Юрины заметки про Бетон

Как и множество химических реакций, реакция гидратации клинкерных минералов имеет экзотермический характер, при этом цемент выделяет до 120 кал/г. Так как теплопроводность бетона сравнительно низка, то внутри массивных бетонных конструкций гидратация приводит к значительному подъему температуры. В то же время наружная часть бетонного массива теряет некоторое количество тепла, так что устанавливается резкий градиент температуры, что при последующем охлаждении внутренней части может привести к образованию трещин.

С другой стороны, тепловыделение при гидратации цемента может препятствовать замерзанию воды в капиллярах свежеуложенного бетона в холодную погоду, поэтому высокое тепловыделение в данном случае является положительным фактором. Ясно, что желательно знать величину тепловыделения различных цементов, чтобы выбрать наиболее подходящий вид цемента для каждого конкретного случая.

Тепловыделением называют количество тепла в калориях на грамм негидратированного цемента, выделяющееся при его полной гидратации при определенной температуре. Наиболее распространенный способ определения тепловыделения заключается в измерении теплоты растворения негидратированного и гидратированного цемента в смеси азотной и фтористоводородной кислот: разница между этими двумя величинами представляет тепловыделение гидратации. Этот метод описан в BS 1370:1947 и аналогичен методу стандарта ASTM С 186—55.
Прочитать подробнее »

Еще одним важным достоинством глиноземистого цемента является высокая скорость нарастания его прочности. Около 80% конечной прочности цемента достигается в возрасте 24 ч. Уже в возрасте 6—8 ч бетон на глиноземистом цементе достаточно прочен для того, чтобы произвести распалубку и проводить подготовку к следующему этапу бетонирования. Приведены кривые роста прочности во времени опытных образцов-цилиндров, изготовленных из бетона с различными водоцементными отношениями и твердевших при комнатной температуре.

Бетон на глиноземистом цементе с заполнителем — глиноземистым клинкером при водоцементном отношении 0,5 — может достичь прочности 980 кгс/см2 за 24 ч и 1260 кгс/см2 за 28 суток. Такая чрезвычайно высокая прочность достигается благодаря вяжущим свойствам заполнителя, однако стоимость этого заполнителя очень высокая.

На сроки схватывания глиноземистого цемента существенно влияют добавки гипса, извести, портландцемента и органических веществ, поэтому их не следует использовать в качестве добавок.

Вероятно, быстрое схватывание с5а3 является в некоторых случаях причиной потери удобоукладываемости бетонными смесями на глиноземистом цементе, которая наступает в пределах 15—20 мин после начала перемешивания смеси. Изменение коэффициента уплотнения во времени для бетона состава 1:2:4 с водоцементным отношением 0,5.
Прочитать подробнее »

Так называют природные цементы, получаемые тонким измельчением обожженных известняковых мергелей, содержащих около 25% глинистых примесей. Этот цемент занимает промежуточное положение между портландцементом и гидравлической известью.

Так как температура обжига значительно ниже температуры спекания, романцемент не содержит практически C3S и, следовательно, характеризуется замедленным твердением.

Различные романцементы в значительной мере отличаются друг от друга по своим свойствам, так как корректировка их состава путем добавки тех или иных недостающих компонентов не производится.
Прочитать подробнее »

Приближенный общий объем, который могут занять продукты гидратации, состоит из абсолютного объема сухого цемента и объема воды, необходимой для замеса.

Мы будем пренебрегать небольшой потерей воды в результате выделения цементного молока на поверхости бетона и уплотнения теста в пластичном состоянии. Как было показано выше, C3S и C2S химически связывают воду в количестве соответственно примерно 24 и 21% веса этих двух силикатов; соответствующие значения для С3А составляют 40 и 37%.

Приведенные цифры не являются абсолютно точными, так как наши знания о продуктах гидратации цемента не позволяют более определенно говорить о количестве химически связываемой ими воды. Поэтому лучше всего основываться на представлении о неиспаряемой воде, количество которой можно определить по способу. Это количество воды, вычисленное при определенных условиях, составляет 23% веса безводного цемента (хотя для цемента типа II это значение может снизиться до 18%).

Удельный вес продуктов гидратации цемента таков, что они занимают больший объем, чем абсолютный объем негидратированного цемента^ но меньший, чем суммарный объем сухого цемента и неиспаряющейся воды, примерно на 0,254 от объема последней.

Средняя величина удельного веса продуктов гидратации (включая поры в максимально возможной плотной структуре) в насыщенном водой состоянии составляет 2,16.
Прочитать подробнее »

Во многих случаях является желательным применение цемента, который не уменьшал бы свой объем в результате усадочных деформаций или даже в особых случаях расширялся при твердении.

Во Франции цементы этого типа разработаны Лосье, который использовал смесь портландцемента, расширяющегося компонента и стабилизатора

Расширяющийся компонент получают обжигом смеси гипса, бокситов и мела, в результате образуются сульфат кальция и алюминат кальция (в основном С5А3). В присутствии воды эти компоненты взаимодействуют друг с другом с образованием гидросульфоалюмината кальция, что сопровождается расширением цементного камня.

Стабилизатор, в качестве которого применяют доменный гранулированный шлак, медленно нейтрализует избыток сульфата кальция и способствует постепенному прекращению расширения. Для получения требуемой величины расширения необходимо очень тщательно выдерживать соотношение между отдельными составляющими цемента. Обычно примерно 8—20% весовых частей сульфоалюминатного клинкера перемешивают со 100 весовыми частями портландцемента и 15 частями стабилизатора.

Так как расширение цемента происходит только во влажных условиях, уход за бетоном в период твердения должен тщательно контролироваться, а использование расширяющегося цемента требует мастерства и опыта.

Строго говоря, использование расширяющегося цемента в бетоне не делает бетон безусадочным, так как усадка имеет место после того, как влажностное твердение уже прекратилось, но величина расширения может быть установлена такой, чтобы расширение и последующая усадка были одинаковыми.

Другой тип расширяющегося цемента, так называемый высокоактивный расширяющийся цемент, получают совместным помолом портландцементного клинкера, клинкера глиноземистого цемента и гипса в соотношении 65:20: 15. Расширение происходит благодаря образованию гидросульфоалюмината кальция, как в цементе Лосье, и развивается в течение 2—3 суток после затворения цемента водой.

Высокоактивный расширяющийся цемент является быстросхватыва-ющимся и быстротвердеющим вяжущим, достигающим прочности свыше 70 кгс/см2 через 6 ч и 490 кгс/см2 через 28 суток. Цемент характеризуется высокой стойкостью к сульфатной коррозии.

Расширяющиеся цементы применяют в довольно ограниченном масштабе, и прежде, чем они найдут более широкое распространение, необходимо дальнейшее усовершенствование этих цементов.

Сульфатно-шлаковый цемент получают путем совместного тонкого помола смеси из 80—85% гранулированного шлака с 10—15% сульфата кальция (в виде обожженного гипса или ангидрита) и 5% портландце-ментного клинкера. Удельная поверхность цемента составляет 4000— 5000 см21г.

Сульфатно-шлаковый цемент широко распространен в Бельгии, где он известен под названием «сульфатированный шлаковый цемент», а также во Франции и ФРГ (под названием «сульфатхюттен--цемент»). Недавно сульфатно-шлаковый цемент начали применять в Англии. Он характеризуется высокой стойкостью к действию морской воды и может противостоять действию грунтовых и подземных вод с высокой концентрацией сульфатов, а также стойкостью к торфяным кислотам и маслам.

Поэтому сульфатно-шлаковый цемент применяют при строительстве канализационных и сточных сооружений и конструкций, эксплуатируемых в загрязненном грунте. Недавно были высказаны предположения, что этот цемент является менее стойким к сульфатной агрессии при концентрации сульфатов более 1%, чем сульфатостойкий портландцемент.

Сульфатно-шлаковый цемент характеризуется пониженным тепловыделением, составляющим к 7 суткам 40—45 кал/г и к 28 суткам 45— 50 кал/г. Следовательно, этот цемент целесообразно применять для массивных бетонных сооружений. Скорость твердения сульфатно-шлакового цемента возрастает при повышении температуры до 38°С, однако при более высоких температурах наблюдается аномальное поведение цемента: его прочность значительно падает.

Поэтому тепловлажностная обработка для этих цементов недопустима. Следует также отметить, что сульфатно-шлаковый цемент не следует применять в смеси с другими типами цемента. Весьма важным является выдерживание бетонов на этом цементе во влажных условиях в течение не менее 3 суток после бетонирования, так как в результате преждевременного высыхания происходит разрыхление поверхностного слоя, однако глубина этого слоя со временем не увеличивается.

Сульфатно-шлаковый цемент химически связывает при гидратации больше воды, чем портландцемент, поэтому бетонная смесь должна характеризоваться водоцементным отношением не менее чем 0,5. Применение смесей более тощих по составу, чем 1 :6, не рекомендуется. Как уже было отмечено, снижение прочности с увеличением водоцементного отношения для сульфатно-шлакового цемента меньше, чем для других типов цемента. Прочитать подробнее »

В архитектурно-декоративных целях иногда требуется применение отдельных бетонов на основе белых или цветных цементов, что особенно актуально для тропических стран. Белые цементы целесообразно применять с соответствующими заполнителями. Достоинство этих цементов заключается и в том, что в результате низкого содержания растворимых щелочей они характеризуются повышенной атмосферостойкостью.

Сырьевыми материалами для производства белого портландцемента являются каолин и мел (или известняки), отличающиеся ограниченным содержанием красящих окислов — окислов железа и марганца. В качестве топлива в печах применяют нефтепродукты, что позволяет исключить загрязнение клинкера угольной золой. Так как железо образует минералы-плавни, его отсутствие обусловливает необходимость повышения температуры обжига. В ряде случаев в качестве минерала-плавня в шихту добавляют криолит.

При помоле сырьевой шихты и клинкера необходимо исключить их загрязнение примесями металлического железа. Поэтому для помола вместо обычных металлических шаров применяют неметаллические мелющие тела (гравий). Также применяются мелющие тела, изготовленные из никелевых и молибденовых сплавов. Это удорожает помол, что наряду с использованием более дорогих сырьевых материалов делает белый цемент довольно дорогим материалом. Прочитать подробнее »

На любой стадии гидратации капиллярные поры представляют собой часть общего объема, которая не была заполнена продуктами гидратации. Так как продукты гидратации занимают объем, превышающий более чем в два раза объем первоначальной твердой фазы (т. е. цемента), то по мере гидратации цемента объем капиллярной системы пор уменьшается.

Таким образом, капиллярная пористость цементного камня зависит как от В/Ц смеси, так и от степени гидратации. Скорость твердения цемента сама по себе не имеет значения, но вид цемента влияет на степень гидратации, достигаемую в определенном возрасте. При В/Ц более 0,38 объем геля недостаточен для заполнения всего имеющегося пространства, поэтому некоторый объем капиллярных пор будет оставаться даже после завершения процесса гидратации.

Капиллярные поры невозможно видеть в оптическом микроскопе, но было установлено,  что их размер составляет порядка 12,7-10″5 см. Они различаются по форме, но, как известно из результатов определения проницаемости, образуют взаимосвязанную систему, беспорядочно распределенную по всему цементному камню. Эти взаимосвязанные капиллярные поры главным образом и определяют проницаемость затвердевшего цементного камня и его морозостойкость.

Однако гидратация увеличивает содержание твердой фазы в цементном камне. В затвердевшем, плотном цементном камне капилляры могут оказаться блокированными гелем и разделенными на части, таким образом, они превращаются в капиллярные поры, соединенные между собой порами геля. Отсутствие непрерывных капилляров есть следствие сочетания определенного В/Ц и достаточно длительного периода влажного твердения; требуемая степень гидратации при различных В/Ц для обычного портландцемента.

Величина пористости, равная 28%, означает, что поры геля занимают пространство, эквивалентное около 1/3 объема твердой фазы геля. Отношение поверхности твердой фазы геля к ее объему равно соответствующему отношению для сферы диаметром около 90 А. Это не должно истолковываться таким образом, что гель состоит из сферических элементов; его частицы в основном имеют вид волокон. Связки таких волокон образуют сетку, содержащую более или менее аморфное промежуточное вещество. Прочитать подробнее »

Многие механические свойства цементного камня и бетона зависят не столько от химического состава гидратированного цемента, сколько ют физической структуры продуктов гидратации. Поэтому необходимо иметь правильное представление о физических свойствах цементного геля.

Свежеприготовленное   цементное тесто представляет собой пластичную структуру из частиц цемента в воде, но как только тесто схватилось, его кажущийся или общий объём остается примерно постоянным. На любой стадии гидратации твердеющее тесто (цементный камень)  состоит из раз-v личных  гидратных  новообразований, которые в целом относят к гелю, кристаллов Са(ОН)2, некоторых второстепенных компонентов, негидратирован-ного цемента и объема пор, которые были заполнены водой.

Эти поры называют капиллярными порами, но в геле существуют внутренние пустоты, называемые порами геля. Таким образом, в гидратированном тесте различают два класса пор. Крупные черные точки на схеме представляют гелевые частицы; промежутки между ними — это гелевые поры; пространства, обозначенные буквой С, представляют капиллярные пустоты (размер гелевых пор для наглядности увеличен).

Так как большинство продуктов гидратации имеют коллоидные размеры, во время гидратации площадь поверхности твердой фазы значительно увеличивается, и на этой поверхности адсорбируется большое количество свободной воды. Если при гидратации нет поступления воды в цементное тесто извне, то вода затворения будет расходоваться для реакции гидратации. При этом ее количество уменьшится настолько, что ее будет недостаточно для насыщения поверхности твердой фазы, что приведет к уменьшению относительной влажности в тесте. Прочитать подробнее »

Известно, что помол клинкера с добавкой гипса является одним из последних этапов в производстве цемента. Так как гидратация начинается с поверхности цементных частиц, то суммарная площадь их поверхности будет определять количество материала, способного прогидрати-роваться. Таким образом, скорость гидратации зависит от тонкости помола цемента, и для быстрого нарастания прочности необходима высокая тонкость помола.

С другой стороны, затраты на тонкий помол цемента весьма велики, к тому же чем выше тонкость помола цемента, тем быстрее он снижает свою активность при хранении на воздухе. Тонкомолотый цемент характеризуется ускоренной реакцией щелочей с реакционноспособными заполнителями, вызывает в тесте повышенную усадку и больше предрасположен к трещинообразованию. Однако тонкомолотый цемент имеет меньшее водоотделение, чем грубомолотыи.

С повышением тонкости помола увеличивается требуемое количество гипса для регулирования сроков схватывания, так как в тонкомолотом цементе большее количество С3А способно к ранней гидратации. Содержание воды в тесте стандартной консистенции больше в случае тонкомолотого цемента, но увеличение тонкости помола цемента повышает удобоукладываемость бетонной смеси.

Это кажущееся несоответствие может частично объясняться тем, что при определениях консистенции цементного теста и удобоукладыва емости измеряются различные свойства цементного теста; к тому же случайно вовлеченный воздух влияет на удобоукладываемость цементного теста, а цементы различной тонкости помола могут содержать различное количество воздуха. Прочитать подробнее »