Состав и свойства портландцемента

НА ТВЕРДЕНИЕ И СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Значительный научный и практический интерес представляет изучение влияния на поверхностное взаимодействие цементных минералов с водой, формирование и упрочнение структуры цементного камня (микробетона) таких технологических факторов, как состав, свойства и степень гидратации цемента, количество воды затворения, действие разнообразных химических добавок, влияние температурного режима твердения. Ясность в этих вопросах позволит сформулировать основные принципы направленного воздействия на процесс структурообразования цементного камня (бетона) для снижения энергозатрат, оптимизации структуры и свойств конечного продукта.

Установлено, что отмеченная стадийность начального твердения (90±10 мин с момента затворения вяжущего водой при «нормальной» температуре) справедлива для цементов с минералогическим составом (с некоторым округлением): C₃S – 50…65, C₂S – 10…20, C₃A – 5…10, C₄AF – 10…20 % и активными минеральными добавками (шлаком, трепелом и др.) – до 55 %. Об этом свидетельствует идентичность кинетики структурной прочности некоторых исследованных цементов (рис.4.1). Данный момент соответствует полученным еще в 50-х годах прошлого столетия выводам о том, что в первые часы твердения отдельные составляющие клинкера многих цементов гидратируются с примерно одинаковой скоростью и послужило основанием формулировки гипотезы «равных парциальных скоростей» при взаимодействии цементных минералов с водой.

Рис.4.1. Кинетика структурной прочности теста нормальной густоты на

новороссийском (1), воскресенском (2) и карачаево-черкесском (3)

портландцементах

Высококачественные и структурно-стабильные цементный камень и бетоны могут быть получены при возможно более полных гидратационных преобразованиях клинкерных частиц. При этом полнота гидратационных преобразований предусматривает не глубинный (как традиционно трактуется), а поверхностный аспект. Следует использовать комплекс мер (исключительно влажностные условия, водное выдерживание, герметизация поверхности распалубленного бетона и др.) для обеспечения предельной полноты гидратации поверхностных активных центров, снижения количества остаточных негидратированных зон и вероятности поздних гидратационных явлений.

Цементный камень – «микробетон», структура которого состоит из склеенных гидратными продуктами поверхностно гидратированных клинкерных частиц (рис.2.4). Роль «клеящего вещества» играют аморфные продукты гидратации, стадийно разрастающиеся на поверхности частиц вяжущего; функцию заполнителя, определяющего прочностные, деформативные и прочие свойства камня, выполняют клинкерные зерна.

Одним из условий получения цементного камня (бетона) с высокими прочностными свойствами является повышение качества клеевых прослоек микробетона. Это может быть выполнено, например, за счет снижения водосодержания смеси (уместно вспомнить формулу прочности тяжелого бетона), что позволит в ранние сроки достичь «стесненных условий» и в большей степени реализовать эффект самоорганизации (стяжения) клинкерных частиц. Однако при этом не следует забывать «оборотную сторону» данной меры – снижение водосодержания сверх оптимума приведет к лимиту жидкой среды, неполноценной гидратации минералов, появлению на поверхности клинкерных зерен обширных негидратированных зон с очевидными негативными последствиями.

Микробетон в части гранулометрического состава подчиняется практически тем же законам, что и обычный бетон. Для обычного бетона, как известно, важна плотная упаковка крупного и мелкого заполнителей. Только в этом случае можно достичь максимальной плотности, прочности и долговечности конструкций. С этой целью рекомендуется использовать фракционированные заполнители с соответствующим оптимальным содержанием в смеси каждой фракции. Для микробетона также важен гранулометрический состав.

Повышение тонкости помола (удельной поверхности) цемента приводит к ускорению электрохимического взаимодействия минералов с водой затворения, интенсификации структурообразования цементного камня, ввиду увеличения поверхности контакта компонентов. В то же время, влияние этого фактора на прочность камня имеет явно выраженный экстремальный характер – увеличение тонкости помола сверх оптимальной величины приводит к снижению прочности затвердевшего материала, что обычно связывается с повышением водопотребности вяжущего. Однако существует и второй немаловажный аспект – ухудшение фракционного состава микробетона. При использовании только мелкой фракции портландцемента (с высокой тонкостью помола, значительной удельной поверхностью) невозможно достичь предельных прочностных показателей (так же, как и бетоны с высокой прочностью вряд ли могут быть получены на основе только мелкого заполнителя – песка). Следовательно, для получения микробетона с предельными свойствами необходим рациональный гранулометрический состав цементного порошка.

