книги / Строительные материалы

адсорбционный полимолекулярный слой воды имет толщину до 0,15 мкм. Вода

геля замерзает при низкой температуре (по некоторым данным при —78 °С) и не переходит в лед даже при силь­ ных морозах. Следовательно, поры геля не сказываются отрицательно на морозостойкости цементного камня и бетона. Вода, адсорбированная в порах, уменьшает жи­ вое сечение и без того малых гелевых пор, поэтому водо­ проницаемость цементного геля весьма мала. Часть воды ззтворения, не уместившейся в порах геля, располагается вие геля и образует капиллярные поры.

Капиллярные поры имеют больший эффективный ди­ аметр, чем поры геля, и доступны для воды при обычных условиях насыщения. При значительном объеме капил­ лярных’ пор, пронизывающих цементный камень, бетбн имеет низкую морозостойкость и большую проницае­

мость, плохо сопротивляется химической коррозии и не защищает надежно стальную арматуру.

Вода является активным элементом структуры цемент­ ного камня, участвующим в образовании гидратных сое­ динений и в формировании пор. Пористость цементного камня зависит не только от начального водоцементного отношения, но и от форм связи воды с твердой фазой.

Согласно классификации П. А. Ребиндера, построен­ ной по принципу интенсивности энергии связи, выделяют

три формы связи воды в цементном камне: химическая

связь является наиболее сильной. Химически связанная вода удаляется при прокаливании. Количество химически связанной воды ад обычно выражают в % или долях от массы цемента; физико-химическая связь характерна для адсорбционно связанной воды, находящейся в порах це­ ментного геля; связь эта нарушается при высушивании;

физико-механическая связь— в данном случае капилляр­ ное давление — обусловливает удержание воды в капил­ лярных порах цементного камня. Адсорбционно связан­ ная и капиллярная вода, удаляемая при высушивании, называется еще испаряемой. Потери при прокаливании высушенной пробы цементного камня определяют хими­ чески связанную (неиспаряемую) воду.

Цементный камень, являющийся минеральным клеем, скрепляющим зерна заполнителя, должен обладать до­ статочной собственной прочностью и адгезией, т. е. хо­ рошо сцепляться (срастаться) с зернами заполнителя. Эти свойства цементного камня зависят от качества и количества новообразований, объема и характера пор.

Качество новообразований в цементном камне опре­ деляется их составом и дисперсностью. Количество ново­ образований прямо пропорционально степени гидратации цемента а, численно равной отношению прореагировав­ шей с водой части цемента к общей массе цементаЯСтепень гидратации может определяться количественным рентгеновским методом или по содержанию связанной воды ад, не испаряемой при высушивании: а = а д / а д макс*

Количество связанной воды при полной гидратации партландцемента адМакС может колебаться от 0,25 до 0,3 (массы цемента); при адМкС= 0,25 а=4ад или ад=0,25 а. Следовательно, если в 28-суточном возрасте цемент свя­ зал 15% воды (считая от массы цемента), то а = 4 Х Х0,15=0,6. Это означает, что в бетоне с расходом цемен­ та 300 кг/м3 180 кг вяжущего (60 %) вступило во взаи­

общсЛ пористости ( / 70^щ ); 2 — уменьшение капиллярной пористости (/7иац):

3 — пространство между кривыми 1 и 2, характеризующее возрастание объема цементного геля и гелевой пористости цементного камня (при ВЩ = 0,5)

Можно принять рп= 1 т/м3, пренебрегая изменением плотности воды затворения от температуры, и среднее значение рц=3,1 т/м3. Тогда частное значение

Гелевая пористость достигает максимального значе­ ния, когда весь цемент прореагирует с водой, т. е. прев­ ратится в цементный гель (при этом а= 1 ), и при мини­ мальном В / Ц = 0,25, необходимом для полной гидрата­ ции цемента,

Истинная плотность цементного геля рг=2,6 г/см3, при указанной пористости его средняя плотность, опре­ деляемая из соотношения 0,5=1—pw/2,6, будет равна Рт===1,3 Г/СМ3.

Следовательно, цементное зерно (его р= 3,1 г/см3) как бы «разбухает» и после полной гидратации займет (в виде продуктов гидратации вместе с порами геля) объем (3,1/1,3=2,4) в 2,4 раза больше, чем первона­ чальный. Это явление оказывает решающее влияние на модификацию структуры цементного камня и бетона в процессе твердения. Цементный гель заполняет капил­ лярные поры в цементном камне и уплотняет бетон, по­ этому объем капиллярных пор уменьшается с течением гидратации цемента (рис. 5.16) .

пористости различны по происхождению, местоположе­ нию в цементном камне и влиянию на его структуру и свойства. Пористость Я г, Я кап, Я 0бщ получают в долях от единицы объема цементного камня (или в %). Част­ ное значение при рв = 1 т/м^'рц = 3,1 т/м3, Я„озд=0

Когда в процессе твердения цемента исчезают капил­ лярные поры, гелевая пористость достигает максималь­ ного значения.

Объем пор бетона плотной структуры (и с плотным заполнителем) равен пористости цементного камня в нем, но уже отнесенной к объему бетона (обычно при­ нимают 1 м3) :

Ц, т, объем бетона 1 м3, поэтому Яобщ, Я г и Я кап полу­ чаем в долях от единицы объема материала (можно вы­ разить ив %).

С помощью формул можно определить общую пори­ стость цементного камня и бетона и расчленить ее на группы. Для этого нужно экспериментально определить

определения групповой пористости бетона называется экспериментально расчетным.

Например, бетон, изготовленный на плотных заполнителях при массе воды Б = 0,18 м3 и цемента Ц = 0,3 т (па 1 м3 бетона) с воздухововлекающен добавкой /7ВОэд=2,5 % и твердевший 28 сут в нормальных условиях (степень гидратации а =0,7), будет иметь сле­ дующие характеристики пористости:

общая пористость

/7общ = [0 ,2 9 - 0 ,7 + (0,6 — 0,5 -0,7)] 0,3 + 0,025 = 0,161 (16,1% );

капиллярная пористость

/7К = (0,6 - 0,5- 0,7) 0,3 = 0,075 (7,5% );

пористость геля

Лг = 0 ,2 9 -0 ,7 .0 ,3 = 0,061 (6,1%);

в том числе коитракционный объем

\/к = 0,09 0,7 0,3 = 0 ,0 1 9 (1 ,9 %).

Характер пористости оказывает решающее влияние на все свойства цементного камня и бетона: прочность зависит от общей пористости, а морозостойкость, про­ ницаемость (для воды, газов), долговечность определя­ ются, главным образом, капиллярной пористостью.

Пористость цементного камня уменьшается, а его плотность возрастает при снижении начального В/Ц и увеличении степени гидратации цемента (см. рис. 5.16). В первый момент после смешения цемента с водой в цементном тесте будут только капиллярные поры, и их объем равен объему воды затворения, поэтому соглас­ но (5.5)

В/Ц

Побщ — Пкап —

Рв/Рц + В/Ц

В процессе гидратации общая пористость цементно­ го камня уменьшается, однако капиллярная пористость снижается быстрее, чем общая пористость. Это явление, чрезвычайно важное для повышения прочности и долго­ вечности цементного камня и бетона, объясняется тем, что капиллярные поры заполняются продуктами гидра­ тации цемента.

2. Свойства цементного камня

Прочность цементного камня определяется активно­ стью цемента и его пористостью, которая, в свою оче­ редь, зависит от В/Ц и степени гидратации цемента. Следовательно, зависимость прочности цементного кам­ ня и бетона от В/Ц выражает в сущности связь прочно­ сти со структурой, характеризуемой пористостью. По экспериментальным данным в полулогарифмических ко­ ординатах зависимость пористость—прочность изобра­ жается в виде отрезка прямой (рис. 5.17), отвечающего формуле

где Rn — прочность при данной пористости П (2—55% ); Rx— проч­ ность при пористости /7=1 %, &=1/1п/7о; По—.пористость при нуле­ вой прочности (приблизительно составляющая в данных опытах 6 0 -6 5 %),

Скорость химического взаимодействия клинкерных минералов с водой можно охарактеризовать увеличени­ ем степени их гидратации во времени (табл. 5.3). Наибо­ лее быстро гидратирующимися минералами цементно­ го клинкера являются трехкальциевый алюминат и трех­ кальциевый силикат; медленная гидратация в началь­ ный период — до 6 мес происходит у двухкальциевого силиката.

На рис. 5.18 сопоставлены кривые нарастания проч­ ности клинкерных минералов, затворенных водой. Трех­ кальциевый силикат быстро твердеет и приобретает вы­ сокую прочность. Трехкальциевый алюминат отличается очень быстрым нарастанием прочности, но в дальнейшем она почти не изменяется. Таким образом, увеличение сум­ марного содержания трехкальциевого силиката и трех­ кальциевого алюмината в цементном клинкере необхо­ димо для получения быстротвердеющих портландцемен-

тов.

Влияние тонкости помола цемента на прочность мож­ но проследить по рис. 5.19. Увеличение удельной поверх­ ности и прочности цемента в начальные сроки твердения

исходит в течение первых 3 сут после затворенпя цемен­ та водой и дает соответствующий выигрыш в начальной прочности (табл. 5.4). Прочность в последующие сроки твердения( после 7 сут) обусловлена гидратацией внут­ ренней части зерен более крупных фракций цемента.

Химическими добавками — ускорителями твердения цементного камня — являются: хлорид СаСЬ, нитрат

Ca(N03)2 и нитрит кальция Ca(N02)2, а также их сме­ си: нитрит-нитрат (ННК) и нитрит-нитрат-хлорид каль­ ция (ННХК). Нитрат-ионы и нитрит-ионы ускоряют гид­ ратацию силикатных минералов (алита и белйта), а следовательно, и твердение цементного камня, не ока­ зывая отрицательного влияния на сохранность армату­ ры. Наоборот, нитрит-ионы даже защищают сталь от коррозии.

Основным методом ускорения твердения портландмеитного камня (и бетона) в заводском производстве сборных железобетонных конструкций является тепловая обработка в виде пропаривания, электропрогрева и др. Повышение температуры (при сохранении в нем влаги) ускоряет процесс гидратации цемента в 7—10 и более раз, что позволяет получить готовые изделия через 8— 20 ч.

Проницаемость цементного камня определяется его пористостью и наличием трещин. Проницаемость зави­ сит от капиллярных пор, пронизывающих цементный ка­ мень (рис. 5.20). Коэффициент проницаемости геля очень мал, он значительно меньше, чем гранита, мрамора и других плотных материалов. Коэффициент проницаемос­ ти цементного камня с объемом капиллярных пор не бо­ лее 15 %, хотя и выше, чем цементного геля (полностью гидратированного цемента), но все же весьма невелик и примерно такой же, как коэффициент проницаемости плотных каменных материалов. Однако усадочные тре­ щины, появляющиеся во время твердения бетона, а так­ же при действии нагрузки, атмосферных факторов (за­ мораживание и оттаивание, попеременное увлажнение и высыхание), могут сильно увеличить проницаемость. Наличие «клинкерного фонда» в виде неполностью гид­ ратированных частиц цемента способствует зарастанию трещин и восстановлению монолитности.

юо