Юрины заметки про Бетон

В течение последних 20 лет обнаружены некоторые разрушительные химические реакции между заполнителем и окружающим его цементным камнем. Наиболее распространенной является реакция между активными кремнеземистыми составляющими заполнителя и щелочами цемента.

Реакционноспособными модификациями кремнезема являются опал (аморфный), халцедон (скрытокристаллический, волокнистый) и триди-мит (кристаллический). Эти реакционноспособные минералы встречаются в кремнистых сланцах с включениями опала и халцедона, кремнистых известняках, риолитах и риолитовых туфах, даците и дацитовых туфах, андезите и андезитовых туфах и филлитах. Реакция начинается с взаимодействия щелочных гидроокисей, полученных из щелочей (Na20 и К2О), и кремнеземистых минералов заполнителя. В результате образуется гелеобразное вещество, состоящее из силикатов щелочных металлов, при этом происходит увеличение объема заполнителя.

Гель характеризуется значительной способностью к разбуханию. Он поглощает воду с последующим увеличением своего объема. Так как гель заключен в окружающий его цементный камень, то возникает внутреннее давление, которое в конце концов приводит к возникновению трещин и разрушению цементного камня. По-видимому, расширение вызвано гидравлическим осмотическим давлением, хотя оно может быть также вызвано повышающимся давлением еще твердых продуктов реакции щелочей с кремнеземом. Наиболее разрушительным для бетона является разбухание твердых зерен заполнителя. Некоторая часть мягкого геля выщелачивается водой и откладывается в трещинах, появившихся в результате разбухания заполнителя.
Прочитать подробнее »

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 »

Высокая интенсивность нарастания прочности глиноземистого цемента является следствием его быстрой гидратации, которая в свою очередь вызывает интенсивное тепловыделение.

Оно может составить 9 кал/г на 1 ч твердения, в то время как у быстротвердеющего портландцемента тепловыделение за тот же период не превышает 3,5 кал/г. Однако общее тепловыделение находится в одних и тех же пределах у обоих типов цемента.

Высокая скорость тепловыделения бетона на глиноземистом цементе обусловливает необходимость укладки бетона лишь малыми объемами и не позволяет бетонировать на этом цементе массивные конструкции. Это требование является особенно важным, так как, во-первых, температурные деформации вызывают трещинообразование, что характерно также для бетонов на портландцементе, и, во-вторых, повышенная температура сама по себе отрицательно влияет на прочность глиноземистого цемента.

Влияние температуры очевидно, где приведены значения прочности бетонов, твердевших в течение первых 24 ч при температуре 21,1 и 37,8° С и твердевших в дальнейшем при температуре 21,1° С. Эти данные подтверждают значительное снижение прочности при повышенных температурах.
Прочитать подробнее »

Как отмечалось ранее, глиноземистый цемент был впервые разработан как сульфатостойкий цемент, и он действительно является таковым. Повышенная стойкость к сульфатной агрессии объясняется отсутствием Са(ОН)2 в гидратированном глиноземистом цементе, а также защитным влиянием сравнительно инертного геля и гидрата окиси алюминия, образованного в процессе гидратации.

Следует отметить, что смеси более тощего состава, чем 1 : 8, характеризуются значительно меньшей сульфатостойкостью.
Глиноземистый цемент не подвергается воздействию растворенного в воде углекислого газа, и, следовательно, его применение целесообразно в производстве труб. Этот цемент не является кислостойким, однако он может довольно хорошо противостоять действию слабых растворов ряда кислот (рН более 3,5—4), содержащихся в промышленных сточных водах, за исключением хлорноватой, фтористой и азотной кислот.

С другой стороны, едкие щелочи, даже в слабых растворах, оказывают сильное агрессивное действие на глиноземистый цемент, растворяя гелеобразный глинозем. Химическая стойкость этого цемента к воздействию различных химических соединений изучена Хасси и Робсоном.
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 »

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.

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 »

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 »

При затворении портландцемента водой происходят реакции, обусловливающие твердение цементного теста. В присутствии воды силикаты и алюминаты, образуют продукты гидратации, которые постепенно затвердевают и превращаются в цементный камень.

При взаимодействии составляющих цемента с водой идут два процесса. Прежде всего происходит непосредственное присоединение молекул воды, или истинная гидратация. Второй процесс характерен взаимодействием минералов цемента с водой с их разложением — гидролиз.

Обычно применяют термин «гидратация» ко всем типам реакций цемента с водой, т. е. как к истинной гидратации, так и к гидролизу.

Ле Шателье около 80 лет назад впервые установил, что при одинаковых условиях продукты гидратации цемента имеют тот же химический состав, что и продукты гидратации его отдельных составляющих. Позже это было подтверждено Стейнором, а также Боггом и Лерчем, хотя и с оговоркой, что продукты реакции могут воздействовать друг на на друга или даже взаимодействовать друг с другом в системе. Силикаты кальция — основные составляющие цемента, поэтому физические свойства цемента во время гидратации определяются поведением каждого из этих составляющих в отдельности.

Продукты гидратации цемента характеризуются низкой растворимостью в воде, о чем свидетельствует высокая водостойкость цементного камня. Гидратированные новообразования цемента прочно связываются с непрореагировавшим цементом, однако механизм этой связи пока не ясен. Возможно, что гидратные новообразования создают оболочку, которая растет изнутри под воздействием воды, проникающей через эту оболочку. Или возможно, что растворенные силикаты проникают через оболочку и осаждаются на ней в виде внешнего слоя. И третья возможность: образование и осаждение коллоидного раствора во всей массе после того, как достигнуто насыщение, дальнейшая гидратация продолжается внутри этой структуры.

Каким бы ни был способ осаждения продуктов гидратации, скорость гидратации непрерывно уменьшается, так что даже после длительного времени остается заметное количество негидратированного цемента. Так, например, через 28 суток после затворения водой зерна цемента прогидратировали только на глубину 4м. Пауэрс подсчитал, что полная гидратация при нормальных условиях возможна только для цементных зерен размером менее 50м, но при непрерывном размельчении цемента в воде полная гидратация была получена в течение 5 суток. Прочитать подробнее »