего камня.

В начальный период твердения системы, когда с большой скоростью идет накопление высокодисперсных продуктов реакции вяжущего с водой, механическая прочность в основном определяется количеством новообразований, возникающих к тому или иному моменту, преимущественно в виде гелей. Одновременно идет и процесс старения гелей, при этом частички укрупняются, а следовательно, ухудшаются и связующие свойства вследствие уменьшения точек соприкосновения между частичками. Однако в целом система продолжает набирать прочность, так как ухудшение связующих свойств с избытком компенсируется вначале образованием дополнительных количеств гндратных соединений с высокой степенью дисперсности. Но с течением времени взаимодействие вяжущего с водой может уменьшиться, например, из-за возникновения экранирующих пленок из продуктов гидратации на частичках исходного материала или гидратации наиболее реакционноспособных тонких фракций последнего. В этот период значение суммарной поверхности частичек новообразований вследствие преобладания процесса укрупнения частичек над процессом их образования начнет уменьшаться, перейдя через максимум. Одновременно станет уменьшаться и связующая способность новообразований. Это сопровождается падением прочности затвердевшей системы, которая также должна пройти через максимум. Такие процессы более интенсивно должны протекать при завершении гидратации того или иного вяжущего, что характеризуется полным или почти полным израсходованием исходного материала.

Время от начала взаимодействия вяжущего с водой, через которое система достигнет максимальных показателей прочности и удельной поверхности и начнет деградировать, зависит от ряда причин, основные из которых: свойства вяжущего, его дисперсность, степень растворимости новообразований в жидкой фазе, а также температура твердеющей системы и наличие жидкой фазы.

Деградация должна, по-видимому, затухать во времени вследствие постепенного исчезновения в затвердевшей массе наиболее дисперсных и дефектных по структуре гпдратироваиных частичек, а также прогрессивного нарастания химических связей в массе новообразований.

Изложенные представления к настоящему времени подтверждаются экспериментами автора, А. А. Пащенко, В. Э. Лейриха, М. И. Стрелкова и 3. П. Митрофаио-вой и других исследователей.

С учетом современных данных автор следующим образом классифицирует основные факторы, обусловливающие прочностные и деформативные свойства, а также долговечность затвердевших смесей вяжущих веществ с водой.

1.         Свойства и содержание (концентрация) по массе и абсолютному объему вяжущего вещества в единице объема исходной слитной смеси его с водой, обусловливающие начальную пористость системы.

2.         Содержание (концентрация) по массе и абсолютному объему негидратированной части вяжущего и гид-ратных новообразований в объеме твердеющей системы, зависящее от степени гидратации вяжущего и обусловливающее характер и объем его пор.

3.         Свойства частичек гидратных новообразований, предопределяющие микроструктуру затвердевшей системы (степень конденсации кремний-кислородных анионов, дисперсность и конфигурация, отражаемые удельной поверхностью, адгезионные и когезионные свойства, прочность частичек и др.).

4.         Удельная теплота, скорость гидратации и тепловыделения вяжущих веществ.

5.         Температура твердеющей смеси вяжущего с водой и заполнителями.

6.         Характер среды (водной или парогазовой), в которой протекает твердение (в частности, наличие в ней агрессивных веществ).

7.         Наличие в твердеющей смеси различных добавок (регуляторов скорости твердения, пластифицирующих, гидрофобизмругощих и др.).

А. В. Волженский и Ю. Д. Чистов рассмотрели зависимость прочности и пористости затвердевшего в разных условиях цемента от дисперсности частичек гидратных новообразований, а также от их объемной концентрации. При этом объемная концентрация продуктов гидратации в образце N' (см3/см3) определялась по показателям истинной плотности (удельной массы) исходного цемента и затвердевшей смеси его с водой (камня). Она представляет отношение абсолютного объема новообразований к общему объему образца затвердевшего цемента за вычетом из последнего абсолютного объема оставшейся негид-ратированной части цемента.

Удельная поверхность частичек новообразований в цементном камне может устанавливаться с помощью различных методов, например методом сорбции водяных паров в воздушной среде при относительной ее влажности 40—35 % и температуре около 20 °С. При этих условиях практически исключается гидратация цемента, поверхность же частичек новообразований в один слой покрывается молекулами воды. По показателям сорбции воды и данным о площади, занимаемой молекулой воды на поверхности частичек новообразований, рассчитывается их удельная поверхность (метод БЭТ — С. Бруиа-уэра, П. Эмметта и Е. Тэллера).

Для определения удельной поверхности по методу БЭТ применяют также жидкий азот. В этом случае для цементного камня получают обычно значительно меньшие показатели удельной поверхности по сравнению со случаем использования водяного пара. В описываемых опытах применялся метод сорбции водяных паров.

Удельная поверхность может быть определена в квадратных метрах на 1 г затвердевшего цемента или же на 1 г новообразований, возникших к тому или иному сроку твердения образца.

По мере увеличения степени гидратации портландцемента возрастает степень заполнения новообразованиями (взятыми в их абсолютном объеме) свободного объема в исходном образце, а также удельная поверхность возникших частичек при ее расчете на единицу массы (грамм) затвердевшего вяжущего.

Особенное внимание при этом привлекает уменьшение удельной поверхности частичек новообразований по мере удлинения сроков твердения. Частички гидратов становятся крупнее, их клеящая способность ухудшается, ио это перекрывается дополнительной гидратацией цемента. Однако рост клеящей способности протекает в затухающем темпе по мере приближения   к объемной   концентрации новообразований, равной 0,65—0,7. При этом в системе может оставаться еще до 40—45 % негидратированных частичек цемента. Причины этого явления описаны в главе 7.

В настоящее время принято характеризовать вяжущие свойства цементов показателями предела прочности при сжатии, получаемыми при испытании образцов через определенные сроки их твердения (1,3, 7, 28 и более суток) . В этом случае строятся кривые прочности, подобные тем, какие, например, получены при испытании образцов из цемента (C3S = 52 %, C3A = 8,4 %), подвергнутого разной степени измельчения ( 37). По этим кривым рост прочности цементов с течением времени затухает, прочность образцов, изготовленных с повышенным содержанием воды (В/Ц=0,35), оказывается значительно ниже прочности образцов с В/Ц=0,25 в одинаковые сроки испытаний. Если же прочность на сжатие цемента выразить в виде зависимости от объемной концентрации новообразований, то выявится прямая пропорциональность в пределах ее значений от 0,3—0,35 до 0,65—0,7. При этом следует учитывать, что одни цементы, например тонкоизмельченные алитовые, достигают значительных величин объемной концентрации (0,6—0,7 см:]/см3) в короткие сроки. Белитовым же цементам необходимы длительные сроки взаимодействия с водой для достижения тех же показателей объемной концентрации.

Зависимость предела прочности при осевом растяжении от объемной концентрации новообразований носит иной характер. Вначале прочность при растяжении цементов приблизительно до показателей объемной концентрации 0,55—0,65 см3/см3 растет, а затем значительно уменьшается, проходя через максимум.

Увеличение водоцементного отношения теста   приводит к понижению показателей прочности на растяжение. Разница прочности при сжатии у разных    цементов при одинаковых концентрациях   обусловливается   повышенной дисперсностью частичек   цемента   и новообразований, их формой и малоизученными их когезиониыми и адгезионными свойствами. Поэтому сопоставление вяжущих свойств разных цементов должно осуществляться с изготовлением образцов при   одинаковом   водовяжущем отношении и одинаковой исходной дисперсности порошков. Это диктуется тем, что, как указано ранее, их повышенная дисперсность и пониженное водовяжущее отношение создают   предпосылки   к образованию   высоко-дисперсных частичек новообразований и, следовательно, к увеличенной прочности камня   даже   при   одинаковой объемной концентрации образующихся гидратов. Следовательно, вяжущее грубого помола, хотя и активное  по своему минеральному составу, может оказаться в группе пониженной категории качества. Кроме  того, в соответствии с новыми исследованиями   изучение   вяжущих свойств портландцемента и его разновидностей по  описанной методике следует   проводить  с водоцемеитиыми отношениями не менее 0,25 и в сроки до 2—6 мес и более.

Степень гидратации и концентрации новообразований отражает количественную сторону процесса взаимодействия вяжущего с водой. Это один из главных, но не единственный фактор, определяющий основные свойства системы. Важно отметить, что при одинаковом содержании новообразований по массе в различных затвердевших цементах (или в других вяжущих) степень заполнения свободного объема при прочих равных условиях будет тем больше, чем меньше истинная плотность возникающих при твердении веществ.

Рассмотрение показателей удельной поверхности новообразований, рассчитанной на единицу массы (см. табл. 13), показывает их значительное уменьшение, особенно в первые сутки твердения цемента. Это свидетельствует об укрупнении частичек новообразований и уменьшении их связующей способности. Отрицательное влияние «старения» гелевидиой фазы на прочность и плотность цементного камня особенно интенсивно проявляется в процессе его тепловлажностной обработки при различных температурах

Тепловлажностная обработка портландцемента при повышенных температурах (80—200°С) вызывает не только ускорение процессов его твердения, но и большие изменения в химическом составе и структуре новообразований. При повышенных температурах клинкерные минералы образуют гидратные соединения с пониженным количеством молекул воды, например возникающие при обычной температуре гидросиликаты кальция с 2,5— 4 молекулами воды переходят в соединения с 1—0,5 молекулами, гидроалюминаты кальция, содержащие 19 и 12 молекул воды, переходят в соединения с 6 молекулами и меньше. Уменьшение содержания воды в гидратах сопровождается одновременно увеличением их истинной плотности. Тепловлажностная обработка способствует увеличению размеров частичек новообразований и тем в большей степени, чем выше температура и длительнее ее воздействие на твердеющий цемент. Все это снижает прочностные характеристики и повышает пористость цементного камня при одинаковой степени гидратации исходного вяжущего.

Приведенные результаты подтверждают очень важный вывод о том, что прочность, пористость и ряд других свойств цементного камня определяются не только степенью гидратации и, следовательно, количеством новообразований, но и их качественными характеристиками и, в частности, степенью дисперсности частичек гид-ратных соединений.

Тепловлажностная обработка цемента при твердении тем слабее отражается на его прочности, пористости и некоторых других свойствах, чем раньше она проведена после затворения вяжущего водой при прочих равных условиях. Это объясняется улучшением структуры камня при дальнейшем взаимодействии непрореагировавшей части цемента с водой в нормальных условиях.

Таким образом, тепловлажностная обработка цементных бетонов, способствуя ускорению твердения, может приводить к некоторому недоиспользованию потенциальных возможностей цементов, полнее проявляющихся при обычном твердении. Лишь автоклавная обработка, при которой в реакции твердения вовлекаются и тоикодис-персные, «инертные» заполнители или специально вводимые, в частности кремнеземистые добавки, способна компенсировать отрицательное влияние огрубления структуры новообразований и обеспечить получение бетонов высокой прочности.

Л. Г. Шпынова и В. И. Синенькая изучили механизм начального образования гидратов в виде отдельных бугорков роста- на зернах p-QS и портландцемента при их автоклавной обработке в течение 8—72 ч. Из бугорков начинают расти волокнистые, игольчатые, пластинчатые; кристаллы, со временем образующие отдельные блоки, имеющие асбестоподобную структуру. Авторы [еще раз подтвердили результаты более ранних исследований: для получения цементного камня с повышенной ррочностыо необходимо создание при автоклавной обработке тоикодисперсиой микроструктуры новообразований, чему, в частности, способствует добавка к цементу молотого песка, золы и т. п.

Старение гелей, обусловливаемое увеличением размеpa их частичек, в большой мере отражается не только на прочности, но и на других строительных свойствах цементного камня и, следовательно, бетона. В частности, параллельно «огрублению» гелей идет непрерывное уменьшение показателей усадочных деформаций системы при изменениях ее влажности, а также деформаций ползучести. Так, обработка бетона в автоклаве, сопровождаясь уменьшением удельной поверхности новообразований, уменьшает усадочные деформации примерно в два раза.

Старение гелей сопровождается повышением упругих свойств цементного камня и уменьшением способности к необратимым деформациям. Затухание деформаций ползучести бетонов с течением времени следует объяснить не только увеличением их прочности, но и старением гелей с одновременным уменьшением сорбционной способности. Следовательно, степень и характер упруговязко-пластических деформаций бетонов определяются не только количественным соотношением гелевидных и кристаллических фаз цементного камня (видимых в оптический микроскоп), но и меняющейся во времени структурой гелей.

Таким образом, физические, прочностные, деформа-тивные и другие свойства затвердевших цементов и бетонов предопределяются не только степенью гидратации вяжущего. Они зависят также от состава и тонкой структуры гелевидной части новообразований, обусловленных видом вяжущего, условиями и длительностью твердения.