Строй-справка.ру
Отопление, водоснабжение, канализация
Навигация:
Главная → Все категории → Бетонная смесь
До сих пор мы рассматривали основы гидратации и некоторые специальные свойства продуктов гидратации отдельных клинкерных минералов. Теперь предстоит обсудить вопрос об изменении свойств цементного камня, образующегося в результате накопления продуктов гидратации клинкерных минералов. Рассмотрим важнейшие: прочность, водонепроницаемость, морозостойкость, устойчивость, против действия химически вредных веществ, усадку и ползучесть, тепловыделение.
Прочность цементного камня. Элементарное представление о возникновении прочности цементного камня можно составить по нашим воспоминаниям об игре с песком в детстве: чем мельче песок, смешанный с определенным количеством воды, тем прочнее изготовленные из смеси образцы (рис. 24).
Степень влияния тонких слоев на прочность сцепления может быть определена по трудности отделения друг от друга двух сложенных влажных стеклянных пластин. И в цементном геле пленки воды на поверхности гелевых частичек играют аналогичную роль, причем благодаря огромной удельной поверхности гелевых частиц (200—300 м2/г, а песок имеет поверхность 20—30 см/г) цементный камень достигает прочности 100 МПа и выше. Помимо действия водных пленок другие поверхностные силы также участвуют в создании прочности. Не последнюю роль играет и сцепление гелевых частиц друг с другом.
Существует однозначная связь между концентрацией гелевидных составляющих и прочностью цементного камня. Эта связь настолько сильна, что даже при различных значениях ВЩ в цементном клее она не нарушается (рис. 25). Необходимо, однако, учитывать, что цементный клей с большими значениями В/Ц, т. е. с более высоким содержанием воды, исчерпывает свою гидратацион-ную способность при меньшей концентрации гелевых составляющих, чем цементный клей с малым В/Ц. Обратите внимание на то, что на горизонтальной оси отложена концентрация гелевых составляющих, а не время, как на рис. 26, в основе которого лежат значения, взятые из Рис. 25. Здесь одинаковая концентрация гелевых составляющих и, следовательно, одинаковая прочность, которая из-за различных значений В/Ц наблюдается в различное время (представлена пунктиром).
Возникает вопрос, каким образом все же достигается такая высокая прочность (рис. 25, 26, 46) при В/Ц 0,4 в случае полной гидратации (цемент использован полностью) прочность, которая может быть достигнута, будет тем ниже, чем выше значение В/Ц – Путем повышения температуры твердение цементного камня может быть сильно ускорено, низкие температуры замедляют твердение.
Водонепроницаемость, морозостойкость и морозосолестойкость (сопротивляемость действию противогололедных реагентов). Эти свойства цементного камня определяются плотностью бетона, от которого зависит его водонепроницаемость и малая степень насыщения водой. И здесь концентрация гелевых новообразований дает ключ к пониманию стойкости бетона, но еще больше открывает возможность к пониманию зависимостей для пор, представленных соответственно на рис. 21. Размеры гелевых пор очень незначительны. Поэтому находящаяся в них вода оказывается под большим влиянием поля сил, действующих на поверхности стенок этих пор. Отсюда следует, что вряд ли вода может через них протекать. При обычных температурах замораживания вода в порах также не может замерзать, так как точка ее замерзания зависит от давления пор. Поэтому играют роль только капиллярные поры, которые, правда, достаточно велики, чтобы принимать и пропускать воду. Из рис. 21 следует, что капиллярные поры при завершенной гидратации образуются только при Я/Д>0,4. Таким образом, чисто теоретически можно заключить, что всякий цементный камень водонепроницаем и морозостоек, если он образовался из цементного клея со значением В/Ц^: s^0,4. Проведенные опыты, однако, показали, что эти свойства наблюдаются и при более высоком В/Ц; таким образом, ограниченное количество капиллярных пор еще безвредно.
Водонепроницаемость бетонного изделия в зависимости от его толщины наблюдается уже при В/Ц — = 0,60—0,70. При использовании уплотняющих веществ в отдельных случаях возможны и более высокие значения водоцементного отношения.
Более строгие требования к В/Ц предъявляют морозостойкость и морозосолестойкость — сопротивляемость противоморозным химическим реагентам (обычно неорганическим солям). Рис. 29 показывает, как противогололедные реагенты способствуют разрушению бетона при замораживании. При воздействии мороза,
Сопротивляемость химически вредным веществам. Вещества, оказывающие любое действие на бетон, попадают в поровую систему цементного камня главным образом в растворенном виде с водой — с агрессивными грунтовыми и поверхностными водами или с выпадающими осадками. Структура цементного камня может разрушаться вследствие увеличения объема продуктов взаимодействия, выщелачивания твердых составляющих или возникновения гелеобразных не связанных друг с другом продуктов.
Слева показан бетон, подвергавшийся около 10 лет кроме мороза действию реагентов. Справа на рисунке показан бетон достаточно морозостойкий, не подвергавшийся действию таких реагентов без одновременного использования противогололедных реагентов, цементный камень без искусственных воздушных пор при В/Ц=0,50 достаточно устойчив. Если использованы воздухововлекающне добавки, допустимо значение В/Ц=0,6.
Более низкие значения В/Ц необходимы, если на замерзшие бетонные поверхности нанесены противогололедные реагенты (например хлористый магний). Они хотя и вызывают таяние льда на поверхности бетона, но при этом отнимают необходимое для этого тепло от бетона, который в нижележащих слоях, куда соль не поступает, замерзает еще сильнее («морозный шок»). По этой причине (см. рис. 29) в строительстве бетонных дорог приходится назначать В/Ц = 0,42 (без воздухововлекающих добавок) или 5/Я=0,45 (с воздухо-вовлекающими добавками).
Суммируя сказанное, следует отметить, что
Наиболее частая причина разрушений— действие сульфатов. Взаи-х модействие последних с С3А цемента уже рассматривалось в разд. 3.1. Помимо этого, вредное действие оказывает большое количество кислот и солей, особенно агрессивная углекислота (СОг), ионы магния и алюминия.
Этот вопрос в настоящей работе мы не можем рассмотреть очень подробно. Как уже указывалось в предыдущем разделе, в данном случае одним из основных условий возникновения коррозии является то, что агрессивная жидкая среда проникает в цементный камень до того, как она начнет свое разрушающее действие.
С увеличением плотности цементного камня уменьшается проникание агрессивнои среды.
Вторым условием может быть меньшее содержание в цементном камне веществ, с которыми реагирует агрессивная жидкая среда. Поэтому, например, при сульфатной коррозии выбирают цемент, содержащий по возможности минимальное количество С3А.
Значение В/Ц, при котором обеспечивается стойкость цементного камня к агрессии, зависит от концентрации агрессивных веществ (степень агрессивности воды) и колеблется максимально между 0,45 и 0,65 (см. с. 76).
Водонепроницаемость и морозостойкость бетона снижаются с повышена: ем ВЩ, поэтому необходимо учитывать верхние пределы В/Ц.
Цементный камень сопротивляется химически агрессивной о/сидкой среде тогда, когда он обладает достаточной плотностью вследствие низкого значения В/Ц и содержит минимальное количество того соединения, с которым реагирует агрессивное вещество.
Усадка и ползучесть. Под усадкой понимают изменение объема, вызванное высыханием, а под ползучестью — изменение формы цементного камня, вызванное внешними силами.
И эти свойства цементного камня объясняются его строением.
Усадка. Рис. 30 возвращает вас на урок физики в среднюю школу. В сосуде с водой стоят открытые снизу трубочки различного диаметра. Вода в них поднимается на разную высоту. Для рассматриваемого случая важно подчеркнуть, что здесь действует сила, поддерживающая воду в таком положении. Ее называют капиллярной силой. Она тем больше, чем тоньше капилляры. Этот пример, хотя и в сильно искаженном виде, можно отнести к цементному камню. В результате сухого хранения цементного камня вода уходит из пор, и сила, которая задерживала воду, теперь действует в обратном направлении, — она создает в цементном камне ., напряжение, вызывающее уменьшение объема.
Для практических целей в строительстве мы измеряем усадку по степени изменения длины (укорочение призмы).
Наблюдаемое внутреннее напряжение тем больше, чем меньше поры, из которых ушла вода. Но поскольку при малых порах, т. е. большой концентрации гелевидных составляющих, наблюдается высокая прочность цементного камня, то сопротивление изменению формы будет также велико. Следовательно, не обязательно будет наблюдаться большая усадка. Таким образом, мы видим, что взаимоотношения весьма сложны. На рис. 31 сделана попытка представить эту связь наглядно. Гелевые частицы, изображенные в виде шаров, в насыщенном водой состоянии окружены прочно удерживающейся водной оболочкой. Первоначально удаляется вода, находящаяся в пустотах, и только позже — вода оболочек.
Высыхание сравнительно большого количества воды пустот в цементном’ камне с различным В/Ц первоначально не вызывает существенного различия в усадке. Окруженные водной оболочкой гелевые составляющие несколько сближаются, но, в сущности, остаются в том же положении. Поэтому после 28. сут твердения размер усадки при различных значениях В/Ц, несмотря на сильно различающуюся потерю воды, все же почти одинаков.
Рис. 31. Схематическое изображение усадки
Только после высыхания водных пленок наступает при высоких В/Ц более сильная усадка, так как менее плотно расположенные гелевые частички могут сильно уплотняться, что при низком В/Ц из-за исходной высокой плотности уже невозможно. Поэтому при более длительном хранении цементного камня с более высоким В/Ц обнаруживается значи тельная усадка.
Это схематическое объяснение подтверждается результатами измерения усадки у цементного камня с различным В/Ц на рис. 32. На усадку, кроме того, влияют:
-минеральный состав цемента (высокое содержание C3S приводит к малой усадке, а высокое содержание С3А к более сильной): – тонина помола цемента (тонкомолотый цемент даст более сильную усадку, чем грубомолотый); – карбонатизация, (превращение Са(ОН)г цементного камня в результате соединения с СС>2 воздуха в СаСОз); – внешние климатические воздействия (чем суше и теплее климат, тем больше усадка).
Важно знать, что усадка может снизиться при попадании влаги в цементный камень. Первоначальный объем цементного камня, однако, при этом набухании не достигается. Размеры усадки выражают как относительное изменение длины в мм/м или в . Максимальное значение ее для цементного камня равно примерно 4 мм/м или 0,4 .
Рис. 32. Усадка цементного камня в зависимости от потери воды и возраста при В/Ц, равном 0,26; 0,45; 0,55; 0,65
Ползучесть. Намного легче объясняется ползучесть цементного камня, так как здесь существует однозначная связь. Соответственно цементный камень деформируется тем меньше, чем выше концентрация гелевых новообразований, т. е. чем он прочнее. Естественно, мера ползучести зависит и от прилагаемого извне усилия. При этом играют роль те же факторы, с которыми мы встречались при рассмотрении прочности цементного камня.
Усадка и ползучесть зависят от множества факторов, например от вида цемента, значения ВЩ, климата и действующих сил, влияние которых может быть противоположным. Поскольку здесь мы касаемся специальных проблем, то неясные практические вопросы следует разрешать экспериментально в лабораторных условиях.
Тепловыделение твердеющего цементного камня. Известно, что в результате гидратации выделяется тепло, количество которого зависит от характеристики минералов клинкера. Вследствие этого неизбежного явления твердеющий цемент и изготовленный из него бетон нагреваются. Повышение температуры тем значительнее, чем крупнее бетонное изделие. В этом может убедиться каждый строитель при распалубке массивных фундаментных блоков. Тепловыделение может быть желательным, когда бетонирование ведется при низких температурах (зимнее строительство). Большей же частью оно нежелательно, так как вызывает в твердеющем бетоне температурные напряжения, ведущие к разрывам. В зависимости от области применения можно в определенных границах регулировать тепловыделение направленным подбором минерального состава клинкера. Для предупреждения разрывов на стройке обычно принимают специальные конструктивные и технологические решения, на которых в данной книге мы не имеем возможности останавливаться.
Навигация:
Главная → Все категории → Бетонная смесь
Источник
Свойства цементного камня
Цементным камнем называется пористое твердое тело, образующееся при затвердевании ТР.
Разнообразные тампонажные материалы образуют цементные камни с различными свойствами, однако общим для них является изменчивость свойств во времени. При затвердевании всех тампонажных материалов образующийся цементный камень с той или иной скоростью проходит стадии структурообразования и затем деструкции, в ходе которых все свойства цементного камня непрерывно изменяются.
Свойства цементного камня являются функцией пористости, прочности элементов твердой фазы и контактов между ними, дисперсности и морфологии частиц твердой фазы.
Пористость зависит от исходного водоцементного отношения, состава новообразований, их удельного объема и степени гидратации.
Прочность элементов твердой фазы, прочность контактов между ними, дисперсность и морфология их частиц зависят от их состава и условий образования в твердеющем цементном камне.
Зная степень гидратации, удельные объемы соответственно продуктов гидратации, исходного цемента, инертного наполнителя и жидкости затворения, отношение химически связанной воды к массе цемента, а также отношение массы инертного наполнителя и массы жидкости затворения к массе цемента можно рассчитать пористость или коэффициент пористости.
К эффективной пористости, доступной для фильтрации жидкостей и газов, относятся поры размером более 20 нм.
Прочность цементного камня.Эта характеристика ЦК нестабильна во времени, особенно в условиях повышенных температур. В зависимости от минералогического состава, тонкости помола, исходного водосодержания суспензии кинетика роста прочности ЦК до максимальной величины, максимальная его прочность, момент начала снижения прочности, кинетика снижения прочности изменяются в довольно широких пределах.
Затвердевший цементный камень из базового ТЦ состоит из непрореагировавших остатков частиц ПЦ клинкера, продуктов гидратации, частиц инертных или не вступивших в реакцию остатков частиц активных добавок, воды и пузырьков вовлеченного воздуха. Всегда в том или ином количестве содержится карбонат кальция, как продукт карбонизации — реакции взаимодействия продуктов гидратации с газообразным или растворенным оксидом углерода (углекислым газом). Могут содержаться также продукты взаимодействия продуктов гидратации с другими химически активными веществами окружающей среды, обычно называемые продуктами коррозии.
Прочность ЦК на стадии ее роста может быть рассчитана по формуле, учитывающей коэффициент, отражающий прочность монокристаллов или их сростков, эмпирические коэффициенты, связанные с составом, дисперсностью и морфологией частиц новообразований, степень гидратации, удельные объемы соответственно исходного цемента, жидкости затворения и инертного наполнителя, а также отношение массы жидкости затвердевания и массы инертного наполнителя к массе цемента. При кавернозной поверхности наполнителя (типа керамзита), длинноволокнистом армирующем наполнителе, рассчитать прочность по такой формуле невозможно, поскольку в таком случае необходимо введение дополнительных коэффициентов.
Если известен количественный вещественный состав ТЦ, то расчет ожидаемой прочности может быть произведен более точно в соответствии с эмпирическими коэффициентами для главной структурообразующей фазы. Другие новообразования следует относить к наполнителю.
Водопроницаемость цементного камня может быть ориентировочно вычислена по формуле:
где k — коэффициент водопроницаемости, м 2 ; εэф — коэффициент эффективной пористости, доли единицы; Rэф — средняя полуширина (средний радиус) эффективных пор, м.
Усадка и набухание в процессе твердения. Цементный камень при твердении в воде несколько увеличивается в объеме, при твердении на воздухе или в другой среде пониженной относительной влажности дает усадку.
Как капиллярно-пористое тело ЦК чувствителен к изменению влажности ОС. При неограниченном поступлении воды извне в поровое пространство ЦК в процессе твердения наблюдается некоторое увеличение внешнего объема ЦК, называемое набуханием. Удаление воды из пор ЦК при водит к уменьшению его объема, называемому усадкой. Она связана с капиллярными явлениями, а также сжатием слоистых минералов при удалении межслоевой воды. Усадка, как и набухание, зависит от минералогического состава клинкера и содержания добавок. Склонность к этим деформациям возрастает при увеличении содержания алюмоферритных минералов и тонкодисперсных наполнителей, таких, как глина, диатомит, опока, трепел. В отличие от контракции изменения внешнего объема ЦК больше связаны с явлениями физического, чем химического, характера.
С повышением температуры твердения способность ЦК к усадке и набуханию уменьшается. Некоторые цементы при повышенных температурах твердеют с усадкой даже в воде. Усадочные деформации ЦК тампонажных цементов нежелательны ввиду особой важности его изоляционных функций.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник
