Полная версия

Главная arrow Строительство arrow Строительные материалы и изделия: технология активированных бетонов

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ ФАКТОРОВ НА СВОЙСТВА БЕТОНОВ

Научный и практический интерес представляет изучение влияния на поверхностное взаимодействие цементных минералов с водой, формирование и упрочнение структуры цементного камня (микробетона) таких технологических факторов, как состав, свойства и степень гидратации цемента, количество воды затворения, действие разнообразных минеральных и полимерных модификаторов и др. Для полноты и объективности результатов действие конкретного фактора следует рассматривать с двух позиций — количественной и качественной. Количественная сторона — изменение параметров, отражающих конкретные свойства объекта (вязкость, плотность, прочность); качественная — характер процесса, время достижения «этапных» моментов (всплесков структурной прочности, начала выделения тепла, экстремальных точек кинетических кривых ряда свойств). Время наступления характерных переломных точек кинетических кривых, сопровождающих отвердевание свойств, свидетельствующих о качественно новом этапе твердения, может служить оценочным параметром изменения (ускорения, замедления) процесса под действием того или иного фактора.

Состав и свойства портландцемента

Минералогический состав цементов различных заводов колеблется в достаточно узких пределах (табл. 5.1), в связи с чем данный фактор не оказывает заметного действия на характер структурообра- зования (рис. 5.1). Следовательно, 90 ± 10-минутная стадийность справедлива для цементов с минералогическим составом (округленно): C3S — от 50 % до 65 %, C2S — от 10 % до 20 %, С3А — до 10 %, C4AF — до 20 % и активными минеральными добавками (шлаком, трепелом) — до 55 %.

Данное обстоятельство соответствует сделанному еще в середине прошлого столетия заключению относительно равной скорости гидратации отдельных составляющих клинкера цементов многих заводов [67, 68]. Цементные «соединения гидратируются с равными парциальными скоростями, т. е. когда одно соединение гидратировалось наполовину, все другие соединения также гидратировались наполовину, что привело исследователей к формулировке гипотезы равных парциальных скоростей» [69].

Таблица 5.1

Характеристика применяемых цементов

Наименованиеце-

мента

Содержание минералов, %

Добавка

Свойства

C3S

c2s

С3А

c4af

вид

кол.,

%

т. п.,

%

н. г.,

%

Воскресенский п/ц

60

12

7

14

трепел

7

8,8

25,0

Новороссийский п/ц

61

17

7

14

8,0

27,0

К-Черкесский п/ц

62

17

5

13

9,2

28,0

Вольский п/ц

54

20

6

16

шлак

13

9,4

27,0

Подольский шпц

56

18

6

12

шлак

54

9,3

25,0

Кинетика структурной прочности теста нормальной густоты

Рис. 5.1. Кинетика структурной прочности теста нормальной густоты:

1 — новороссийский; 2 — воскресенский; 3 — карачаево-черкесский портландцементы

При использовании цементов с иными минералогическим и вещественным составами, модифицированных химическими добавками (пластифицирующими, гидрофобными, противоморозными и др.), отличными температурными условиями твердения и пр. продолжительность индукционных стадий уточняется экспериментально (например, термопластометрическим методом).

Высококачественные и структурно-стабильные цементный камень и бетоны могут быть получены при возможно более полных гидрата- ционных преобразованиях клинкерных частиц. При этом зачастую под понятиями «предельная степень гидратации цемента», «максимальное использование клинкерного фонда» и др. подразумевается предельное разложение цементных зерен, максимальное превращение безводных клинкерных минералов в гидратированные соединения. Однако известно, что не всегда степень гидратации определяет прочность цементного камня; хотя она является предпосылкой к набору прочности, не установлено прямой зависимости между степенью гидратации цементного камня и прочностью бетона.

Цементный камень — «микробетон», состоящий из склеенных аморфными гидратными продуктами поверхностно гидратированных клинкерных частиц (рис. 3.2—3.7). Функцию заполнителя, определяющего прочностные, деформативные и прочие свойства камня, выполняют клинкерные зерна; роль «клеящего вещества» — продукты гидратации, стадийно разрастающиеся на поверхности частиц вяжущего. Свойства клеевых гидратных прослоек (прочность, плотность, толщина) во многом предопределяют свойства затвердевшего цементного камня. Из практики склеивания различных материалов известно, что чем тоньше (до определенных пределов) клеевой слой и чем больше усилие сдавливания склеиваемых предметов, тем выше качество склеивания. Это условие в полной мере относится и к случаю твердения цементного камня. Так, С. В. Шестоперову и С. П. Степанову [70] удалось при В/Ц = 0,065 путем прессования получить цементный камень исключительно плотной структуры, прочность которого через несколько дней после затворения составляла 2750 кг/см2. Через 14 лет степень гидратации цемента в нем все еще не превышала 0,4. Автор также провел подобный опыт: изготовил из теста на новороссийском портландцементе с В/Ц = 0,20 образцы-цилиндры (высотой и диаметром 2 см), твердевшие первые пять суток под удельным давлением 350 МПа, с прочностью при сжатии в 28-суточном возрасте 178 МПа. Для сопоставления были изготовлены такие же образцы из теста с В/Ц = 0,60, твердевшие при обычных условиях; их прочность составляла всего 30 МПа. И хотя прочность образцов с низким В/Ц оказалась почти в шесть раз выше таковой образцов с высоким водосодержанием, степень гидратации цемента в них, определенная методом количественного рентгеновского анализа, была практически в два раза ниже (соответственно 35 и 68 %). Таким образом, прочность цементного камня не определяется степенью гидратации вяжущего, и вряд ли является парадоксом то обстоятельство, «что степень гидратации цементного теста, имеющего определенный возраст, увеличивается при увеличении исходного водоцементного отношения, в то время как прочность уменьшается» [71].

Одним из условий получения цементного камня (бетона) с высокими прочностными свойствами является повышение качества клеевых прослоек микробетона. Это может быть выполнено, например, за счет снижения до разумных пределов водосодержания смеси, что позволит в ранние сроки достичь стесненных условий и в большей степени реализовать эффект самоорганизации (стяжения) клинкерных частиц. При производстве тонкостенных, густоармированных конструкций (объемных элементов, панелей кассетного производства и др.) данное мероприятие технологически сложно осуществимо, с чем и связана необходимость применения высокоподвижных бетонных смесей. В этом случае целесообразно использование дополнительного силового воздействия (вибрирования, прессования и др.), осуществляемого в процессе начального твердения изделий в оптимальные сроки, которое позволит достичь позитивного результата.

Цементный камень — микробетон. Однако даже сейчас этот весьма точный термин интерпретируется не всегда корректно. Не полностью гидратированные цементные зерна зачастую трактуются как нежелательное явление. Но это далеко не так. Микробетон в части гранулометрического состава подчиняется практически тем же законам, что и обычный бетон. Повышение тонкости помола цемента приводит к ускорению электрохимического взаимодействия минералов с водой затворения, интенсификации структурообразования цементного камня ввиду увеличения поверхности контакта реагентов. В то же время влияние этого фактора на прочность камня имеет явно выраженный экстремальный характер — увеличение тонкости помола сверх оптимальной величины (составляющей около 3000 см2/г) приводит к закономерному снижению прочности затвердевшего материала, что видно из результатов эксперимента (рис. 5.2).

Влияние тонкости помола на подвижность цементного теста (В/Ц = 0,28) и прочность микробетона

Рис. 5.2. Влияние тонкости помола на подвижность цементного теста (В/Ц = 0,28) и прочность микробетона

Снижение прочности связывают обычно с повышением водопо- требности вяжущего, что, конечно же, справедливо, но недостаточно полно. Увеличение тонкости помола с 3950 до 6450 см2/г, к примеру, не привело к значительному загустеванию цементного теста при фиксированном В/Ц (см. рис. 5.2). Более значимым аспектом в данном случае является ухудшение фракционного состава микробетона. При использовании только мелкой фракции портландцемента (с высокой тонкостью помола, значительной удельной поверхностью) невозможно достичь предельных прочностных показателей (так же, как и бетоны с высокой прочностью вряд ли могут быть получены на основе только мелкого заполнителя — песка).

Отметим еще одно, достаточно интересное, обстоятельство. На рис. 5.3 представлены кинетические кривые пластической прочности цементного теста с В/Ц = 0,28 на основе карачаево-черкесского портландцемента (обычного), предварительно подвергнутого помолу в лабораторной шаровой мельнице в течение 60 мин (активированного), и гидратированного вяжущего, полученного из 28-суточного цементного камня путем дробления, сушки и последующего измельчения в шаровой мельнице в течение 24 часов.

Кинетика пластической прочности цементного теста на активированном, гидратированном и обычном портландцементах

Рис. 53. Кинетика пластической прочности цементного теста на активированном, гидратированном и обычном портландцементах

Предварительно активированный («омоложенный») цемент отличается более интенсивным ростом пластической прочности вследствие обнажения свежих поверхностей цементных зерен и потребления большего количества воды. Обычный и гидратированный цементы характеризуются сравнительно медленным набором прочности. В то же время кинетика твердения всех вяжущих идентична — через каждые 90 ± 10 мин с момента затворения имеют место явно выраженные переломы кривых, свидетельствующие о неизменности стадийности твердения. Следует заметить, что цементное тесто на активированном вяжущем оказалось значительно более подвижным по сравнению с другими составами (это пластифицирующее явление часто проявляется на свежих цементах). Механическое обнажение негидратированных областей цементных зерен способствует адсорбции дополнительных порций молекул воды, что повышает плотность заряда двойного слоя, поверхностный потенциал частиц, интенсифицирует их электростатическое взаимодействие и пластификацию цементной системы. Наличие же на поверхности клинкерных зерен гидратированных областей приводит к ослаблению поверхностных явлений, электростатических взаимодействий дисперсий с вытекающими отсюда последствиями.

Этот эксперимент дает важный практический результат: стадийность твердения неизменна у свежих и лежалых цементов. Предварительный помол (активация вяжущего) также не оказывает влияния на качественную сторону процесса структурообразования цементного камня. Данный, казалось бы, парадоксальный и невероятный результат объясняется достаточно просто, если учесть, что взаимодействие цементных минералов с водой протекает не в объеме жидкой среды, а в адсорбционных центрах клинкерных частиц (обведено на рис. 2.7, а). На качественную динамику процесса не оказывает заметного влияния количество активных точек: она примерно одинакова как для совершенно негидратированной подложки, так и для случая, когда активные центры (в том числе вскрытые механическим путем) чередуются с химически использованными зонами.

В последние годы на отечественный строительный рынок хлынул поток различных вяжущих веществ, в связи с чем встал вопрос об их оперативной диагностике. На рис. 5.4 приведен пример термопластометрического метода контроля некоторых цементов (температуру твердения изучали в теплоизолированной навеске, см. рис. 4.5, б). Анализируя данные, отметим:

  • 1) кривые тепловыделения всех исследованных составов имеют начальный и основной экзотермические эффекты. Для диагностических целей важна продолжительность первого индукционного периода — интервала времени с момента затворения цемента водой до начала основного тепловыделения, который составил 80—90 мин для новороссийского и турецкого цементов, около 170 мин — для ливанского и сложно фиксируемый — для итальянского вяжущего;
  • 2) окончанию индукционного периода соответствуют более или менее ярко выраженные всплески пластограмм цементного теста. Нередко резкому повышению структурной прочности предшествуют ее спады, что связано, как ранее отмечалось, с электростатическим эффектом пластификации системы;
  • 3) первые три цемента характеризуются отчетливой стадийностью процесса, составляющей полуторачасовый интервал для новороссийского и турецкого вяжущих, около 170 мин — для ливанского. Итальянский цемент отличается вяло-стабильным увеличением структурной прочности;
  • 4) при прочих равных условиях интенсивность твердения новороссийского и турецкого цементов практически вдвое превышает ливанское вяжущее. Можно предположить о резко отличном химико-минералогическом составе последнего или наличии химических добавок, тормозящих гидратационный процесс;
  • 5) ярко выраженная стадийность структурообразующего процесса свидетельствует о высоком качестве вяжущего (прочностные показатели первых трех цементов вполне соответствуют их классам). Итальянский же цемент характеризуется пониженной марочной прочностью (не превышающей 5—6 МПа), дающей основание предположить о наличии в его составе значительного количества минеральной добавки, нивелирующей структурообразующие процессы.

Следует подчеркнуть, что полученные данные относятся исключительно к представленным для анализа пробам цементов и не могут обобщаться и распространяться на иные партии вяжущих.

Кинетические кривые пластической прочности и тепловыделения дают объективную и исчерпывающую картину начального твердения цементных систем, достаточно полную характеристику вяжущего и прогноза его конечных свойств. Представленная диагностическая методика должна найти широкое распространение в научной деятельности и строительной практике.

Кинетика пластической прочности и тепловыделения цементных составов

Рис. 5.4. Кинетика пластической прочности и тепловыделения цементных составов:

а — новороссийский ПЦ500-Д0; б — турецкий цемент СЕМ 1 42,5 R; в — ливанский цемент EN 197—1-СЕМ 1 32,5 R; г — итальянское вяжущее (классификация отсутствует)

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>