Формула прочности цементного камня

Обновлено: 27.03.2024

C. 5. Прочность цементного камня

Прочность тампонажных материалов принято характеризовать напряжением, приходящимся на единицу площади первоначального сечения образца, сформированного из цементного теста или раствора, вызывающим его разрушение при приложении сжимающих, растягивающих или изгибающих внешних нагрузок. Для тампонажных материалов в ГОСТ 1581-96 установлены стандартные методы испытаний на прочность. Там же нормированы формы и размеры образцов, состав и консистенция смеси для их приготовления, условия приготовления и твердения, сроки, и условия испытаний и т.д.

Однако в течении нескольких лет вопрос о необходимой прочности цементного камня остается дискуссионным. Так, Саркисов Г. М., так же считает, что регламентируемый ГОСТом предел прочности при изгибе через 2 суток твердения при В/Т=0,5 и температуре 22°С вполне обоснован. В то же время А. И. Булатов на основе экспериментальных и промысловых результатов пришел к заключению, что прочность на изгиб достаточна в размере -1,5 МПa и на сжатие 5,0 МПа.

Специалисты США также полагают, что для всего процесса цементирования можно ограничиться прочностью на сжатие в 3,5 МПа, при, этом коэффициент запаса будет в пределе 2 - 5. Р. И. Феррис считает, что прочность цементного камня, наступающая за концом схватывания, достаточна для продолжения процесса бурения, при этом оставшийся в колонне цемент вследствие низкой прочности легче разбуривается. В кольцевом пространстве вследствие его пластичности не будет растрескиваться при перфорации.

Несмотря на дискуссионный характер величины предела прочности затвердевшего камня для условий цементирования скважин, в действительности показатель прочности всех вяжущих материалов, в том числе и тампонажных, остается одной из важнейших интегральных характеристик, определяющих свойства цемента. Прочность является косвенным показателем фазового состава продуктов твердения и структуры порового пространства сформированного камня.

Кроме того, действительно в начальный момент освоения скважины, когда падение давления незначительно, то прочности цементного камня в 1,5 МПа достаточно. В то же время при полном истощении пласта нагрузки на цементный камень на глубине 3000 м может достигнуть 35 МПа. Отсюда явно, что прочность недостаточна. Цементный камень также работает на сжатие под действием внутреннего давления в колонне, величина которого в процессе перфорации значительна. Установлено, что в камне не наблюдается трещин при перфорации, если прочность камня равна 3,5 ¸ 7 МПа.

Особенно жесткие условия работы цементного камня в тех случаях, когда он выполняет функции опорной перемычки (моста) и должен оказывать большое сопротивление внедрению породоразрушающего инструмента при забуривании второго ствола. В этом случае прочность камня должна быть высокой - соизмеримой, а в некоторые случаях и выше прочности окружающих пород.

Согласно требованиям госта определяется прочность цементного камня на изгиб I, II типов, которая должна составлять для низких температур 2,7 МПа в возрасте двух суток, умеренных и повышенных температур 3,5 МПа в возрасте суток, для облегченных цементов Ш типа 1 МПа и утяжеленных 2,0 МПа в возрасте двух суток. Для цементов типа I-G, I-H определяется прочность цементного камня на сжатие через 8 часов при температуре 38 0 С не менее 2,1 МПа и 60 0 С не менее 10,3 МПа.

Для измерения прочности используют приборы: прессы гидравлические, МИИ-100, приборы типа «Бетон» (неразрушающий контроль), импортные аналоги.

cement.muctr

Работа 9. Определение предела прочности цементного камня при изгибе и сжатии

Цель работы: определить прочность образцов-балочек при изгибе и сжатии.

Общие положения

- портландцемент без минеральных добавок;

При производстве цементов применяют:

- гипсовый камень (или фосфогипс, борогипс, фторогипс);

- гранулированные доменные или электротермофосфорные шлаки и другие активные минеральные добавки;

- добавки, регулирующие основные свойства цемента и технологические добавки.

Условное обозначение цемента состоит:

- из наименования: портландцемент (ПЦ), шлакопортландцемент (ШПЦ);

- марки цемента: 300, 400, 500, 550, 600;

- максимального содержания добавок: Д0, Д5, Д20;

- обозначения быстротвердеющего цемента: Б;

- обозначения пластификации и гидрофобизации цемента: ПЛ, ГФ;

- обозначения цемента, полученного на основе клинкера нормированного состава: Н;

- обозначения стандарта.

Обозначение цемента

Гарантированная
марка

Предел прочности, МПа (кгс/см 2 )

при изгибе в возрасте, сут

при сжатии в возрасте, сут

- вместо марок введены классы прочности на сжатие, аналогичные установленным EN 197-1;

- для всех классов прочности, кроме класса 22,5, введено разделение цементов по скорости твердения на нормальнотвердеющие и быстротвердеющие.

По прочности на сжатие в возрасте 2 (7) сут (скорости твердения) каждый класс цементов подразделяют на три подкласса (табл. 13): М (медленнотвердеющий), Н (нормальнотвердеющий) и Б (быстротвердеющий).

Условное обозначение цемента состоит:

- из наименования цемента по табл. 13;

- сокращенного обозначения цемента, включающего обозначение типа и подтипа цемента и вида добавки по табл. 13;

- класса прочности;

- обозначения подкласса;

- обозначения стандарта.

Примеры обозначения:



Методика выполнения работы

Изготовление образцов-балочек проводят в малых стальных разборных формах или силиконовых формах из теста нормальной густоты.

Перед началом испытаний поверхность формы очищают и смазывают тонким слоем машинного масла. Для изготовления образцов- балочек отвешивают 100 г цемента (гомогенизированной смеси цемента с добавкой, табл. 9) и помещают навеску в сферическую фарфоровую чашку. Затем отмеряют мерным цилиндром необходимое количество водопроводной воды, соответствующее нормальной густоте портландцемента. Делают в навеске цемента углубление и вливают в чашу отмеренное количество воды. Перемешивают массу в течение 2 мин, стараясь втирать воду в цементный порошок до получения цементного теста.


Рис. 4. Схема расположения образца при испытаниях:

Предел прочности при изгибе ( Rизг ) вычисляют по формуле:


Предел прочности при сжатии ( Rсж ) вычисляют по формуле:



В случае испытания прочности при изгибе и сжатии на 4-х и более образцах проводят статистическую обработку данных (тема 3, работа 18).

При определении прочности на изгиб и сжатие следует обратить внимание, в каких единицах отображаются показания прибора:

Во всех случаях значения Rизг и Rсж определяют и записывают с точностью до 0,1 МПа.

Материалы и оборудование

Индивидуальное задание

Прочность цементного камня. Вывод формулы, выражающей зависимость прочности цементного камня от степени гидратации цемента и величины водоцементного отношения.

Прочность цементного камня зависит от состава продуктов гидратации, при этом большей прочностью обладают кристаллы низкоосновных гидроалюминатов кальция СаО • AI2O3 • IOH2O (САНю), 2СаО • А1203 • 8Н20 (С2АН8). Кристаллы ЗСаО • А1203 • 6Н20 (СзАНб), имеющие сферическую форму, образуют структуру меньшей прочности. Перекристаллизация САНю и C2AHg сопровождается снижением прочности цементного камня. В целом его прочность не является аддитивной величиной прочности отдельных фаз и зависит от пористости структуры.

Среди факторов, обусловливающих величину пористости, одни зависят от технологического режима (водоцементное отношение, дисперсность цементного порошка, температурный режим твердения, обусловливающий степень гидратации), другие — связаны с видом минералов (плотность цемента, количество воды, необходимое для полной гидратации, скорость гидратации).

где Пцк — пористость цементного камня, %; В/Ц — водоцементное отношение; W — количество воды, необходимое для полной гидратации 1 г цемента; а — степень гидратации, ; /оц—плотность цемента, г/см3.

Из уравнения видно, что пористость цементного камня уменьшается с увеличением степени гидратации а, а количество химически связанной воды W возрастает с увеличением водо-цементного отношения В/Ц и плотности цемента /эц. Эксперименты показали, что пористость цементного камня изменяется в широком диапазоне в зависимости от В/Ц и а. При этом изменение пористости структуры при гидратации различных минералов с образованием одинаковых гидратных соединений незначительное, изменение же пористости структуры при гидратации одного и того же минерала с образованием различных гидратных соединений весьма существенное. Так, при одинаковых значениях а и В/Ц пористость цементного камня при гидратации СА с образованием СзАНб составляет 23,1, а при образовании СгАНд и А1(ОН)з—11,5%.

С изменением поровой структуры меняются соответствующие прочностные свойства цементного камня. Однако влияние пористости на прочность цементного камня неоднозначно. Так, при равной пористости образцов из С12А7 и САг семисуточного твердения прочность их отличается значительно. После 28 сут твердения прочность цементного камня из САг превышает прочность затвердевшего СА, хотя имеет более высокую пористость. Такое явление объясняется особенностями формирования структуры цементного камня. До тех пор, пока новообразования отделены значительными промежутками (крупный размер пор, капилляры большого радиуса), их сближение за счет роста новообразований вызывает снижение пористости, уплотнение структуры и увеличение прочности. Как только между новообразованиями появляются небольшие промежутки, многие кристаллы вступают в непосредственный контакт и дальнейшее увеличение твердой фазы вызывает внутренние напряжения, обусловливающие объемные деформации твердеющей структуры.

Формирование кристаллического каркаса, состоящего из кубических гидроалюминатов СзАНб и характеризующегося многочисленными термодинамическими неустойчивыми контактами срастания, придает структуре цементного камня сравнительно низкую прочность при высокой степени гидратации исходной фазы. После помещения образцов в воду последующая гидратация СзА и связанное с этим увеличение количества твердой фазы приводят к резкому снижению прочности образцов. Достаточно небольшого количества А1(ОН)з, наряду с СзАНб, как это имеет место при гидратации С12А7, чтобы напряжения, возникающие в структуре цементного камня, релаксировались. Степень гидратации С12А7 во все сроки твердения ниже, чем степень гидратации СзА. Однако прочность формирующей структуры выше.

Снижение прочности цементного камня в период с 1 до 3 сут вызвано, с одной стороны, начавшейся перекристаллизацией гексагональных гидроалюминатов кальция в СзАНб, с другой — быстрым проникновением воды (при помещении образцов в воду) внутрь образца, быстрой гидратацией С12А7 с образованием большого количества твердой фазы уже в сформировавшейся структуре, что сопровождается возникновением в ней напряжений. Образующийся в этот период А1(ОН)з оказывает положительное влияние на формирование структуры: прочность ее восстанавливается и даже несколько возрастает по мере увеличения времени твердения образцов. Таким образом, когда между кристаллами находится гелеобразиая фаза, то сближение кристаллов в процессе их роста не вызывает снижения прочности, а наоборот, структура уплотняется и прочность увеличивается. В этом случае гелеобразные фазы играют роль «амортизаторов» и связки («шарниров»), обеспечивая соединение кристаллов в единый каркас без жесткого закрепления элементов структуры и снижая при этом напряжение, возникающее в твердеющей структуре.

Степень влияния кристаллической и гелеобразной фаз в синтезе прочности цементного камня хорошо видна из рис. 2.2. Увеличение содержания кристаллической фазы до определенного количества сопровождается ростом прочности. Экстремальное значение прочности характерно для цементного камня, содержащего 45—55% кристаллической фазы; превышение этого количества сопровождается снижением прочности как в ранние (1-е сутки), так и в последующие сроки твердения (до 7 сут).

Для повышения прочности структуры в ранние сроки твердения (до 3 сут) необходимо обеспечивать образование большого количества кристаллической гидратной фазы, в последующие сроки твердения (7 сут и более) — гелеобразной фазы. В связи с этим к алюминатиым цементам, содержащим С12А7 и СзА, целесообразно добавлять вещества, которые могут служить матрицей (например, опоку, трепел, как в случае с портландцементом) или гидроксид алюминия, снижающий пересыщение жидкой фазы по СаО и тем самым обеспечивающий образование в твердеющей структуре низкоосновных игольчатых гидроалюминатов кальция.

Рис. 2.2. Зависимость прочности цементного камня от количества кристаллической фазы

Добавка А1(ОН)з к СзА и к С12А7 улучшает прочностные характеристики цементного камня, т. е. в этом случае снижение его прочности при длительном твердении не наблюдается.

К медленно гидратирующему-ся СА2, наоборот, целесообразно добавить минерал, при гидратации которого в начальный период образуется значительное количество кристаллической фазы. Совместная гидратация СА и СА2 обеспечивает высокую прочность цементного камня как в первые, так и в последующие сроки твердения. По истечении одних суток твердения цементный камень из цемента, содержащего 50% СА и 50% СА2, обладает прочностью при сжатии, равной 40 МПа, в то время как прочность цементного камня из СА2 к этому сроку достигает всего 0,2 МПа. Таким образом, регулируя соотношение между различными алюминатами кальция, можно получать цементы, характеризующиеся сравнительно высокой прочностью в начальные и последующие сроки твердения, что весьма важно при использовании их в качестве футеровочного материала для различных тепловых агрегатов.

Влияние условий гидратации на состав образующихся фаз и прочность цементного камня. В условиях повышенных температур прочность цементного камня резко снижается в связи с перекристаллизацией гексагональных гидроалюминатов в кубическую форму, их дегидратацией и структурными изменениями гидроксида и оксида алюминия. Эксперименты показали, что выдержка таких образцов при 150 °С сопровождается повышением их прочности по сравнению с образцами, твердеющими в нормальных условиях, несмотря на перекристаллизацию гексагональных гидроалюминатов кальция в СзАНб, выделение значительного количества воды и повышение пористости цементного камня. Увеличение степени гидратации приводит к заполнению пор продуктами гидратации и уплотнению цементного камня, что в конечном счете и обусловливает повышение прочности твердеющего цемента.

Дальнейшая термообработка цементного камня при 400 °С приводит к значительному снижению его прочности. В цементном камне происходит дегидратация СзАНб, А1(ОН)з с образованием бёмита АЮОН и С12А7. Дальнейшее повышение температуры обусловливает ускорение образования 12СаО • 7AI2O3. Одновременно в результате взаимодействия его с бёмитом, а возможно и с AI2O3, появляющимся при дегидратации бёмита образуется снова моноалюминат и диалюмииат кальция. В этот период происходит уплотнение образца за счет развивающегося процесса спекания материала, которому способствует наличие паров воды, выделяющихся при дегидратации бёмита, усиливающих массопередачу между зернами реагирующих компонентов.

Плотность образца увеличивается более чем в 3 раза, но прочность его снижается, хотя и менее значительно. В этот период структурообразование цементного камня обусловливается процессами синтеза минералов. Образование вторичных алюминатов (на основе гидроалюминатов кальция) происходит при более низкой температуре этих же минералов на основе безводных алюминатных и кальциевых соединений. Такое явление объясняется тем, что при гидратации происходит диспергирование зерен исходных минералов, что обеспечивает ускорение процесса минералообразования. Кроме того, в этом случае происходит лучшая гомогенизация компонентов. Следовательно, чем полнее гидратация исходных минералов, тем вероятнее сохранение повышенной прочности цементного камня при повышенной температуре за счет ускорения спекания.

Механизм структурных изменений, а также состав продуктов новообразований при различных температурах, за исключением твердения в течение 3 сут при Г=20±2 °С, для обоих видов цемента (СА, СА2) одинаковы. Имеет место различие лишь в скорости перекристаллизации гексагональных гидроалюминатов САНю и С2АН8 в кубический СзАНб, а также в количестве выделяющегося гидрата алюминия в виде геля, который обеспечивает уплотнение образца. При гидратации в цементном камне из САг образуется большее количество гидрата глинозема, чем при твердении СА. Это способствует уплотнению образца и увеличению поверхности контакта между новообразованиями. Наличие значительного количества А1(ОН)з компенсирует отрицательное влияние перекристаллизационных процессов на структуру цементного камня, обусловливающих повышение его пористости. Соответственно прочность цементного камня из диалюмината кальция в результате перекристаллизованных процессов снижается в меньшей степени, чем моноалюминатного цемента.

Таким образом, путем подбора состава вяжущего, обеспечивающего при гидратации оптимальное соотношение кристаллических и гелеобразных фаз, можно получать структуры с высокой стабильной прочностью.

Представленные на рис. 2 данные наглядно отражают незыблемость закона водоцементного отношения – чем ниже величина начального водосодержания цементного теста, тем выше плотность цементного камня и его прочность. Поэтому периодически появляющиеся в последнее время мнения о, якобы, нарушении данного закона в области низких водоцементных отношений не имеют под собой основания. Да, спад прочности при уменьшении В/Ц ниже некоторых значений может иметь место, но обусловлен он не нарушением общей закономерности, а несоответствием средств уплотнения цементного теста его начальному водосодержанию. На рис. 2 представлены данные, отражающие, например, воззрения, изложенные в [5]: «…При В/Ц <0,23 теоретическая и экспериментальная прочность достигает максимальных значений. В связи с этим значение В/Ц = 0,23 можно считать оптимальным по прочности…». Нетрудно убедиться, что такой вывод весьма далек от реальности. Можно отметить и такой факт – цементный камень, приготовленный по фильтрационной технологии (отжатие излишков воды из пластичного цементного теста), имеет при прочих равных условиях прочность, меньшую чем при технологии сухого формования, что достаточно просто объясняется наличием ослабляющих структуру материала фильтрационных каналов.

Обработка экспериментальных результатов, представленных на рис. 2, позволила получить аналитическую зависимость для расчета прочности цементного камня fцк, МПа, изготовленного по технологии сухого формования, как функцию параметров вакуумирования вяжущего (коэффициент kв), водоцементного отношения цементного теста (В/Ц)цт, соотношения плотностей вяжущего и воды rц/rв, степени гидратации цемента a и эмпирических коэффициентов (a, b):

Структура и свойства цементного камня.

Долговечность цементного камня - это способность цементного камня (т.е. застывшего цементного раствора) сохранять достаточный уровень строительно-технических и механических свойств при продолжительной эксплуатации.

Морозостойкость - способность цементного камня, находящегося в состоянии насыщенности водой, противостоять многократному попеременному замораживанию и оттаиванию.

Усадка - это естественное свойство цементного камня, выражающееся в уменьшении его объема и массы.

Модель структуры цементного камня можно упрощённо представить как состоящую из трёх составляющих: непрореагировавших с водой полиминеральных частиц клинкера, продуктов гидратации цементных минералов - цементного геля (CSH-геля) и пор разного размера: пор геля и капиллярных пор, а также контракционных пор, образовавшихся из-за уменьшения суммарного объёма твердеющей системы: цемент-вода. Структура цементного камня включает также воздушные поры (пустоты), образовавшиеся при перемешивании цементного теста.

Характеристика состава и свойства портландцемента.

К основным минералам клинкера относятся алит и белит (силикаты кальция), а также трехкальциевый алюминат и алюмоферрит кальция (алюминаты кальция). Каждый из них можно синтезировать отдельно, что дает возможность сопоставлять свойства минералов.

Алит — основной минерал клинкера. Его химическая формула ЗСаО • Si02, сокращенно C3S* Алита в клинкере содержится 45. 60%, т.е. больше, чем любого другого минерала. Алит отличается быстротой твердения и большой прочностью.

Белит — второй по значению клинкерный минерал. Состав белита выражается формулой 2СаО • Si02, сокращенно C2S. Содержание его в клинкере 20. 30%. Белит медленно твердеет, но при благоприятных условиях может в длительные сроки образовывать с водой весьма прочные соединения.

Трехкалъциевого алюмината ЗСаО • А1203 (С3А) содержится в клинкере 4. 12%. Отличается чрезвычайно быстрым схватыванием и твердением, но дает небольшую прочность.

Четырехкальциевого алюмоферрита 4СаО-А1203 • Fe203 (C4AF) содержится в клинкере 10. 20%. По скорости гидратации он уступает алиту, но превосходит белит, прочность же его незначительна.

•Принято сокращенное написание формул химических соединений: СаО-С SiOa-S, А12Оэ-А, Fe203-F.

Свойства портландцемента.

К свойствам портландцемента относят - плотность и объёмную насыпную массу, тонкость помола, сроки схватывания, равномерность изменения объёма цементного теста и прочность затвердевшего цементного раствора.

Тонкость помола характеризует степень измельчения цемента просеиванием через сита. Тонкость помола влияет на прочность цементного камня. Чем более тонко измельчён цемент, тем выше прочность цементного камня. В соответствии с требованиями тонкость помола должна быть такой, чтобы через сито №008 проходло не менее 85% от всей навески портландцемента. Удельная поверхность обычного портландцемента находится в пределах 2000-3000 см2/г и 3000-5000 см2/г - быстротвердеющих и высокопрочных цементов.

Сроки схватывания цементного теста (цемент + вода) зависят от тонкости помола, минерального состава и водопотребности цемента. При этом водопотребность характеризуется количеством воды в процентах от массы цемента, необходимой для получения теста нормальной густоты 24-28%. Начало схватывания должно наступать не ранее 45 минут, а конец не позднее 12 часов. За начало схватывания принимают время, прошедшее от начала затворения цемента водой до начала загустевания цементного теста: а за конец - время от начала затворения теста до полной потери им пластичности. С повышением температуры схватывания цементного теста ускоряется, с понижением - замедляется. После схватывания, следует продолжительный процесс превращения цементного теста в цементный камень.

Специальные виды цемента.

- Белый цемент. Основное использование БЦ - изготовление строительных сухих смесей. По многим параметрам обгоняет обычный портландцемент: ускоренный набор прочности, повышенная стойкость к атмосферным воздействиям. ЖБИ из белого цемента - не темнеют, не выгорают, не желтеют от времени.

- Быстротвердеющий цемент. Включают в свой состав активные минеральные добавки, пользуются более низким спросом. Причина тому - более медленный темп схватывания добавочного цемента.

- Расширяющийся цемент РЦ получают из глиноземистого цемента и гипса. Отличается от остальных видов расширением при твердении. Почти все остальные виды дают усадку.

- Водонепроницаемый безусадочный цемент. Применяется при: гидроизоляции монолитных конструкций, заделке швов между железобетонными элементами, герметизации различных стыков, сооружении водонепроницаемых бетонных емкостей для хранения различных жидкостей.

- Гидрофобный цемент. Цемент с введеним специальных добавок, повышающих его стойкость к хранению и транспортировке во влажной среде.

- Глиноземистый цемент. Быстрее набирает прочность: до 50% за сутки. Процесс твердения сопровождается большим количеством тепла, что может быть актуально при зимнем бетонировании.

- Портландцемент. Самый распространённый и используемый вид. Наверно 99% цемента, используемого в строительствеэто - портландцемент ПЦ.

- Пуццолановый цемент. Потрландцемент с введением добавок, содержащих тонкоизмельчённый активный кремнезём. Отличается увеличенным временем схватывания и пониженным тепловыделением. Теплопроводность то у бетона маленькая.

- Цветной цемент. Получают введением в состав окрашивающих пигментов из белого цементного клинкера Основное предназначение ЦЦ - получение декоративных ЖБИ, не требующих дальнейшей обработки.

Виды коррозии портландцемента и меры защиты от неё.

Возможны следующие виды коррозии:

1. связанная с выщелачиванием растворимых частей цементного камня (агрессивность выщелачивания);

2. вызываемая обменными реакциями между цементным камнем й агрессивной жидкой средой, в результате образуются легко растворимые соединения не обладающие вяжущими свойствами (агрессивность углекислая, общекислотная и магнезиальная);

3. обусловливаемая развитием и накоплением в цементном камне малорастворимых кристаллизующихся солей (агрессивность сульфатная).

Выщелачивание при действии пресных вод, характеризующихся малой жесткостью, происходит из-за растворения гидроксида кальция. Вода насыщается известью, если содержание СаО будет ниже 1,08 г/л воды. Это вызывает разложение гидроалюмината кальция, что приводит к образованию гидроксида кальция и к его растворению под действием вод, омывающих бетонную конструкцию.

Общекислотная агрессия возникает обычно при действии на бетон речных вод, сильно загрязненных промышленными сточными водами. Скорость коррозии бетона зависит от кислотного аниона. Кислые воды растворяют и разрыхляют, в первую очередь, поверхностные карбонизированные слои цементного бетона.

Чтобы повысить стойкость цементов по отношению к действию мягких, кислых и минерализованных вод, подбирают соответствующеий минералогическому составу портландцемент, что выражается, например, в значительном снижении, в случае сульфатной агрессии, содержания трехкальциевого алюмината и в некотором снижении содержания трехкальциевого силиката.

Гипсовые вяжущие вещества.

Сырьем для гипсовых вяжущих веществ служат сульфатные горные породы, содержащие преимущественно минерал двуводный гипс. При тепловой обработке природный гипс постепенно теряет часть химически связанной воды, а при температуре от 110 до 180°С становится полуводным гипсом. После тонкого измельчения этого продукта обжига получают гипсовое вяжущее вещество.

Гипсовые вяжущие вещества условно разделяют на строительный, формовочный и высокопрочный гипсы. Гипс строительный является продуктом обжига тонкоизмельченного двуводного гипса. На отдельных заводах после обжига гипс подвергают вторичному помолу. Гипс формовочный состоит из полугидрата сульфата кальция, отличаясь от гипса строительного большей тонкостью помола.

Гипс высокопрочный является продуктом тонкого помола а-полугидрата, получаемого в результате тепловой обработки в условиях, в которых вода из гипса выделяется в капельно-жидком состоянии.

Отличительной особенностью гипсовых вяжущих веществ является низкий срок схватывания, что вызывает определенное неудобство при производстве строительных работ. По срокам схватывания они разделяются на быстро-, нормально- и медленнотвердеющие. Для продления сроков схватывания в гипсовое тесто нередко вводят добавки-замедлители, например кератиновый клей, сульфитно-дрожжевую бражку и др. Они адсорбируются частицами гипса, что затрудняет их растворение и начало схватывания.

Строительные растворы.

Строительным раствором называют материал, получаемый в результате затвердевания смеси вяжущего вещества (цемент), мелкого заполнителя (песок), затворителя (вода) и в необходимых случаях специальных добавок. Эту смесь до начала затвердевания называют растворной смесью. Сухая растворная смесь - это смесь сухих компонентов - вяжущего, заполнителя и добавок, дозированных и перемешанных на заводе, - затворяемая водой перед употреблением. Вяжущее в растворе обволакивает частички заполнителя, уменьшая трение между ними, в результате чего растворная смесь приобретает необходимую для работы подвижность. В процессе твердения вяжущий материал прочно связывает между собой отдельные частицы заполнителя. В качестве вяжущего используют цемент, глину, гипс, известь или их смеси, а в качестве заполнителя — песок.

По виду применяемого вяжущего вещества строительные растворы бывают простые с использованием одного вяжущего (цемент, известь, гипс и др.) и сложные с использованием смешанных вяжущих (цементно-известковые, известково-гипсовые, известково-зольные и др.). По плотности строительные растворы подразделяют на тяжелые - средней плотностью в сухом состоянии 1500 кг/м3 и более, приготовляемые на обычном песке, и легкие - средней плотностью до 1500 кг/м3, которые приготовляют на легком пористом песке из пемзы, туфа, керамзита и др. По назначению строительные растворы бывают кладочные (для каменной обычной и огнеупорной кладки, монтажа стен из крупноразмерных элементов), отделочные (для оштукатуривания помещений, нанесения декоративных слоев на стеновые блоки и панели), специальные, обладающие особыми свойствами (гидроизоляционные, акустические, рентгенозащитные).

§ 6. Свойства цементного камня

Прочность цементного камня, приготовленного из данного портландцемента и выдержанного в определенных условиях, зависит от пористости.

Прочность и пористость Я0бщ связаны экспоненциальной зависимостью вида



Рис. 53. Зависимость прочности цементного камня при сжатии от общей пористости:

Из рис. 53 видно, что потенциальная прочность цементного камня весьма велика. Д. М. Рой и Г. Р. Гоуда использовали для изготовления цементного камня с В/Ц = 0,093 горячее прессование (температура 250°С, давление 350 МПа).

Таблица 17 Степень гидратации, в % от полной гидратации клинкерных минералов (по Ю. М. Бутту и С. Д. Окорокову)


Скорость взаимодействия клинкерных минералов с водой можно охарактеризовать увеличением степени их гидратации во времени (табл. 17).

Наиболее быстро гидратирующимися минералами цементного клинкера являются трехкальциевый алюминат и трехкальциевый силикат; самая медленная гидратация происходит у двухкальциевого силиката.


На рис. 54 сопоставлены кривые нарастания прочности клинкерных минералов, затворенных водой. Трехкальциевый силикат быстро твердеет и приобретает высокую прочность. Трехкальциевый алюминат отличается очень быстрым нарастанием прочности, но в дальнейшем она почти не изменяется.

Таким образом, увеличение суммарного содержания трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината в цементном клинкере необходимо для получения быстротвердеющих портландцементов.

Влияние тонкости помола цемента на прочность можно проследить по рис. 55.


Увеличение удельной поверхности и прочности цемента в начальные сроки твердения (до Зсут) объясняется повышением содержания в цементе частиц размером меньше 5 мкм. Как

Таблица 18 Глубина гидратации клинкерных минералов, мкм (по Ю. М. Бутту и С. Д. Окорокову)

Гидратация в течение

Прочность в последующие сроки твердения (после 7 сут) обусловлена гидратацией внутренней части зерен более крупных фракций цемента.

В отличие от прочности морозостойкость цементного камня определяется не общей, а капиллярной пористостью. Капиллярные поры понижают морозостойкость, поэтому их объем ограничивается в зависимости от марки бетона по морозостойкости.

кремния с гидратом окиси кальция. Поэтому, например, пуццолановый портландцемент рекомендуется применять во влажных условиях, для подводных и подземных конструкций.

Химическая стойкость. Коррозия вызывается воздействием агрессивных газов и жидкостей на составные части затвердевшего портландцемента, главным образом на Са(ОН)2 и . К-аО-АЬОз-бНгО. Встречаются десятки веществ, могущих воздействовать на цементный камень и оказаться для него вредными. 11ссмотря на разнообразие агрессивных веществ, основные причины коррозии можно разделить на три группы (по В. М. Москвину): 1) разложение составляющих цементного камня, растворение и отмывание гидрата окиси кальция; 2) образование легкорастворимых солей в результате взаимодействия гидроокиси кальция и других составных частей цементного камня с агрессивными веществами и вымывание этих солей (кислотная, магнезиальная коррозия); !)) образование в порах новых соединений, занимающих больший объем, чем исходные продукты реакции; это вызывает появление внутренних напряжений в бетоне и его растрескивание (сульфоалюминатная коррозия).

Для ослабления коррозии выщелачивания ограничивают содержание трехкальциевого силиката в клинкере 50%. Главным средством борьбы с выщелачиванием гидрата окиси кальция является ведение активных минеральных добавок и применение плотного бетона. Процесс выщелачивания гидрата окиси кальция замедляется, когда в поверхностном слое бетона образуется малорастворимый СаСОз вследствие карбонизации Са(ОН)г при взаимодействии С СОг воздуха. Выдерживание на воздухе бетонных блоков и свай, применяемых для сооружения оснований, а также портовых и других гидротехнических сооружений повышает их стойкость.

Углекислотам коррозия развивается при действии на цементный камень воды, содержащей свободную двуокись углерода в Виде слабой угольной кислоты. Избыточная (сверх равновесного количества) двуокись углерода разрушает карбонатную пленку бетона вследствие образования хорошо растворимого бикарбоната кальция по реакции

СаС03 + (С02)0В0б + Н20 = Са(НС03)

Кислотная коррозия происходит при действии растворов любых кислот, имеющих значения водородного показателя рН<7; исключение составляют поликремневая и кремнефтористоводородная кислоты. Свободные кислоты встречаются в сточных водах промышленных предприятий, они могут проникать в почву и разрушать бетонные фундаменты, коллекторы и другие подземные сооружения. Кислота образуется также из сернистого газа, выходящего из топок. В атмосфере промышленных предприятий, кроме SO2, могут содержаться ангидриды других кислот, а также хлор и хлористый водород. При растворении его во влаге, адсорбированной на поверхности железобетонных конструкций, образуется соляная кислота.

Кроме того, кислоты могут разрушать и силикаты кальция. Бетон на портландцементе защищают от непосредственного действия кислот с помощью защитных слоев из кислотостойких материалов.

Са(ОН)2 + MgCl2 = СаС12 + Mg(OH)2

В результате этих химических реакций образуется растворимая соль (хлористый кальций или двуводный сульфат кальция), вымываемая из бетона. Гидрат окиси магния представляет бессвязную массу, не растворимую в воде, поэтому реакция идет до полного израсходования гидрата окиси кальция.

Образующийся нитрат кальция хорошо растворяется в воде и вымывается из бетона.

Хлористый калий КС1 повышает растворимость Са(ОН)г и ускоряет коррозию.

Из числа фосфорных удобрений агрессивен суперфосфат, состоящий в основном из монокальциевого фосфата Са(Н2Р04)г и гипса, но содержащий еще и некоторое количество свободной фосфорной кислоты.

Сульфоалюминатная коррозия возникает при действии на гидроалюминат цементного камня воды, содержащей сульфатных ионов (S042-) более 250 мг/л:

Образование в порах цементного камня малорастворимого трехсульфатного гидросульфоалюмината кальция (эттрингита) сопровождается увеличением объема примерно в 2 раза. Развивающееся в порах кристаллизационное давление приводит к растрескиванию защитного слоя бетона. Вслед за этим происходит коррозия стальной арматуры, усиление растрескивания бетона и разрушение конструкции. С сульфоалюминатной коррозией всегда надо считаться при строительстве морских сооружений. Вместе с тем могут оказаться агрессивными сточные воды промышленных предприятий, а также грунтовые воды.

Если в воде содержится сульфат натрия, то вначале с ним реагирует гидрат окиси кальция

Са(ОН)2 + Na2S04 3& CaS04 -f 2NaOH

В последующем идет образование гидросульфоалюмината кальция вследствие взаимодействия получающегося сульфата кальция и гидроалюмината.

Для борьбы с сульфоалюминатной коррозией применяется специальный сульфатостойкий портландцемент.

Коррозия под влиянием органических веществ. Органические кислоты, как и неорганические, быстро разрушают цементный камень. Большой агрессивностью отличаются уксусная, молочная и винная кислоты. Жирные насыщенные и ненасыщенные кислоты (олеиновая, стеариновая, пальмитиновая и др.) разрушают цементный камень, так как при действии гидрата окиси кальция они омыляются. Поэтому вредны и масла, содержащие кислоты жирного ряда: льняное, хлопковое, а также рыбий жир. Нефть, нефтяные продукты (керосин, бензин, мазут, нефтяные масла) не представляют опасности для бетона, если они не содержат нефтяных кислот или соединений серы. Однако надо учитывать, что нефтепродукты легко проникают через бетон. Продукты разгонки каменноугольного дегтя, содержащие фенол, могут агрессивно влиять на бетон.

Щелочная коррозия может происходить в двух формах: под действием концентрированных растворов щелочей на затвердевший цементный камень и под влиянием щелочей, имеющихся в самом цементе. Если бетон насыщается раствором щелочи (едкого натрия или калия), а затем высыхает, то под влиянием углекислого газа в порах бетона образуются сода и поташ, которые, кристаллизуясь, расширяются в объеме и разрушают цементный камень. Сильнее разрушается от действия сильных щелочей цемент с высоким содержанием алюминатов кальция.

Читайте также: