Как повышение в ц отношения влияет на свойства цементного раствора и камня

Обновлено: 30.04.2024

Изменение структуры цементного камня при твердении

Гидратация цемента. Твердение цемента происходит в результате комплекса сложных химических и физико-химических процессов. К химическим процессам при твердении цемента можно отнести процессы гидратации, гидролиза и обменного взаимодействия, протекающие при затворении цемента водой. Состав новообразований определяется химической природой безводных соединений, соотношениями твердой и жидкой фазы, температурными условиями. Вода в процессе взаимодействия с цементом насыщается переходящими в раствор гидроксидом кальция, являющимся продуктом гидролиза клинкерных минералов, гипсом и щелочами, содержащимися в цементе.

Наличие и концентрация этих веществ в жидкой фазе твердеющего цемента существенно влияет на состав гидратных новообразований.

Гидратационная активность минералов портландцементного клинкера зависит от их кристаллохимической природы. В частности, для основного минерала портландцементного клинкера - алита характерным является нерегулярная координация ионов кальция и наличие «пустот», прилегающих к этим ионам, что вызывает искажение электростатического поля между ионами, обусловливающее высокую энергию решетки С35.

Кристаллохимическим критерием гидратационной активности силикатов кальция является наличие в их структуре изолированных тетраэдров [SiO4]4- .

Высокая гидратационная активность алюминатных минералов обусловлена возможностью структурных превращений, ей способствует нестабильность тэтраэдрической концентрации А13+ в кристаллической решетке этих минералов.

В.И. Бабушкиным было показано, что сумма энтропии оксидов меньше энтропии клинкерных минералов, что характеризует меньшую степень упорядоченности их структур и термодинамическую неустойчивость. Все клинкерные минералы по величине отрицательного значения изобарно-изотермического потенциала реакций гидратации располагаются в ряд, согласующийся с их гидратационной активностью:

Основные клинкерные минералы-силикаты при взаимодействии с водой образуют гидросиликаты кальция - слабозакристаллизованные соединения, имеющие переменный состав.

«Внешний» продукт гидратации содержит больше ионов Са2+, однако количество его крайне мало по сравнению с содержанием «внутреннего» гидросиликата. Исследования с применением электронной микроскопии показали, что соотношение Са:3| при гидратации С35 непостоянно: сначала оно резко снижается, а затем быстро и в последующем медленно повышается до 1,5-2. Гидросиликаты кальция являются основной фазой цементного камня (С-S-Н-фаза). Уже через одни сутки твердения цементного камня в электронном микроскопе можно видеть кристаллы гидросиликата кальция, расположенные на поверхности основного минерала цемента - алита (С3S).

Вырастая, эти кристаллы постепенно перекрывают поровое пространство. Гидросиликаты кальция отличаются основностью (молярным отношением СаО к SiO2), которая зависит от концентрации СаО в жидкой фазе. При гидратации минералов - силикатов цемента в тесте (жидкая фаза насыщена известью, концентрация СаО >1,2 г/л) образуются гидросиликаты состава С2SН2 с соотношением СаО:SiO2>1,5, при гидратации в суспензии и концентрации СаО = 0,08 -1,12 г/л образуются гидраты с пониженной основностью типа СSН(В).

В настоящее время предложены различные механизмы образования гидратов для клинкерных минералов. Процесс гидратации, учитывая, что ее скорость изменяется во времени, можно разбить на несколько периодов. Применительно к С35 первый период начинается немедленно после смешения С3S с водой и длится 3-5 мин. В этот период происходит сорбция воды зерном С3S и параллельно протекает его растворение на толщину примерно одного молекулярного слоя.

Перешедшие в раствор ионы гидратируются и осаждаются в виде гидрата С35Н2О на поверхности исходного зерна. Затем процесс резко замедляется и наступает т.н. индукционный период, длящийся 0,5-3 часа.

Третий период - период ускорения - характеризуется превращением метастабильных гидросиликатов в тоберморитовый гель состава 2СаО*SiO2*nН20. К концу периода ускорения толщина слоя гидросиликатов достигает 200 мкм, кристаллы Са(ОН)2 возрастают до 50-100 мкм и обволакивают зерна С3S. Слой продуктов гидратации вокруг зерна уплотняется, что приводит к падению коэффициентов диффузии и вновь вызывает замедление процесса. На последней, пятой стадии, образуется лишь небольшое количество продуктов гидратации С35. Эта стадия контролируется процессом диффузии.

Условием стабильного существования С4АН14 является пересыщение жидкой фазы ионами Са2+.

Кубическая форма (С3АН6) может образоваться в результате непосредственной гидратации С3А при 80°С или более высокой температуре.

При низких водотвердых отношениях и высокой температуре прямое образование С3АН6 может существенно повысить прочность.

Гипс, вводимый в цемент для регулирования сроков схватывания, повышения активности силикатов, образует в зависимости от концентрации Са(ОН)2 в жидкой фазе гидросульфоалюминаты трех - или моносульфатной формы.

Кристаллы гидросульфоалюмината трехсульфатной формы (ЗСаО*А12О3-ЗСаSО4*31Н2О) - эттрингита имеют игольчатую или призматическую форму и образуются вблизи поверхности зерен С3А и в межзерновом пространстве. Кристаллы гидросульфоалюмината моносульфатной формы (ЗСаО*А12О3*СаS04*12Н20) имеют пластинчатую форму, они образуются при пониженных концентрациях Са(ОН)2 и сульфата кальция.

Железосодержащая фаза цемента гидратируется в нормальных условиях с образованием гексагональных и кубических гидроалюминатов кальция, а также аморфного гидроферрита кальция. После автоклавной обработки алюмоферриты кальция дают кубический гидроалюминат, гидроксид кальция и оксид железа. Последний образуется в результате разложения аморфного гидроферрита кальция.

Гидроферриты кальция подобно гидроалюминатам образуют комплексные соединения с гипсом. Известны гидросульфоферриты кальция ЗСаО*Fе2О3*ЗСаSО4*(30-32)Н2О и ЗСаО*Fе2О3 *СаSО4 *12Н2О.

В состав цементного камня, кроме гидратов - продуктов взаимодействия основных минералов цемента с водой, входят твердые растворы гидроалюминатов и гидроферритов, а также гидрогранаты - продукты взаимодействия клинкерного стекла с водой, свободные СаО (0,5-1%), МgО(до5%), щелочные соединения (Na2О+К2О)<1%). Кристаллы гидратных новообразований в цементном камне имеют размеры, как правило, менее 1 мкм и видны лишь при увеличениях, достигаемых электронным микроскопом. По Форме кристаллы гидратов могут быть призматическими или игольчатыми, в виде гексагональных пластинок, деформированных тонких чешуек, зерен. Преобладающая масса кристаллов в продуктах гидратации цемента имеет форму тонкихлистков и деформированных пластинок толщиной в несколько молекулярных слоев, по составу являющихся гидросиликатами кальция пониженной основности (тоберморитоподобный гель). Некоторая их часть имеет аморфную структуру.

Эттрингит в цементном камне чаще всего представлен призматическими кристаллами, гидроалюминаты, гидроферриты и Са(ОН)2 находятся в форме гексагональных пластинок.

Реакции гидратации начинаются практически сразу после затворения цемента водой. Через несколько минут жидкая фаза становится пересыщенной относительно гидроксида кальция, выделяемого при гидролизе алита, и сульфата кальция. На частичках алюмината и алюмоферрита образуется корка кристаллов эттрингита, которая под давлением кристаллизации разрывается, что способствует дальнейшему прохождению реакции.

Анализ данных электронно-микроскопических и кристал-лохимических исследований показывает, что процесс образования гидратов начинается с протонизации поверхности - передачи протона от молекул воды атомам кислорода. Это, в конечном счете, приводит к растворению минералов и кристаллизации гидратов из жидкой фазы. В соответствии с современными представлениями на начальной стадии взаимодействия цемента с водой затворения на активных участках поверхности происходит гидролитическая диссоциация с выходом Са2+ и ОН" в жидкую фазу. В результате на частицах вяжущего образуется поверхностный слой, представленный группировками силикатных ионов (Н25Ю4)-, (Н4512О7)2-. В конце индукционного периода под действием осмотического давления происходит разрыв поверхностной пленки.

В первые 60-100 мин гидратации количество гидратных фаз относительно невелико. Возникающие волокна гидросиликатов имеют длину 5-10*-10 -9 м и диаметр 0,1-0,2*10 -9 м.

«Внутренним» продуктом гидратации алита и белита являются гидросиликаты с соотношением Са/Si 1,7-2. Для «внешнего» продукта соотношение Са/Si: составляет 2,6-2,7.

На состав цементного камня влияет минералогический состав цемента, В/Ц, условия и длительность твердения. X. Тейлор для цементного камня (В/Ц = 0,5) после годичного срока твердения привел следующий состав (в объемных долях): непрореагировавшие клинкерные зерна -0,05; Са(ОН)2-0,11; СаСО3-0,01; С5Н -0,37; алюминатные и алюмоферритные образования - 0,15; микропоры - 0,18. С ростом температуры ускоряется взаимодействие цемента с водой, что характерно для всех химических реакций.

При понижении температуры степень гидратации цемента существенно уменьшается. Скорость и степень гидратации цемента при отрицательных температурах можно повышать введением химических добавок, понижающих точку замерзания жидкой фазы.

Реакции твердения цемента характеризуются тепловыделением и изменением по времени, которые зависят от свойств цемента, водоцементного отношения, длительности твердения и температуры. А.В. Ушеров-Маршак на основе данных о размерах и скорости тепловыделения предложил оригинальную классификацию вяжущих.

С изменением температуры меняется растворимость исходного вяжущего, состав жидкой фазы, что приводит к изменению состава новообразований.

Период до появления первого экстремума на кривой скорости тепловыделения длится несколько минут, а затем наблюдается понижение скорости гидратации цемента. Уменьшение скорости тепловыделения цемента обусловлено образованием вокруг цементных зерен экранирующих оболочек и их уплотнением. Последующее повышение скорости гидратации в конце второго периода обусловлено разрушением экранирующих оболочек.