Отметим еще одно обстоятельство. На рис.4.2 представлены кинетические кривые пластической прочности цементного теста с В/Ц=0,28 на основе карачаево-черкесского (обычного) портландцемента, предварительно подвергнутого помолу (активированного) в лабораторной шаровой мельнице в течение 60 мин, и гидратированного вяжущего (полученного из 28-суточного цементного камня путем дробления и последующего измельчения в шаровой мельнице в течение 24 часов). Предварительно активированный («омоложенный») цемент отличается более интенсивным ростом пластической прочности, ввиду обнажения свежих поверхностей цементных зерен и потребления большего количества воды. Обычный и гидратированный цементы характеризуются сравнительно медленным набором прочности. В то же время, кинетика твердения всех вяжущих совершенно идентична – через каждые 80…100мин с момента затворения имеют место явно выраженные переломы кривых, свидетельствующих о неизменности стадийности процесса твердения в данных вяжущих.

Рис.4.2. Кинетика пластической прочности цементного теста на

активированном, гидратированном и обычном портландцементах

Этот опыт позволяет сделать достаточно важные практические выводы. Стадийность твердения вяжущих неизменна у свежих и лежалых цементов. Предварительный помол (активация вяжущего) также не оказывает заметного влияния на качественную сторону процесса структурообразования цементного камня. Данный, казалось бы, парадоксальный и невероятный результат объясняется достаточно просто, если учесть, что взаимодействие цементных минералов с водой протекает не в объеме жидкой среды, а в адсорбционных центрах клинкерных частиц (обведено на рис.2.2), включающих граничный полимолекулярный слой диполей с размером от десятков до сотен ангстрем. И на качественную динамику процесса не оказывает заметного влияния количество активных точек: то ли это совершенно негидратированная подложка, то ли активные центры (в том числе, вскрытые механическим путем) чередуются с химически использованными зонами. Отсюда следует, что для управления твердением этих вяжущих могут быть приняты универсальные параметры некоторых технологических воздействия (например, время приложения дополнительного виброуплотнения).

В последние годы на отечественный строительный рынок хлынул поток разнообразных строительных материалов, в том числе сухих смесей и различных вяжущих, в связи с чем вопрос об их оперативной и своевременной диагностике. Контролю подлежат такие характеристики цемента как вещественный и минералогический состав, тонкость помола (удельная поверхность), водопотребность, марочная прочность, в том числе, интенсивность твердения, оцениваемая посредством, так называемых, «сроков схватывания». Отмеченные характеристики необходимы для рационального использования цемента и получения конечного продукта с требуемыми физико-техническими показателями. Некоторое недоумение вызывает последний параметр – традиционные сроки («начало», «конец») схватывания цемента, определяемые прибором Вика. Следует заметить, что данные сроки представляет собой вырванные из динамично развивающегося объекта два временных показателя, характеризующих достижение вяжущей системой конкретной структурной прочности, оказывающей определенное сопротивление погружаемой игле, которые не понятно по какой причине условно стали отождествлять с началом и завершением структурообразующего процесса. Ввиду условности данные показатели не отражают суть реального процесса, имеют сомнительную практическую и научную значимость. Поэтому, наметившаяся тенденция развития прибора Вика в части автоматизации процесса испытаний с компьютерной обработкой результатов совершенно необоснованна. Данный метод испытаний должен быть коренным образом видоизменен и откорректирован.

Для изучения интенсивности твердения цементов следует использовать свойства и явления, отражающие динамику и особенности развития процесса отвердевания цементной системы. К таким свойствам относятся, прежде всего, изменение во времени структурной прочности и тепловыделения, дающие объективную и исчерпывающую картину начального твердения цементных систем. Ранее представленные методы испытаний (разд.3.1, 3.2) вполне могут служить отправной точкой для разработки современного автоматизированного диагностического оборудования.