Специфика строения цементного камня

Представленный материал позволяет уточнить особенность строения затвердевшего цементного камня. Этот продукт (см. рис. 3.2—3.7), действительно, чрезвычайно неоднороден, включает малоупорядоченные аморфные скопления, кристаллические формирования, неразло- жившиеся цементные зерна, минеральные включения, межзерновые пустоты, поры, капилляры, воду в различных формах связанности. В этой связи термин В. Н. Юнга «микробетон» [8] весьма удачен для характеристики цементного конгломерата (и не только с позиций его неоднородности).

В несущих бетонах обязательно применение плотного мелкого и крупного заполнителей, причем, желательно фракционированных. Только в этом случае можно достичь предельной их упаковки и необходимых эксплуатационных свойств железобетонных изделий и конструкций. Данный гранулометрический аспект в полной мере относится и к микробетону, что видно из структурной общности этих разноуровневых объектов (рис. 3.12).

Поверхностно гидратированные клинкерные зерна — отнюдь не негативный аспект, далеко не элемент, «переставший играть активную роль в твердении», а фактор, определяющий физико-технические свойства цементного камня и бетонов в целом. Являясь «крупным заполнителем» микробетона, поверхностно гидратированные частицы, соединенные в единое целое аморфным гидросиликатным продуктом, воспринимают силовые и прочие нагрузки, определяя тем самым несущую способность бетонных и железобетонных изделий и конструкций.

Общий вид строения мелкозернистого бетона (а, х200) и цементного камня водного

Рис 3.12. Общий вид строения мелкозернистого бетона (а, х200) и цементного камня водного

твердения (б, хЮОО)

Данное положение находит прямое подтверждение в многочисленных экспериментальных работах по оптимизации гранулометрического состава цемента [51—53]. Для обычного (тяжелого) бетона важна плотная упаковка крупного и мелкого заполнителей, что достигается специальным фракционным соотношением. Не менее важен этот аспект и для микробетона, который будет обладать наибольшей плотностью и прочностью «в случае полидисперсного состава цементного порошка» [54]. При этом особенностью, коренным образом отличающей его от других природных и искусственных каменных материалов (керамики, силикатного бетона и др.), является наличие локально рассредоточенных на химически использованной поверхности клинкерных частиц остаточных негидратированных зон.

Несколько замечаний относительно «крупного заполнителя» микробетона. Считается, что цементное зерно — конгломерат различных компонентов (силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция различной основности, промежуточного вещества, щелочей, извести, гипса, кремнеземистых остатков, различных минеральных включений). Однако микроскопия показывает несколько иную картину. Вскрытые негидратированные массивы цементных зерен (рис. 3.13) отличаются достаточно высокой структурной и морфологической однородностью. При указанном на снимках увеличении отчетливо просматриваются участки с исключительно гладкой поверхностью, чередующиеся с рельефными, пластинчатыми и ступенчато-блочными построениями, зависящими, по всей вероятности, от параметров (силы, направления) механического воздействия, производимого при получении скола образцов. Подобный структурный сюжет сохраняется при более детальном электронно-микроскопическом анализе строения цементных зерен различного возраста, разнообразных условий твердения и эксплуатации (рис. 3.1 А—3.16).

Общий вид цементных зерен водного твердения

Рис. 3.13. Общий вид цементных зерен водного твердения

Разумеется, полуфабрикат (цементный клинкер) «представляет собой тонкозернистую смесь многих твердых фаз» [55], характеризующихся различной плотностью, твердостью, прочностью. При помоле происходит своего рода сепарация продукта, сопровождающаяся отделением в высокодисперсном виде сравнительно малопрочных составляющих (несвязанной извести, гипса, клинкерного стекла и прочих соединений). Реально же существующие цементные зерна с обычным дисперсным составом включают в своем составе наиболее прочные структурные элементы — силикаты кальция. Это предположение подтверждается тем обстоятельством, что «кристаллы C3S и C2S имеют размеры до 40 /х, а средняя величина их — 15—20 /х» [55], что соответствует среднему размеру цементных зерен.

Цементные зерна 28-суточного возраста

Рис. 3.14. Цементные зерна 28-суточного возраста

Цементные зерна водного твердения

Рис. 3.15. Цементные зерна водного твердения

При получении скола разрушение цементного камня может происходить по цементному зерну, его межкристаллитным плоскостям, границе раздела твердых фаз «массив зерна — гидратная оболочка» (см. рис. 3.7), вскрывая гладкую поверхность объекта (см. рис. 3.14—3.16, слева).

При определенном направлении удара возможно пластинчатое расщепление блочных кристаллов силикатов кальция (те же, справа). Чаще же разрушение происходит по структурным дефектам (порам, капиллярам, микротрещинам) и контактной зоне микробетона с малоинформационным результатом (рис. 3.17), что в определенной степени усложняет его расшифровку и описание, тем не менее, обратим внимание на обведенные структурные элементы.

Цементные зерна после деформации ползучести [а) и 105-летнего возраста

Рис 3.16. Цементные зерна после деформации ползучести [а) и 105-летнего возраста

Общий вид цементного зерна водного твердения

Рис. 3.17. Общий вид цементного зерна водного твердения

На левом снимке (рис. 3.17, а) представлен ступенчатый участок цементного зерна, идентичный отмеченным на рис. 3.15 фрагментам. Поверхности «ступеней» покрыты войлокообразным (по Дж. Берналу,

А. Грудемо, Дж. Джеффри) слоем гидрата, состоящим, по мнению авторов, из изогнутых, свернутых, переплетенных и механически соединенных тоберморитовых ленточек и пластин. Подобная точка зрения, как ранее отмечалось, поддерживается и в настоящее время [10], трубчатые кристаллические образования считаются влагопроводящими каналами для выноса растворенных продуктов из внутренней сферы гидратирующегося цементного зерна во внешнюю среду. Однако эти трубчатые структуры вряд ли имеют какое-либо отношение к кристаллизационным и массообменным явлениям. Стадийно-поверхностный гидратационный процесс, сопровождающийся образованием гидросиликата с увеличением объема твердой фазы в условиях развития в межзерновых пустотах вакуума и стяжения цементных частиц, приводит к продавливанию гидратного продукта сквозь граничные зазоры прочно связанных друг с другом и с твердой фазой дипольных энергетических сгустков. Своеобразная экструзия гидрата через рассредоточенные на поверхности зерна сферические дипольные «фильеры» и является причиной появления трубчатых элементов (см. рис. 3.11, увеличено на рис. 3.13 и 3.17). Предназначение последних — участие не в сквозь- растворных преобразованиях, а в формировании контактных зон самоорганизующихся цементных зерен, структуры и свойств микробетона и бетона (железобетона) в целом.

Выделенный фрагмент зерна (см. рис. 3.17, а) несет еще одну важную и неоднократно отмечаемую информацию — толщину гидратированного продукта (h), не превышающую полутора микрон, что указывает на исключительно поверхностный характер гидратации цемента. Таким образом, «заполнитель» микробетона в процессе гидратации не претерпевает заметных габаритных метаморфоз, а сохраняется в практически первозданном виде на всем протяжении своего существования.

В процессе гидратации жидкая фаза насыщается, преимущественно, известью, в связи с чем кристаллогидраты и представлены в основном блочными и слоистыми кристаллами портландита (рис. 3.18). Стадийное разрушение структуры исходных цементных минералов не исключает переход в поровую жидкость части комплексных ионов ([Si04]4-, [А104]5- и др.), которые (наряду с «букетом» имеющихся в цементе и воде включений) формируют кристаллические образования различных форм и размеров (рис. 3.19).

Строение отдельных зон трехмесячного цементного камня (Stereoscan S4—10)

Рис 3.18. Строение отдельных зон трехмесячного цементного камня (Stereoscan S4—10)

Многообразие кристаллов легко фиксируется в составах с повышенным исходным водосодержанием, в то время как в образцах из жестких (с низким значением В/Ц) смесей кристаллические компоненты не просматриваются не только после многолетнего водного выдерживания, но и спустя многие десятилетия твердения [12, 56]. Следовательно, кристаллизация гидратированных продуктов — явление не обязательное, сопутствующее процессу формирования микробетона, имеющее место при определенных температурно-влажностных условиях твердения. Таким образом, роль кристаллических продуктов в синтезе свойств цементного камня и бетонов вряд ли следует переоценивать. Заполняя поры, капилляры, пустоты и другие дефектные места (рис. 3.19), кристаллогидраты играют, по всей логике, положительную роль в повышении плотности, снижении проницаемости затвердевшего микробетона, но не более того.

Общий вид закристаллизованных участков цементного камня (В/Ц = 0,40) водного твердения (JE0L)

Рис. 3.19. Общий вид закристаллизованных участков цементного камня (В/Ц = 0,40) водного твердения (JE0L)

Представленные на рис. 1.3 и 1.4 схемы гидратации цемента и конечной морфологии затвердевших цементных зерен не в должной мере отражают сущность явлений. Определяющим процессом гидратации цемента, структурообразования и формирования конечных свойств цементного конгломерата является не сквозьрастворный путь, пересыщающие действия, появление и совершенствование кристаллогидратного сростка, а электроповерхностный механизм стадийных преобразований, формирование и упрочнение «микробетона» в истинном смысле этого термина.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >