Свойства неорганических вяжущих в трех структурных состояниях

Неорганические вяжущие могут находиться в трех структурных состояниях: в виде порошка, теста или камня.

Свойства вяжущих в порошке.

Свойства (структурные характеристики) вяжущих в порошке: истинная и насыпная плотность, размер частиц и распределение массы частиц по размерам, удельная поверхность.

Истинная плотность вяжущего соответствует плотности камня без пор того же химического состава и находится в пределах 2,5… 3,5 г/см³. Числовые значения насыпной плотности различных вяжущих также близки друг к другу и составляют от 900 до 1300 кг/м³. Для портландцемента при приблизительных расчетах состава цементного материала истинная плотность принимается равной 3 г/см³, насыпная плотность – 1200 кг/м³.

Максимальный размер частиц вяжущих не должен превышать десятых долей мм, средний размер частиц порошка обычно находится в области сотых или тысячных долей мм. Чем мельче частицы вяжущего, тем больше поверхность их взаимодействия с водой, тем быстрее камень вяжущего набирает прочность после затворения. Технической характеристикой вяжущего является обычно максимальный размер частиц, определяемый ситовым анализом. Например, для портландцемента через сито № 008 (с отверстиями 0,08 мм) должно проходить не менее 85 % цементного порошка.

Поскольку определение гранулометрического состава вяжущего – трудоемкая операция, для характеристики вяжущих используют понятие удельной поверхности – поверхности развертки всех частиц в единице массы материала. Удельная поверхность определяется с помощью специальных приборов и составляет тысячи см²/г. Например, для обычного портландцемента удельная поверхность около 1500 см²/г, для быстротвердеющего и особо быстро твердеющего цемента значение удельной поверхности может доходить до 5000 см²/г.

Недостаток всех порошков вяжущих – слеживаемость. При длительном хранении даже без доступа влаги порошок цемента и других вяжущих слипается в комки. Это объясняется склонностью порошков к коагуляции, уменьшению свободной поверхностной энергии (см. п.2.5). Слеживаемость тем больше, чем мельче частицы вяжущего. Например, быстротвердеющий цемент слеживается значительно сильнее, чем обычный портландцемент.

В присутствии влажного воздуха слеживаемость усиливается, потому что происходит гидратация частиц вяжущего парами воды из воздуха. Для уменьшения слеживаемости в цемент добавляют поверхностно-активные вещества. Слежавшийся цемент иногда домалывают перед затворением. Если цемент хранился долго во влажных условиях, эта мера не принесет желаемого повышения активности.

Таким образом, вяжущее в порошке – "скоропортящийся продукт". Например, цемент сохраняет свою активность (способность давать прочный камень в соответствии с маркой) в течение 1… 2 месяцев после выпуска с завода. При хранении "навалом" в атмосфере влажного воздуха цемент еще быстрее утрачивает паспортные свойства.

Свойства теста вяжущих.

После затворения часть воды вступает в реакцию с минералами вяжущего, остальная вода затворения создает определенную консистенцию теста. Такой свободной, не связанной в реакциях воды должно быть оптимальное количество, при котором тесто легко укладывается, хорошо уплотняется в форме и дает достаточно прочный камень.

Если количество воды меньше оптимального, тесто получается слишком "сухим", камень будет иметь повышенную воздушную пористость из-за трудностей уплотнения и недостаточную прочность. При избыточном количестве воды тесто получается жидким, долго схватывается, дает непрочный камень с большой капиллярной пористостью.

Оптимальное содержание воды в тесте выражают в процентах от массы порошка и называют водопотребностью вяжущего. Например, водопотребность портландцемента без добавок составляет 25… 28 %. Поскольку при этом получается тесто оптимальной консистенции, то эту величину называют также нормальной густотой цементного теста (НГЦТ). Водопотребность, выраженная не в процентах, а в долях, представляет собой отношение количества воды к количеству вяжущего и называется водовяжущим отношением. В случае цемента это будет водоцементное отношение (В/Ц). Например, водопотребности 28 % соответствует водоцементное отношение В/Ц = 0,28.

Водопотребность, соответствующую содержанию связанной воды, идущей на гидратацию, называют теоретической водопотребностью. Практическая водопотребность учитывает также свободную воду, создающую консистенцию теста. Свободная вода, испаряясь, оставляет поры в камне вяжущего и снижает его прочность. Поэтому чем меньше разница между практической и теоретической водопотребностью, тем прочнее получается камень вяжущего. Например, теоретическая водопотребность строительного гипса составляет 19 %, рабочая консистенция теста достигается только при 50%-ном содержании воды по отношению к сухому порошку. Теоретическая водопотребность портландцемента 21… 22 %, практическая, как отмечалось, 25… 28 %. Из этих данных можно предположить, что цементный камень, содержащий меньше свободной воды, должен быть прочнее, чем гипсовый. Это действительно так.

Таким образом, содержание воды в тесте вяжущего определяет свойства будущего камня.

Другое важное свойство теста – сроки схватывания, т.е. время от начала затворения до начала превращения теста в твердое тело. Различают начало схватывания и конец схватывания. В практике их определяют по прониканию иглы прибора Вика в тесто под определенной нагрузкой. Физически началу схватывания соответствует появление первых точечных контактов между твердыми частицами взамен коагуляционных контактов (через прослойку жидкости). Конец схватывания наступает, когда коагуляционная система полностью заменяется конденсационной. Получается еще непрочный камень вяжущего.

По срокам схватывания различают быстросхватывающиеся и медленносхватывающиеся вяжущие. При быстром схватывании начало и конец измеряются минутами. Для медленносхватывающихся вяжущих начало схватывания может также измеряться минутами, но конец схватывания наступает через несколько часов. У строительного гипса начало схватывания обычно около 4…5 минут, окончание – 30 минут. Это быстросхватывающееся вяжущее. Для портландцемента – начало схватывания – не ранее 45 минут, окончание – не позднее 10 часов. Практически начало схватывания цемента может наступить позже (часа через два), а конец раньше – через 6… 8 часов.

После того как схватывание закончилось, начинается процесс твердения камня.

Свойства камня вяжущих

Твердением называют увеличение прочности камня во времени. При этом скорость твердения зависит как от природы вяжущего, так и от условий, в которых происходит твердение. Для затвердевшего вяжущего могут быть определены все свойства, характерные для любого твердого строительного материала. Поскольку многие вяжущие применяются в конструкционных материалах, к их главным свойствам относится прочность.

Из предыдущего изложения следует, что прочность камня вяжущего (R_кв) зависит, в частности, от степени гидратации (α) и водовяжущего отношения (В/Вяж):

R_кв = φ(α, В/Вяж)

Степень гидратации (полнота протекания реакций гидратации) – изменяется от 0 в начале затворения до 1 при завершении процесса гидратации. Степень гидратации определяется временем, условиями твердения, природой вяжущего и реакциями его взаимодействия с водой.

Водовяжущее отношение – величина, которая имеет оптимальное числовое значение для каждого вяжущего. При оптимальном В/Вяж прочность камня максимальна. При значениях В/Вяж меньше оптимального прочность уменьшается за счет увеличения воздушной пористости в связи с трудностью укладки рассыпчатого теста. При значениях В/Вяж больше оптимального прочность уменьшается за счет увеличения капиллярной пористости, образовавшейся при испарении свободной воды.

В практике прочность вяжущего характеризуется маркой. Условия определения марки по прочности для вяжущих определены стандартами.

Например, для определения марки строительного гипса изготовляют образцы-балочки размером 4 х 4 х 16 см, которые формуют из теста нормальной густоты и испытывают через 2 часа после затворения на изгиб и сжатие. Марки гипсовых вяжущих обозначают буквой Г и цифрой, указывающей прочность на сжатие (в МПа) стандартных образцов, полученных в стандартных условиях (Г-2, Г-3, Г-4, …).

Марка портландцемента характеризуется цифрой, показывающей прочность (в кгс/см²) стандартных образцов-балочек, изготовленных из цементно-песчаного раствора состава 1: 3 (на одну часть цемента три части стандартного песка по массе) и твердевших в нормальных условиях в течение 28 суток. Обычный портландцемент выпускают марок 300, 400, 500, 550 и 600. Подробности определения марок вяжущих изложены в ГОСТах и лабораторных практикумах.

Прочность и другие свойства камня вяжущего зависят от его состава, который в свою очередь определяется составом сырья и технологией производства.