Второй экстремум соответствует времени, когда разрушение оболочек происходит одновременно на многих цементных зернах.

К настоящему времени сложились два противоположных взгляда на механизм гидратации цемента. Часть исследователей придерживаются так называемого сквозьрастворного механизма, согласно которому процессу гидратации предшествует растворение безводных соединений. Ряд ученых отдает предпочтение топохимическому или смешанному механизму гидратации. По топохимическому механизму молекулы воды или ионы Н+ и ОН- присоединяются непосредственно к поверхностным слоям кристаллов с образованием первичных гидратированных слоев определенной толщины и последующим переходом гидратированных ионов в раствор. По смешанному механизму, в пользу которого свидетельствуют многие экспериментальные данные, полученные в последние годы, гидратация происходит сначала вследствие растворения, а затем - топохимически. Смешанный механизм гидратации подтверждается термодинамическими расчетами (А.Ф. Полак).

Твердение и структура цементного камня. Несмотря на многочисленные исследования, к настоящему времени не разработана еще единая теория твердения цемента. Первые теоретические концепции твердения цемента были предложены в конце XIX в. (А. Ле Шателье, 1887 г. и В. Михаэлис, 1893 г.). В соответствии с теорией Ле Шателье (кристаллизационная теория) гидратация цемента происходит через раствор. Вследствие более высокой растворимости клинкерных минералов по сравнению с образующимися кристаллогидратами последние, образуя пересыщенные растворы, выделяются из цементно-водной суспензии и образуют кристаллический сросток.

Основное положение теории Ле Шателье о том, что гидратация цемента происходит через раствор, является исходным в современных представлениях на процессы твердения минеральных вяжущих.

По коллоидной теории Михаэлиса вода непосредственно взаимодействует с поверхностью цементных минералов, и процессы гидратации идут без их растворения (топохимический механизм). Образуемые коллоидные системы - гидрогели, которые обезвоживаются, как считал В. Михаэлис, имеют переменный состав в результате «внутреннего отсасывания» воды, что способствует твердению и образованию цементного камня. Михаэлис не отрицал возникновения в процессе твердения цемента кристаллических новообразований, но не придавал им решающего значения. Благодаря совершенствованию методов исследований и особенно привлечению рентгенографического и электронномикро-скопического методов анализа в настоящее время доказана кристаллическая (субмикрокристаллическая) природа гидратов, в том числе и коллоидной дисперсности.

Обе теории попытался объединить в 1923 г. А.А.Байков (объединенная коллоидно-химическая теория). Он выделил при твердении цемента три периода: подготовительный или период растворения (до начала схватывания); коллоидацию (стадия гидратации) и период кристаллизации с образованием кристаллического сростка. Главное положение теории Байкова, актуальное для развития современных теоретических представлений, состоит в возможности значительной части вяжущего гидратироваться по топохимической схеме.

Значительный вклад в развитие современных представлений о твердении цементов сделан научной школой П.А. Ребиндера.

С позиций физико-химической механики П.А. Ребиндер разделяет процесс твердения на три стадии:

растворение в воде неустойчивых клинкерных фаз и выделение кристаллов;
образование коагуляционной структуры-рыхлой пространственной сетки;
рост и срастание кристаллов.

Первичная или коагуляционная структура возникает на первой стадии формирования и развития дисперсной системы «цемент-вода» за счет энергии межмолекулярного притяжения при повышении концентрации гидратных новообразований. Учитывая, что размер микрокристаллов гидратов меньше 0,1 мкм, между ними возникают коагуляционные контакты, особенностью которых является наличие между частицами тонкой прослойки воды. Коагуляционные структуры являются обратимымии способны восстанавливаться после разрушения (тиксотропия).

Коагуляционная структура характеризуется определенной пластической прочностью, предельным напряжением сдвига и вязкостью.

Первоначально предполагалось, что образованию коагуляционной структуры способствует адсорбционное диспергирование зерен в начальный период их взаимодействия с водой, что позднее не подтвердилось экспериментально. Образование коагуляционной структуры сопровождается схватыванием цементного теста.

Субмикрокристаллы новых фаз с размерами коллоидного порядка от 10 -10 м до10 -7 м обладают большой поверхностью и притягивают к себе ионы. Заряженные поверхности субмикро-кристаллов стремятся притянуть ионы противоположного знака, при этом образуются два противоположно заряженных слоя (двойной электрический слой) и возникает разность потенциалов между подвижным слоем жидкой фазы и неподвижным слоем на поверхности раздела.

Природа схватывания цементного теста до конца еще не Установлена. Существует гипотеза о том, что схватывание (загустевание) цементного теста обусловлено осмотическим связыванием воды коллоидным гелем. Установлено также, что схватывание цемента обусловлено преимущественно иммобилизацией воды гидросиликатными фазами; роль гипса, вводимого в цементный клинкер, сводится к регулированию процесса схватывания и повышению активности силикатных фаз клинкера. Оптимальная дозировка гипса зависит от количества трех-кальциевого алюмината в цементе и тонкости его помола.

По мере развития процессов гидратации, увеличения концентрации гидратных новообразований, уменьшения и полного исчезновения прослоек воды между контактирующими частицами возникает пространственный каркас конденсационно-кристал-лизационной структуры. Такая структура не обладает тиксотроп-ностью, для нее характерны контакты срастания кристаллов соответствующих гидратов, которые под влиянием напряжений деформируются и необратимо разрушаются.

Прочность цементного камня обусловлена двумя типами когезионных связей. Связи первого типа обусловливаются физическим притяжением полярных продуктов, образующихся в процессе гидратации, ван-дер-ваальсовыми силами.

По мере дальнейшего твердения при срастании новообразований и уменьшении их удельной поверхности прочность увеличивается за счет химических связей.

В соответствии с представлениями, развитыми П. А. Ребинде-ром, из пересыщенного раствора новообразования кристаллизуются в два этапа.

В течение первого происходит формирование каркаса с возникновением контактов срастания между кристаллами новообразований. При этом возможен также рост срастающихся между собой кристаллов. В течение второго этапа новые контакты не возникают, а происходит только обрастание уже имеющегося каркаса и рост составляющих его кристаллов.

Решающую роль играет пересыщение раствора. При малом пересыщении количество кристаллов невелико, они не срастаются.

Для наибольшей прочности искусственного камня необходимы оптимальные условия гидратации, обеспечивающие возникновение кристаллов новообразований достаточной величины.

По М.М. Сычеву цементный камень представляет собой структуру, в которой прочность создается фиксированием относительно друг друга кристалликов или коллоидных частиц за счет образования конденсированных систем при сближении частицдо расстояний, при которых между ними возможно сильное взаимодействие электростатической природы.

Важную роль при твердении цементов играет структурирование воды, прилегающей к поверхности дисперсной фазы. Вода, структурированная поверхностью гидратных частиц, находится в квазитвердом состоянии и выполняет роль своеобразной связки, способствуя созданию прочного искусственного камня. Существенным фактором нарастания прочности цементного камня является переход адгезионных контактов электромагнитной и электростатической природы в кристаллизационные валентные контакты. Основу прочной структуры цементного камня составляют кристаллы и сростки кристаллов гидратных новообразований размером 10 -7 — 10 -5 см, связанные между собой контактами срастания. Большое значение имеет также наличие в твердеющей системе субмикрокристаллов новообразований различных фаз размером менее 10 -7 см.

Рост отдельных сросшихся между собой кристаллов сопровождается возникновением кристаллизационного давления и внутренних напряжений в структуре. За счет частичного разрушения структуры внутреннее напряжение релаксирует.

Таким образом, нарастание прочности цементного камня в процессе гидратации есть результат двух процессов - создания и разрушения структуры.

Деструктивные процессы в цементном камне, ведущие к снижению прочности, возникают, например, в результате роста кристаллов эттрингита при повышенном содержании гипса и грубом помоле цемента.

На физико-механические свойства цементного камня существенно влияют геометрические параметры новообразований и пор, характеризующих микроструктуру. Структуру цементного камня характеризуют его морфологией, т.е. формой и размерами частиц, а также пористостью - особенностями пор и распределением их по размерам.

Наряду с гидратными новообразованиями цементный камень включает непрореагировавшую часть зерен цемента, содержание которых с течением времени уменьшается. Так, зерна цемента размером до 5 мкм почти полностью гидратируются в течение 1-3 сут, а до 10 мкм через месяц.

Цементный камень пронизан порами размером от0,1 до 100нм. Существует ряд классификаций пор цементного камня в зависимости от размера и происхождения. В зависимости от размера поры в цементном камне принято обычно делить на три группы: микропоры (меньше 2 нм), мёзопоры (2-50 нм) и макропоры (больше 50 нм). С учетом происхождения поры могут быть классифицированы на следующие группы: поры геля - 0,5-30 нм,капиллярные и контракционные - 30-50мкм, микровоздушные 0,1-1 мм, поры уплотнения - более 1 мм.

Р. Кондо и М. Дайман предложили классификацию пор, принимая в качестве параметра их размера половину гидравлического радиуса: макропоры (> 100 нм), мёзопоры (1,6-100 нм); микропоры и гелевые поры (0,6-1,6 нм); ультрамалые и межкристаллитные поры (< 0,6 нм).

X. Учикава предложил классификацию пор по их влиянию на физико-механические свойства цементного камня: поры диаметром 2 мкм и более, а также несколько нанометров и менее, влияющие на устойчивость структуры при замораживании-оттаивании; поры диаметром от нескольких десятков до сотен нанометров, влияющие на газо- и водонепроницаемость; поры, диаметром несколько десятков нанометров и менее, связанные с диффузией и переносом ионов и влияющие на химическую стойкость по отношению к морской воде, действию сульфатов и хлоридов, щелочей цемента.

В гидратных новообразованиях, а также в кристаллогидратах, что вводятся всостав цемента (гипс), вода химически связана и удаляется при 200-500 °С. Адсорбционными и капиллярными силами удерживается межслоевая, цеолитная, капиллярная, гигроскопическая вода. Свободная вода находится в крупных порах. По Т.К. Пауэрсу и Г.И. Браунъярду воду в цементном камне можно разделить на «испаряющуюся» и «неиспаряющуюся». Под первой понимают воду, которая удаляется из цементного камня при его сушке в сосуде над перхлоратом магния [Мg(Сl4)2* 2Н2О] при 23 °С, а второй - воду, которая осталась в цементном камне после такой сушки.

Адсорбционная вода находится на поверхности твердой фазы цементного камня в виде нескольких слоев. Ближайший к цементной частице мономолекулярный слой воды имеет плотность выше единицы и ведет себя как псевдотвердое тело. Капиллярная вода также находится в физической связи со стенками капилляров, величина которой зависит от их размера. Вода из пор и капилляров радиусом более 100 нм испаряется, даже если воздух полностью насыщен водяными парами. При уменьшении радиуса капилляров до 10 нм испарение воды происходит при относительной влажности, равной 89,9%, при радиусе 1,0 нм - при 34,8%. При влажности воздуха, превышающей указанные значения, происходит конденсация водяных паров внутри капилляров.

В результате непосредственного соприкосновения с водой происходит дополнительное увлажнение цементного камня за счет капиллярного подсоса. В крупных порах и пустотах вода находится в свободном состоянии и легко удаляется высушиванием при сравнительно низких температурах.

Общая пористость цементного камня изменяется от 25 до 50% и так же, как капиллярная, зависит в основном от водоцементного отношения (В/Ц). Средняя удельная поверхность гидратированных цементов составляет 210-280 м2/кг, что свидетельствует о высокой дисперсности гидратных продуктов и пористости структуры.

Взаимодействие цемента с водой сопровождается контракцией - уменьшением объема системы цемент-вода по сравнению с объемом исходных материалов. Контракцию выражают обычно в миллилитрах на 100 г цемента. По данным В.В. Некрасова контракция цементов составляет в среднем 5 -7 мл на 100 г. На величину контракции влияют минералогический состав цемента, тонкость помола и В/Ц. При увеличении В/Ц от 0,25 до 0,8 величина контракции увеличивается в два раза.

При образовании контракционного объема в твердеющей системе возникает вакуум, под влиянием которого он заполняется водой или воздухом в зависимости от условий твердения.

Ряд исследователей предложил ориентировочно находить показатель а по зависимостям, связывающим его с прочностью цементного камня или активностью цемента.

Более прочный цементный камень позволяет получить одновременное воздействие давления и температуры. При давлении 517 МПа и температуре 300 °С получен цементный камень с пределом прочности при сжатии 655 МПа и модулем упругости в два раза выше, чем в нормальных условиях твердения. Микротвердость горячепрессованных образцов более чем в 3 раза превышает показатели вибрированных образцов, их пористость уменьшается на порядок и достигает 2%.

При одинаковой степени гидратации и пористости прочность цементного камня зависит от характера кристаллизации гидратов. С укрупнением частиц гидратов и повышением степени их закри-сталлизованности прочность цементного камня снижается вследствие уменьшения числа и площади контактов между кристаллами. Наиболее высокая прочность достигается при оптимальном сочетании слабозакристаллизованной массы гидратов с плотными, хорошо закристаллизованными ее участками.

Слабозакристаллизованные гидросиликаты выполняют в цементном камне функцию связующего вещества, цементирующего негидратированные ядра клинкера и сравнительно крупные кристаллы гидратов (Са(ОН)2, эттрингит).

Водоцементное отношение бетонной смеси (В/Ц) — что это такое?

Вода – неизменный компонент любого бетона. К ней определяются определенные требования – низкая кислотность, отсутствие солей и органических добавок, таких как грунт, жиры, нефтепродукты и т.д. Но для качественного бетона важным моментом является и водоцементное соотношение – количество жидкости и цемента, которые нужно добавить для получения конкретного объема раствора.

Содержание

Почему это важно?

Под водоцементным соотношением понимают отношение массы воды к массе цемента, необходимого для приготовления рабочей смеси. Если в бетон добавить жидкости больше, чем нужно, его качество резко ухудшается, показатели бетона М400 могут соответствовать марке М200. После укладки монолит расслаивается, при этом его прочность снижается в несколько раз. Тем не менее, без воды невозможна гидратация цемента, поэтому она должна присутствовать. По водоцементному соотношению бетонной смеси требования изложены в ГОСТ по каждому конкретному виду цемента. Снижение прочности бетона в зависимости от марки и В/Ц соотношения представлено в графике.

Этот же процесс можно увидеть по таблице:

Нелинейность характеристик связана с тем, что химический процесс отвердевания бетона достаточно сложен. Например, влага, которая не участвует в гидратации, остается несвязанной, в результате чего в монолите остаются капилляры и поры, снижающие его плотность и прочность. При этом поры к поверхности бетона расширяются, поэтому он начинает крошиться за счет снижения водопроницаемости. Если влага остается в толще бетона до морозов, она неизбежно замерзнет и начнет разрывать конструкции изнутри, уменьшая прочностные характеристики. При этом лишняя вода влияет на подвижность раствора, которая тоже должна быть оптимальной. Зависимость высоты конуса от водоцементной смеси и пропорций других компонентов можно увидеть в следующей таблице:

Это означает, что правильно подобранное водоцементное соотношение – гарантия того, что бетон будет отвечать заявленным характеристикам.

Расчет количества воды

Согласно общепринятому правилу, для полной гидратации портландцемента ему потребуется всего 25% воды от его массы. Но на практике применить такую смесь невозможно, поскольку она окажется излишне жесткой, поэтому для получения достаточной пластичности потребуется больше воды. Чтобы получить пластичный, удобный для укладки раствор, необходимо показатель водоцементного отношения для бетона должен быть в рамках от 0,4 до 0,75. При меньшем значении его подвижность будет слишком мала и при укладке могут оставаться полости, если значение будет превышать максимальное, цемент расслоится, его прочность резко снизится, особенно это касается бетонов высоких марок.

От коэффициента В/Ц соотношения зависят свойства бетона. Если конструкции эксплуатируются в сложных условиях без дополнительной гидроизоляции, водоцементное соотношение не должно превышать 0,4, такой бетон используется, например, для производства тротуарной плитки. Для заливки фундаментов требуется большая подвижность смеси, поэтому допускается верхняя граница 0,75. Если бетонный монолит или конструкция требуют повышенных показателей морозостойкости, В/Ц не должно превышать 0,5.

Для изготовления бетонной смеси используется портландцемент высокой активности марок М400 или М500. Показатель соотношения воды к цементу, в зависимости от его вида, марки или класса бетона, можно определить по таблице:

Очевидно, что чем выше марка бетона, тем больший расход цемента требуется при меньшем количестве жидкости, нужная подвижность в этом случае достигается за счет применения пластификаторов – присадок, повышающих подвижность бетона без добавления воды. К примеру, для изготовления бетона М300 на 100 кг цемента потребуется 100·0,53=53 л воды для ПЦ 400 или 100·0,61=61 л для ПЦ 500.

Распространенные ошибки

При самостоятельном изготовлении бетонной смеси нередко допускаются ошибки, существенно снижающие ее качество. Самая распространенная из них – превышенное водоцементное отношение. Это связано с тем, что очень важно правильно уложить, а затем уплотнить бетонную смесь, что легче сделать при большей подвижности, которая достигается добавлением лишней воды. Но при этом существенно снижается качество материала – первый признак, выступление жидкости на поверхности после укладки.

Добиться того же эффекта без превышения количества воды можно при помощи пластификаторов.

Еще одной распространенной ошибкой является неправильный уход за бетоном. Процесс гидратации цемента должен проходить при постоянной температуре и максимальной влажности. Поэтому его требуется регулярно смачивать или укрывать полиэтиленом. В этом случае плотность и прочность получившегося бетона будет в несколько раз превышать аналогичный показатель монолита, высушенного без соблюдения этих условий за счет появления микрополостей и капилляров.

При этом нужно осознавать, что изменение свойств бетона не находится в линейной зависимости от внешних факторов и состава. При сниженном показателе водоцементного соотношения смесь быстро схватится в течение первых трех дней, но такой бетон будет иметь меньшую прочность, чем тот, который был приготовлен с повышенным соотношением воды и цемента, при условии, что соблюдались все технологические условия. Поэтому при изготовлении бетонных смесей подбирать варианты с оптимальным значением водоцементного отношения.

При высоких водоцементных отношениях пространство между двумя цементными зернами так велико, что оно не может быть заполнено при полной гидратации цемента. Остается избыточная вода, которая испаряется и оставляет пустоты (поры, капилляры).

Вывод

Правильное водоцементное соотношение – одно из главных условий получения качественного бетона. При этом известное правило, что для гидратации цемента требуется только 25% воды от его массы, не применимо на практике. Это связано с тем, что некоторый излишек воды должен обязательно оставаться для обеспечения подвижности раствора. Малое количество воды негативно сказывается на прочности конструкций и монолитов после полного схватывания, делает невозможным качественное уплотнение смеси. Поэтому при производстве бетонов различных марок необходимо придерживаться технологических требований.

Лишняя влага в строительном растворе тоже приводит к снижению его качества. Если жидкость не связана должным образом, то компоненты раствора расслаиваются в нем относительно собственной плотности. В результате вместо монолита получается «слоеный пирог», не соответствующий никаким техническим требованиям. Главным признаком излишка воды — ее выделение на поверхности уложенного монолита. Поэтому, в тех случаях, когда требуется дополнительная удобоукладываемость раствора, например, заполнении опалубки с густым армированием, лучше использовать пластификаторы. Они придадут раствору дополнительную подвижность без добавления излишней воды. Обязательно нужно учитывать тот факт, что при укладке бетонной смеси при температурах ниже нуля, В/Ц должно быть как можно ниже, чтобы большая часть воды участвовала в гидратации вяжущего с выделением тепла.

В частном строительстве для получения нужного водоцементного соотношения целесообразно сделать пробный замес. Для этого к одной части цемента добавляют 3 части песка, слегка увлажняют получившийся материал и добавляют 5 частей щебня. После этого вода добавляется мелкими порциями из мерной посуды (чтобы знать ее объем) для получения нужной подвижности раствора. После этого ком бетонного раствора укладывают на ровную поверхность – если он держит форму, водоцементное отношение оптимальное, если расплывается – воды много, когда ком разваливается и расслаивается, в него нужно дополнительно добавить воду.

Применение микрокремнезема на бетонных производствах

В середине 80-х годов в мировой строительной практике появились бетоны с высокими эксплутационными свойствами. Для них характерно то, что высокая (55—80 МПа) и сверхвысокая (выше 80 МПа) прочность на сжатии, низкая проницаемость, повышенная коррозионная стойкость и долговечность достигаются с применением высокоподвижных бетонных смесей. Конструкциям и сооружениям, возведенным с их использованием, как правило, присущи яркие эстетические достоинства.

Что же является ключевым фактором технологии производства таких бетонов? Об этом вы узнаете, прочитав статью Сергея Холина.

Ключевым фактором технологии производства таких бетонов являлось комплексное использование высокоактивной минеральной добавки — микрокремнезем.

Микрокремнезем (МК) образуется в процессе выплавки ферросилиция и его сплавов. После окисления и конденсации некоторая часть моноокиси кремния образует чрезвычайно мелкий продукт в виде шарообразных частиц с высоким содержанием аморфного кремнезема.

МК активно используется в производстве сухих строительных смесей, бетона, пенобетона, цемента, керамик, облицовочных плит, черепицы, огнеупорных масс, резины. Применяется в мостостроении, дорожном строительстве, при возведении жилых и производственных объектов, плотин и дамб, буровых платформ и скважин, коллекторных трасс.

Популярность МК объясняется его уникальной способностью позитивно влиять на свойства строительных материалов, улучшая их качественные характеристики: прочность, морозоустойчивость, проницаемость, химическую стойкость, сульфатостойкость, износостойкость и др., что позволяет им продолжительное время техногенным воздействиям. МК — высокореакционный пуццолан, вызывающий эффект упрочнения твердеющей системы. Он связывает известь из раствора интенсивнее чем другие минеральные добавки: цеолитовый туф, доменный и котельный шлак.

Использование микрокремнезема позволяет получать из рядовых материалов бетоны с высокими эксплуатационными характеристиками и уникальными конструкционными возможностями:

Стойкость к истиранию

Уменьшенный до 200—450 кг/м3 расход цемента

Высокая прочность (прочность на сжатие 60—80 МПа) и сверхвысокопрочные (прочность на сжатие выше 80 МПа) бетоны, в т. ч. мелкозернистые

Бетоны с высокой ранней прочностью при твердении в нормальных условиях (25—40 МПа в 1 сут)

Высокоподвижные (ОК=22—24 см) бетонные смеси повышенной связности — нерасслаиваемости

Повышенная антикоррозионная стойкость. Добавление МК снижает водопроницаемость на 50%, повышает сульфатостойкость на 100%

Низкая проницаемость для воды и газов W12-W16

Морозостойкость F200-F600 (до F1000 со специальными добавками)

Повышенная долговечность (стойкость к сульфатной и хлоридной агрессии, воздействию слабых кислот, морской воды, повышенной до 400 С температур и морозостойкости).

Использование микрокремнезема в сборном бетоне позволяет уменьшить сечения некоторых элементов, облегчая их транспортировку и монтаж. МК обеспечивает более длительную жизнеспособность жидких растворов, облегчает перекачивание смеси, придает коррозионную стойкость. При использовании МК достигаются наивысшие характеристики высокопрочного бетона, легкого бетона, торкретбетона и бетона с пониженной водопроницаемостью.

Химический состав МК %:

Значение показателя pH водной суспензии МК состовляет в среднем — 7,74.

Насыпной вес Угол естественного откоса

в неуплотненном состоянии: 0,17—0,20 т/м3.750-800

в уплотненном состоянии: 0,40—0,70 т/м3.250-300

Свойства: Тонкость МК можно проилюстрировать сравнением с другими порошкообразными материалами:

микрокремнезем — 140 000 — 300 000 см2/г,

золы уноса — 4 000 — 7 000 см2/г,

портландцемент — 3 000 — 4 000 см2/г.

Удельная поверхность по воздухопроницаемости состовляет 10 — 25 тыс. см2/г, сто в 3 — 10 раз превышает аналогичный показатель для цемента.

Экономия цемента, высокая пластичность.

Введение добавки МК в портландцемент от 10 до 30% от массы цемента увеличивает водопотребность вяжущего по нормальной густоте с 25 до 29%. При этом для равнопластичных бетонных смесей (ОК=Const) сокращается расход цемента до 30%, тогда как такое же количество МК в бетонной смеси того же состава, но при постоянном расходе цемента увеличивает пластичность по ОК в 4 раза (рис. 1). Поэтому по механизму действия и его разжижающего эффекта ультрадисперсный МК следует отнести к добавкам класса суперпластификаторов. Допустимая область применения бетонов с МК при его дозировках до 30% Ц в составе бетона — все бетонные и железобетонные конструкции сооружений жилищно-гражданского и промышленного строительства, включая системы питьевого водоснабжения. Применение МК в массовом строительстве также позволяет экономить до 40% цемента без ухудшения характеристик бетона и сокращать расход тепловой энергии при ТВО изделий.

Как и все пуццолановые материалы, микрокремнезем вступает в реакцию с гидроокисью кальция Ca(OH)2, освобождаемой при гидратации портландцемента для образования вяжущих соединений. Очень высокая чистота и мелкость МК способствует более эффективной и быстрой реакции. При надлежащем рассеивании тысячи реактивных сферических микрочастиц окружают каждое зерно цемента, уплотняя цементный раствор, заполняя пустоты прочными продуктами гидратации и улучшая сцепление с заполнителями. Степень пуццолановой активности зависит от содержания реактивного кремнезема, но на практике между двумя видами материала с высоким содержанием кремнезема существует довольно незначительное различие.

МК может обеспечить прочность на сжатие, намного превышающую прочность обычных бетонов, и здесь ограничивающим фактором является только прочность заполнителя. При использовании природных заполнителей достигается прочность свыше 150 N/mm2, а при использовании специальных высокопрочных заполнителей можно достичь прочности 300 N/mm2.

Опыт других стран, недавно получивший подтверждение в Великобритании, показал, что 1 кг МК может обеспечивать такую же прочность, как 3—5 кг обычного портландцемента, в смесях одинаковой удобообрабатываемости при умеренном содержании МК и цемента в обеих смесях. На эту вяжущую эффективность или К-фактор оказывает влияние содержание обоих материалов, но при содержании обычного портландцемента 200—300 кг/м3 и МК — менее 10%, значение К-фактора может составлять около 4.

При добавлении МК в количестве до 30% в сочетании с суперпластификатором можно получить смеси с отношением вода/вяжущее ниже 0,3. Такие бетоны могут достигать очень высокой ранней прочности и они нашли широкое применение там, где осуществляется выдерживание во влажном режиме.

По количеству теплоты, выделяемой при гидратации, МК находится между обычным портландцементом и портландцементом RHPC, хотя нарастание теплоты происходит медленнее. Для смесей эквивалентной прочности тепловыделение в целом будет меньше, поскольку общее содержание вяжущих материалов значительно снижено.

Раннее твердение, коррозионная стойкость

Гидравлическая активность МК по показателю пуццоланизации в структуре цементной матрицы более чем в 1,5 раза выше минеральной добавки трепела. Эффективность действия МК весьма показательна для обеспечения повышенной стойкости цементных бетонов в агрессивных средах. По количеству содержания химически связанной воды и степени гидратации портландцемента добавка МК резко ускоряет процесс гидратации на ранней стадии твердения до 7 суток. При В/Ц=Const цементный камень в возрасте 7 суток характеризуется степенью гидратации цемента без добавки по возрасту 28 суток. В этом же соответствии изменяется прочность бетона в два раза как при нормально-влажном твердении, так и при тепловлажностном с температурой 600С (рис. 2).

В Норвегии и Швеции исследования бетонных конструкций в возрасте до 12 лет показали, что высококачественные бетоны с содержанием МК обладают не меньшей устойчивостью к карбонизации, чем бетоны такой же прочности на обычном портландцементе, и гораздо лучше предотвращают проникновение хлоридов из морской воды.

Проведена масса лабораторных измерений коррозии арматуры. Можно с уверенностью сказать, что при условии надлежащего выдерживания, способность бетона с МК защищать стальную арматуру не будет существенно отличаться по сравнению с бетоном той же прочности на обычном портландцементе.

Эффект заполнения пор, создаваемый пуццолановыми сферическими микрочастицами, способствует значительному уменьшению капиллярной пористости и проницаемости бетона. Фактически непроницаемый бетон можно получить при умеренном содержании МК и сравнительно низком содержании обычного портландцемента. Поскольку МК оказывает большее влияние на проницаемость, чем на прочность, бетон с содержанием МК всегда будет гораздо менее проницаемым, чем бетон эквивалентной прочности на обычном портландцементе.

Весьма интересны данные по водонепроницаемости модифицированного цементного раствора как мезоструктуры бетона с добавкой МК до 20% Ц. Марка по водонепроницаемости такого бетона обеспечивается значением W=16.

МК обеспечивает трещиностойкость бетона по показателю Кmp=Rизг/Rcж. Эти данные представлены в табл. И на рис. 3.

Влияние добавки МК на трещиностойкость мелкозернистого бетона состава 1:2. Возраст 28 суток

Читайте также: