СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЦЕМЕНТЫ

Свойства цементов

Нормальная густота. В отличие от других строи­тельных материалов цемент испытывают в гидратиро - Ванном состоянии в виде теста либо песчаного раствора [29]. Поэтому на результаты испытаний влияют не только физико-химическая характеристика вяжущего, но также содержание и особенности всех применяемых при испытании материалов: воды, песка, специальных добавок. Кроме того, большое значение имеют способы приготовления цементного теста либо раствора и усло­вия, в которых протекают процессы твердения. Большое внимание необходимо уделять подбору количества воды Для затворения цемента.

При испытании по ГОСТ определяют нормальную густоту цемента, измеряя глубину погружения стан­дартного пестика. Нормальная густота цементного теста характеризует количество воды затворения в % массы цемента и составляет для портландцемента примерно 22—28%- Она зависит от химико-минералогического Состава клинкера, удельной поверхности цемента, содер­Жания в нем допускаемой ГОСТ добавки трепела либо доменного шлака до 20% и некоторых других факторов. Сроки схватывания и равномерность изменения объема определяют в цементном тесте нормальной густоты.

Скорость схватывания. Портландцемент, затворен­
ный количеством воды, установленным при определении его нормальной густоты, образует подвижное пластич­ное тесто, которое в зависимости от химико-минералоги­ческой характеристики клинкера, удельной поверхности и вещественного состава цемента постепенно в течение нескольких часов теряет подвижность, превращаясь в плотное тело.

Выше было отмечено, что после затворения в начале гидратации цемента образуется рыхлая коагуляционная структура, обладающая тиксотропностью. Во время пе­ремешивания теста контакты, возникшие между гидрат - ными новообразованиями коллоидных фракций цемен­та, нарушаются, и тесто сохраняет подвижность несмот­ря на постепенное нарастание связности. Чем дольше длится гидратация, тем больше становится гидратных новообразований и выше плотность структуры.

Время, в течение которого образуется непрерывно уплотняющаяся и коагуляционная структура, является периодом схватывания, т. е. формирования структуры. Таким образом, схватывание цемента следует рассмат­ривать как первоначальную стадию общего процесса твердения. По ГОСТ начало схватывания должно на­ступать не ранее 45 мни н заканчиваться не позднее 12 ч с момента затворения. Нормальные сроки схваты­вания портландцемента достигаются при совместном помоле клинкера с добавкой подобранного количества гипса, при котором содержание S03 в цементе должно быть не меньше 1,5%и не выше 3,5%. При большей до­бавке гипса возможно ускорение схватывания.

Замедление схватывания цемента наступает вследст­вие того, что на поверхности цементных зерен отклады­ваются тончайшие пленки геля гидросульфоалюмината кальция, быстро образующегося в результате взаимо­действия сульфата кальция с трехкальцневым алюми­натом, Эти гелевые пленки сдерживают диффузию воды к цементному зерну, что снижает скорость гидратации Вследствие исключительно высокой дисперсности обра­зующегося геля гидросульфоалюмината кальция его трудно обнаружить под микроскопом. Замедлителями могут быть также полуводный гипс и безводный суль­фат кальция (ангидрит); эффективность их действия связана с разной степенью растворимости. При исполь­зовании природного ангидрита образование в уже пол­ностью затвердевшем цементе гидросульфоалюмината

3(0,25) Зак. 531
кальция вследствие запоздалой (медленной) раство­римости ангидрита может привести к возникновению весьма опасных напряжений в цементном камне, так как увеличивается объем кристаллизующегося гндро - сульфоалюмината кальция. При избыточном содержа­нии гипса также возможно появление опасных напря­жений в хорошо затвердевшем цементе вследствие про­должающейся реакции образования гидросульфоалю - мината кальция.

Большое значение при выборе добавки гипса имеет удельная поверхность и зерновой состав цемента, при­чем в цементы с повышенным содержанием щелочей следует вводить относительно больше добавки. У сред­не - и высокоалюминатных цементов несколько большая добавка гипса вызывает повышение прочности в первые дни твердения и уменьшение усадки и расширения. Характерно, что добавка гипса может даже ускорить схватывание низкоалюминатных, богатых алюмоферри­та ми кальция цементов, причем в этом случае не на­блюдается тенденция к повышению первоначальной прочности и к уменьшению объемных изменений. Опти­мальная добавка гипса для каждого цемента может быть установлена только на основе данных эксперимен­тальных помолов цементов в заводских помольных аг­регатах с характерной для них системой аспирации, температурами измалываемого цемента, его грануло­метрическим составом и др.

Ложное схватывание. Иногда происходит так назы­ваемое ложное схватывание цемента, характеризующее­ся тем, что цементное тесто схватывается преждевре­менно с большим выделением тепла. Однако при даль­нейшем перемешивании тесто разжижается и схватыва­ется уже нормально. Такое явление объясняют тем, что при помоле горячего клинкера, особенно в мельницах открытого цикла, температура цемента повышается иногда до 150°С и выше. Это вызывает дегидратацию гипса с образованием не только полугидрата, но и пол­ностью обезвоженного сульфата кальция — ангидрита в растворимой форме. Быстрая гидратация ангидрита и полуводного гипса сопровождается преждевременным загустеванием цементного теста, которое при дальней­шем перемешивании разжижается.

Ложное схватывание цемента может вызвать быст­рую потерю пластичности бетонной смеси во время
перемешивания либо перевозки к месту потребления. Его можно предупредить глубоким охлаждением клин­кера, помолом его, преимущественно в сепараторных мельницах, либо охлаждением корпуса мельниц откры­того цикла, сильной аспирацией, а также подачей рас­пыленной водно-воздушной смеси в последнюю камеру мельницы.

Испытание цемента на ложное схватывание заклю­чается в видоизменении стандартного определения нор­мальной густоты цементного теста с повторением испы­тания через короткие интервалы — 3—5 мин с промежу­точным перемешиванием. На скорость ложного схваты­вания бетонной смеси влияют температура, условия и время перемешивания, вид заполнителя и др. Возможна локализация явлений ложного схватывания цемента путем введения небольшой добавки СДБ, гипса либо минерального масла. Однако не у всех цементов даже при высокой температуре их измельчения наступает ложное схватывание. Полагают, что оно может быть вызвано наличием большого количества свободной из­вести либо недожога в измалываемой шихте клинкера. При затвореиии цемента с высокой удельной поверх­ностью часто образуются уплотненные комочки, которые при дальнейшем перемешивании распадаются. Замече­но, что быстрое их схватывание вызывается переходом щелочей в карбонаты в результате взаимодействия с углекислотой при длительном хранении цемента на воз - Духе. В некоторых случаях оно носит характер ложного схватывания.

Имеются данные о других (кроме гипса) видах за­медлителей схватывания, их действие в большинстве случаев зависит от дозировки. Можно считать, что кар­бонаты, хлориды и нитраты являются ускорителями схватывания; сульфаты и фосфаты — замедлителями, за исключением сульфата глинозема, который действует как ускоритель. О влиянии добавок цветных металлов сведения разные. Их считали замедлителями схватыва­ния, однако последние работы показали положительное влияние добавок небольших количеств цинка на твер­дение портландцемента. Б. Э. Юдович и Н. Т. Власова отмечают, что высокомарочные алитовыс цементы, не содержащие добавок, кроме гипса, могут характеризо­ваться аэрациоиным ложным схватыванием. Оно вызвано образованием эттрингита в тонких слоях конденсата на

Дислокационной сетке поверхности частиц цемента [96].

Водоудерживающая способность. При затворении цемента водой как в лабораторных, так и промышлен­ных условиях можно видеть, как некоторые цементы полностью удерживают воду в период схватывания, другие же отделяют небольшой слой разной толщины. Поскольку водоцементное отношение при приготовле­нии бетонной смеси обычно всегда превышает значение, установленное при определении нормальной густоты цементного теста, то водоотделение становится особо заметным. От него во многом зависит однородность бе­тона и прочность сцепления в нем цементного раствора с крупным заполнителем и стальной арматурой.

При послойной укладке бетона отделяющаяся из него вода скапливается на поверхности укладываемых слоев. В результате образуется контактная прослойка бетона с большим содержанием воды, что вызывает расслаи­вание бетона, нарушающее его монолитность, а это осо­бенно нежелательно при укладке массивного бетона. Расслоение может идти и внутри бетона; образующая­ся в результате водоотделения пленка воды может за­метно понизить сцепление цементного раствора с круп­ным заполнителем и арматурой.

Испарение этой воды вызывает образование допол­нительного количества пор, содействующих диффузии агрессивной воды в глубину бетона. Повышение водо - удерживающей способности достигается введением в ис­ходный цемент активной минеральной добавки (в виде трепела, опоки), а также применением некоторых по­верхностно-активных веществ. Дозировка и вид добавки Должны быть предварительно определены эксперимен­тальным путем. Водоотделение может оказаться полез - Цым, например, при вакуумировании или применении водопоглощающей опалубки, при однослойном бетониро­вании небольших по сечению конструкций, при изготов­лении железобетонных труб способом центрифугирова­ния и в других случаях, когда необходимо снижение В/Ц и повышение плотности и прочности бетона. Опре­делять водоудерживающую способность (водоотделе­ние) цемента можно по предложенной Гипроцементом методике. 1

Равномерность изменения объема — важное свой­ство цемента, которое определяется в соответствии с требованиями стандарта. Выше уже говори­
лось об изменении (контракции) абсолютного объема системы «цемент+вода» и содержащейся в ней твердой фазы. Следовательно, постоянства объема при гидрата­ции цемента, как предполагали раньше, нет. Цементный камень при определенной влажности дает усадку либо несколько расширяется. Однако изменения объема кам­ня весьма малы и заметно на равномерность изменения объема при стандартном испытании не влияют.

Расширение цементного камня, вызывающее искрив­ление исследуемых образцов либо появление на них во­лосных трещин,-— результат запоздалой, но весьма силь­ной по своему действию гидратации химически не связан­ного свободного оксида кальция в клинкере. Такое рас­ширение называют кажущимся, поскольку объем гаше­ной извести меньше суммы объемов исходных оксида кальция и воды, вступивших в реакцию.

Считают, что частицы образовавшейся гашеной из­вести растут преимущественно в одном направлении; при этом создаются напряжения, вызывающие расширение массы, которое теоретически составляет 95,5% объема исходного оксида кальция. Такое явление происходит при гидратации крупнозернистых кристаллов оксида кальция, требующей длительного взаимодействия с во­дой. Цементный камень расширяется также при избы­точном содержании крупнокристаллических зерен пери - клаза (оксида магния), а также при большом количест­ве добавки гипса.

На заводах получают клинкер с минимально допу­стимым количеством свободного оксида кальция в це­менте, содержание периклаза и гипса в котором обеспе­чивает равномерность изменения объема. Достигается это при помощи тонкого помола сырьевой шихты равно­мерного состава, качественного обжига и быстрого ох­лаждения клинкера.

Поскольку расширение цементного камня может про­явиться в опасных размерах спустя много лет после за­творения цемента, стандартом предусмотрен ускоренный метод испытания цемента. По ГОСТ стандартно изго­товленные лепешки цементного теста подвергаются через сутки после затворения кипячению в воде; после охлаж­дения они не должны иметь искривлений и даже волос­ных трещин. В ряде стран испытание ведут по методу Ле Шателье путем кипячения через сутки после затворения цилиндрика цементного теста, разрезанного по длине и снабженного двумя иглами, концы которых расходятся

Под действием напряжений, возникающих в результате расширения цементного камня. Допустимое расширение составляет 3—10 мм, причем максимальный его размер предусмотрен в большинстве стандартов. В ряде стран регламентирован автоклавный метод испытания образ­цов призм в течение 3 ч при давлении 2,1 МПа. В США допускается расширение портландцемента, равное 0,8%, в других странах — 0,5, 1 и даже 1,3%.

Тепловыделение. Гидратация цемента сопровождает­ся выделением тепла, что может быть установлено по изменению температуры цементного теста, помещенного немедленно после его затворения в термос. В тонкостен­ных бетонных конструкциях это тепло сравнительно бы­стро рассеивается и заметно не влияет на структуру це­ментного камня.

Проблема тепловыделения привлекла внимание ис­следователей в связи с тем, что в массивном бетоне гид­ротехнических и других видов сооружений заметно по­вышается температура до значения, часто превышающе­го, примерно на 323К, температуру бетона при его уклад­ке. Рост температуры вызывает напряжения, которые являются результатом неравномерного нагрева и охлаж­дения бетона; при малой его теплопроводности внутрен­ние слои массива охлаждаются медленнее поверхност­ных. При возникновении больших термических напря­жений в бетоне могут появиться трещины. Для устране­ния этих явлений применяют по возможности тощие бетонные смеси или укладывают в толщу массива тру­бы, по которым поступает вода для охлаждения бетона [48].

Клинкерные минералы при полной гидратации разли­чаются по термохимическому эффекту, который для C2S состоит из тепла, выделяющегося как при химической ре­акции, так и при адсорбции воды гелем и составляет 504 кДж/кг. Тепловыделение при гидратации C3S равно 260 кДж/кг. Алюмоферриты кальция при полной гидра­тации выделяют тепло в зависимости от их состава и от­ношения А120з/Те20з - Теплота гидратации для C4AF 420 кДж/кг й для СзА — 869 кДж/кг. Теплота образо­вания гидросульфоалюминатов кальция составляет 558 кДж/кг безводного С3А. Теплота гидратации для СаО определена в 1170 кДж/кг и для MgO—852 кДж/кг.

Зависимость тепловыделения при гидратации чистых синтетических клинкерных минералов от продолжитель­ности гидратации показана в табл. 4.

Изучение тепловыделения при гидратации портланд­цемента различного минералогического состава подтвер­дило, что наиболее термичными минералами в цементе являются C3S и С3А, причем C4AF замедляет тепловыде­ление других минералов. Основное количество тепла выделяется в первые 3—7 сут твердения. Примерное теп­ловыделение чистого, не содержащего добавок портланд­цемента для разной продолжительности твердения мож­но определить по разработанным в нашей стране коэф­фициентам, характеризующим долго участия клинкерных минералов в этом процессе (табл.5).

Мы видим, что снижения экзотермии портландцемента достигают путем изменения минералогического состава за счет снижения содержания C3S и С3А и увеличения •соответственно количества двухкальциевого силиката и люмоферритов кальция. Степень уменьшения тепловы - еления при этом характеризуется данными табл. 6.

Следует подчеркнуть, что тепловыделение портланд­цемента находится в прямой зависимости от скорости

3*(0,5) Зак. 531

Его гидратации. Поэтому повышение удельной поверх­ности цемента, применение добавок — ускорителей твер­дения способствуют ускорению тепловыделения, в то время как введение в состав цемента замедлителей твер­дения несколько снижает скорость тепловыделения. Ис­следования А. Е. Шейкина, В. Лерча показали, что сразу после затворения порошка цемента водой начинается выделение тепла, которое вначале уменьшается, потом снова начинает возрастать в соответствии с прерывистым характером гидратации портландцемента. Термохимиче­ские свойства портландцемента в меньшей степени зави­сят от условий твердения.

С повышением активности портландцемента тепловы­деление возрастает. И. Д. Запорожцем [48] установлена следующая зависимость тепловыделения от активности цемента

9р7 1,0о°ц'7,

О 7

Где qр7 — тепловыделение цемента за 7 су г, кДж/кг; од' —семису - точпаи прочность портландцемента, МПа.

Введение в портландцемент малых количеств актив­ных минеральных добавок заметно не влияет на уста­новленную зависимость.

Стандартную термохимическую характеристику це­мента находят по ГОСТ при помощи термосного метода. Испытанию подвергают цементный раствор, в котором соотношение между цементом и песком устанавливается в зависимости от вида и марки цемента так, чтобы мак­
симальное повышение температуры было бы близко к 288К. Расход цемента в единице объема раствора воз­растает, если вместо портландцемента применяют пуццо- лановый и шлакопортландцемент.

С увеличением расхода цемента в 1 м3 бетона тепло­выделение возрастает практически линейно. Повышение В/Ц приводит к заметному возрастанию теплового эф­фекта в случае применения алитового и алюминатного цементов. Зависимость тепловыделения от В/Ц у бето­нов на белитовом цементе меньше. У бетонов с одина­ковым расходом цемента и подвижностью изотермиче­ское тепловыделение не зависит от свойств заполните­лей, удельной теплоемкости и средней плотности мате­риала зерен. Пластифицирующие и воздухововлекающие добавки по-разному влияют на тепловыделение. Введе­ние ускорителей твердения приводит к увеличению теп­ловыделения.

Набухание и усадка цемента. Набухание и усадка обусловлены способностью цементного камня и бетона изменять объем в зависимости от химических процессов, протекающих при твердении, и от влажности среды, в которой они находятся. Набухание сопровождается по­глощением воды и увеличением массы цементного кам­ня, достигающей 3—5% при продолжительности тверде­ния 100 сут. Увеличение объема у цемента различных видов в возрасте 275 сут в % составляет (по Лермиту)

[76]:

Обычный портландцемент.... быстротвердеющий портландцемент шлакопортландцемент.... глиноземистый цемент.....

Линейные деформации составляют при этом 0,1 — 0,3 мм/м.

Бетоны, находящиеся в воде, набухают меньше, чем цементный камень; через 6—12 мес. происходит стаби­лизация объемных изменений, хотя масса при этом про­должает увеличиваться. Набухание не вызывает сниже­ния прочности, как это бывает при «запоздалой» гидра­тации СаОовоб, периклаза, либо при взаимодействии ще­лочей цемента с реакционноспособным заполнителем бе­тона. Набухание цементного камня следует рассматри­вать как результат взаимодействия с водой, при котором образующийся цементный гель адсорбирует на своей чрезвычайно развитой поверхности воду, раздвигающую
гидратиые новообразования. Поэтому при набухании внутренняя структура цементного камня уплотняется. Несомненно, что набухание вызывается также расклини­вающим действием тонких пленок воды и осмотическими силами, возникающими в связи с разностью концентра­ций на поверхностях гидратированных частиц, и полу - проницаемостью, присущей цементному камню.

Цементный камень и затвердевший бетон в воздуш- но-сухой среде дают усадку, сопровождающуюся поте­рей воды. Скорость усадки возрастает с уменьшением относительной влажности среды, а абсолютная величина усадки (мм/м) в несколько раз превышает набухание (рис. 17). Усадка наблюдается также при взаимодейст­вии гидроксида кальция в цементном камне с углекисло­той воздуха. Эта реакция протекает наиболее полно при определенной относительной влажности воздуха. Усадка бетона может привести к возникновению значительных напряжений, образованию микротрещин и макротрещин, нарушению монолитности конструкций и создать тем самым условия для активного действия других внешних агрессивных факторов. Нежелательна также усадка в предварительно напряженных конструкциях.

X. Стейнор определял усадку синтетических клинкер­ных минералов 28-ми суточного срока твердения. Она характеризуется следующими данными: C3S— 0,46, C2S —0,77, С3А —2,34, C4AF — 0,49 мм/м. М. Венюа [25] изучал влияние химико-минералогического состава на усадку 13 образцов портландцемента, содержащих: С, S = 41,1—74,7%, C2S = 5,9—32,4%, C3A=0,1 — 12,5%, C4AF= 1,6—16,5%, СаОСвоб = 0,6—2,5%. Растворные об­разцы 1 : 3 при ВЩ = 0,5% и твердении на воздухе с от­носительной влажностью 20—50% дали следующую усадку:

Через 7 сут — 0.250—0,575 мм/м » 28 » — 0,500—1,060 » » 180 » - 0,590—1,296 » » 1 год — 0,690—1,410 »

С повышением дисперсности портландцемента усад­ка возрастает.

А. Е. Шейкип [158] выдвинул теорию физической природы усадки, зависящей от соотношения кристалли­ческих и гелевых новообразований в цементном камне. В период схватывания усадка пропорциональна потере свободной воды. Одновременно происходит отсос свобод­ной воды в зону гидратации, что вызывает дополнитель-

Ную усадку — контракцию. Последующая усадка объяс­няется потерей субмнкрокристаллами пленочной воды. При относительной влажности менее 60% будет уда­ляться адсорбционно-связанная вода из геля цементного камня. Усадка будет зависеть от объема геля в единице объема цементного камня и влагосодержания геля.

На кривой зависимости усадки от влагопотерь (рис. 18) можно выделить три наиболее характерных, участка. На первом участке деформации усадки весьма незначительны, несмотря на заметную потерю влаги об­разцами, доходящую до 3%> На втором участке наблю­даются интенсивные деформации усадки при меньших влагопотерях, причем скорость возрастания усадки пре­вышает скорость увеличения влагопотерь. И, наконец, для третьего участка характерно быстрое увеличение усадки при незначительных влагопотерях.

Для объяснения природы усадки полезны данные, приведенные в работе [68, 69], о том, что в фазе С—S—Н катионы Са являются главными центрами адсорбции для молекул воды, а непрерывный рост усадки цемент­ного камня с уменьшением его влажности — это резуль­тат сжатия и сближения слоев С—S—Н. Сжатие слои­стых кристаллов С—S—Н объясняется сокращением длины межслоевых связей О—Са—О вследствие десорб­ции молекул воды с межслоевых катионов Са2+, а также ухода молекул воды из координационных сфер поверх­ностных катионов Са2+. Таким образом, усадка вызыва­ется уходом межслоевой, поверхностной и межкристал-

О

Литной воды, воды из микропор (<15 А) и воды из

О о

Капилляров (15 А <г<1000 А). Деформации усадки у
бетонов на пуццолановых портландцементах больше, чем у бетона на портландцементе. Замена части цемента молотым песком той же дисперсности не уменьшает, а увеличивает деформации усадки. Высокоалюминатный цемент дает более значительную усадку, чем малоалю - мипатный. Усадка белитового цемента несколько выше, чем у других цементов.

Как было показано Е. Н. Щербаковым и Ф. П. Сырбу [166], для данного цемента существует некоторое опти­мальное содержание S03, при котором цементно-песча - ный раствор или бетон на этом цементе обладает мини­мальной усадкой. Применяя множественный корреляци­онный и регрессионный анализ они получили регресси­онное уравнение для S03, в которое в качестве аргумен­тов вошли содержание щелочей, трехкальциевого алю­мината в цементе и тонкость помола цемента. Уменьше­ние усадки вызвано образованием кристаллов гидро - сульфоалюминатов кальция, а также фаз, образующих­ся в результате реакции гидроксидов щелочей с гипсом.

При вычислении потерь предварительного напряже­ния, а также в расчетах статически неопределимых сис­тем нормативные значения деформаций усадки (бул.) принимаются пока еще только в зависимости от марки бетона на сжатие без учета вида применяемого порт­ландцемента, а также от жесткости или подвижности бетонной смеси. Для бетонов, подвергнутых тепловлаж - ностной обработке и при достижении ими после пропа - ривания не менее 80% проектной марочной прочности, значения еу. н. должны быть уменьшены на 10%.

Прочность цемента — одна из наиболее важных его физико-механических характеристик, от которой в основ­ном и зависит прочность бетона в различных условиях твердения. Прочностные показатели цемента определя­ют, испытывая затвердевшие образцы из песчаного ра­створа в установленные сроки твердения. При этих ис­пытаниях мы уже имеем дело с продуктом химического взаимодействия с водой, протекающего при гидратации цемента, поэтому на получаемые прочностные показате­ли цементного раствора, его физические характеристики оказывают влияние условия, при которых происхо­дят эти химические процессы.

В стандартах на методы испытаний цемента строго регламентируются водоцементное отношение, условия приготовления, уплотнения и твердения испытуемых об­разцов, сроки их испытания, состав раствора, вид при­меняемого песка, размеры образцов. Стандартные мето­дики каждой страны имеют свои отличительные особен­ности, поэтому невозможно точно сопоставить прочност­ные показатели цементов, получаемые в разных странах. Такое сопоставление возможно лишь в том случае, когда по разным стандартным методикам испытывается один и тот же образец цемента.

Прочность цемента определяют по ГОСТ 10.178—76 из раствора Г. З на стандартном Вольском песке при В/Ц=0,4 и консистенции, характеризуемой расплывом стандартного конуса на встряхивающем столике не менее 106—115 мм; испытывают образцы-балочки размером 40X40X160 мм. Если воды для получения указанной консистенции раствора недостаточно, повышают В/Ц. Требования к минимальным показателям прочности об­разцов на изгиб и сжатие для разных марок цемента приведены в табл. 7.

Химико-минералогический состав клинкера влияет определенным образом на прочность цемента. Ю. М. Бутт и С. Д. Окороков показали, что наибольшей абсолютной
прочностью до 28 сут твердения обладает C3S, а по ин­тенсивности роста прочности на первом месте стоит чи­стый трехкальциевый алюминат. По абсолютным пока­зателям прочности C3S и C2S значительно превосходят трехкальциевый алюминат. В более длительные сроки твердения, например к двум годам, наибольшую проч­ность имеет |3-C2S.

Замена части трехкальциевого силиката трехкальци - свым алюминатом приводит к снижению его прочности, начиная с 28 сут твердения, а двухкальциевого силиката в более позднем возрасте. При за! мене 50% трехкальци­евого силиката двухкальциевым прочность снижается по сравнению с чистым C3S в возрасте до 28 сут, в более поздние сроки она уже больше, чем у трехкальциевого силиката и приближается к прочности двухкальциевого силиката в возрасте двух лет (табл. 8).

Отдельных

Минералов и специальных портландцементов, классифи­цированных по минералогическому составу исходного клинкера, можно отметить, что рост прочности цементов имеет иной характер, чем у минералов или их смесей.

Для алита и алитовых портландцементов характер­на близость коэффициентов нарастания прочности (в период от 1 мес до 2 лет). При сопоставлении же интен­сивности твердения С3А, (3-C2S и цементов с преоблада­нием указанных минералов наблюдается некоторое раз­личие, особенно заметное Для белита и белитового порт­ландцемента в период твердения от одного месяца до шести. Объясняется это тем обстоятельством, что замет­ный рост прочности белита в этот период не может про­явиться при твердении цемента, так как решающее зна­чение для формирования прочности цементного камня имеют процессы, связанные с участием в твердении C3S.

По минералогическому составу исходного клинкера можно судить об ожидаемой прочности и скорости ее на­растания. От прочности цемента зависит в определенной степени и прочность бетона [6]. Ориентировочно опреде­ляют возможный предел прочности бетона при сжатии в возрасте 28 сут и твердении в нормальных температур - но-влажностных условиях по формуле Ю. М. Баженова

Rq == А (Аг) — (+) 0,sj,

Где Rг, — предел прочности бетона при сжатии в возрасте 28 сут нормального твердения, МПа; Ru— активность цемента, т. е. предел прочности при сжатии образцов (половинок балочек) цементного раствора при испытании цемента по ГОСТ, МПа; Ц/В — цементно - водное отношение в бетоне (вода, поглощаемая заполнителями, не учитывается); А, А— коэффициенты, выбираемые в зависимости от качества заполнителей и В/Ц, причем А принимается для бетонов с В/Ц, равным 0,4 (Ц/В>2,5) или больше этого значения; А, — при­нимается для бетонов с В/Ц меньше 0,4 (Ц/В>2,5); А = 0,65—0,55 и А, = 0,43—0,37.

Приведенная выше формула справедлива для бето­нов из умеренно-жестких и малоподвижных бетонных смесей, уплотняемых вибрацией. С течением времени прочность бетона, находящегося во влажной среде, воз­растает. Наиболее быстрый темп роста прочности на­блюдается в начальный период твердения. Прочность бетона на портландцементе интенсивно повышается до 28 сут, на пуццолановом п шлакопортландцементе — до 90 сут при более медленном темпе роста в начальный период. Ориентировочное изменение прочности бетона на
портландцементе во времени может быть подсчитано по формуле Б. Г. Скрамтаева

JlZL

Ig 28 '

Где Яб — кубиковая прочность в возрасте Т сут; R28 — прочность бе­тона при твердении в нормально-влажных условиях через 28 сут.

Повышение температуры при высокой влажности сре­ды ускоряет твердение бетона. Для повышения проч­ности бетона следует применять высокопрочные цемен­ты, характеризующиеся повышенной прочностью на осе­вое растяжение. В табл. 9 приведены коэффициенты на­растания прочности бетона на различных портландце - ментах.

В специальных портландцементах, шлаковых, пуццо- лановых, пластифицированных, гидрофобных и др., вли­яние минералогического состава исходного цементного клинкера на прочность цемента сохраняется, однако при меньших относительных значениях получаемых показа­телей прочности. Вместе с тем необходимо учитывать возможность изменения этих коэффициентов в зависи­мости от состава бетона, содержания в составе цемента активных минеральных добавок [82], условий его изго­товления и температурно-влажностных условий тверде - ния.

Скорость взаимодействия цементных зерен с водой зависит от суммарной поверхности зерен или их удель­ной поверхности (см2/г). С увеличением тонкости помола
(удельной поверхности) возрастает скорость процессов твердения и повышается прочность цементного камня. Чтобы получить заданную прочность, необходимо подо­брать не только минералогический состав исходного клинкера и вещественный состав цемента, но и опти­мальную гранулометрию цементного порошка при опре­деленной его удельной поверхности. В табл. 10 показана зависимость прочности пластичного раствора от удель­ной поверхности для рядового портландцемента.

При увеличении удельной поверхности независимо от его минералогического состава гидратируется больше цемента. Для предупреждения значительного развития усадки и других нежелательных явлений следует пра­вильно подбирать дозировку гипса [165]. От цемента зависит не только прочность, но и другие свойства бето­на, в первую очередь, такие, как морозостойкость, трс- щиностойкость и др. [6]. Требования к удельной поверх­ности цемента должны выдвигаться с учетом и этих свойств. При рациональном гранулометрическом составе Цемента создаются условия для длительного протекания процессов твердения цемента, обеспечивающих его «са­мозалечивание» при различных напряженных состоя­ниях.

Значительно ускорить твердение цемента и повысить его прочность в возрасте до 28 сут можно, вводя спе­циальные добавки — ускорители твердения, являющиеся преимущественно солями одновалентных, двухвалентных и трехвалентных металлов [99, 24, 43]. Наибольшее практическое применение получил хлористый кальций, а также добавки сульфатов и карбонатов натрия и калия. Оптимальную дозировку добавок устанавливают обыч­но опытным путем.

В. Б. Ратинов и Т. И. Розенберг [100] по механизму действия условно разделяют ускорители твердения на три класса:

А) изменяющие растворимость вяжущего и вступаю­щие с ним в химическую реакцию;

Б) химически взаимодействующие с вяжущим с обра­зованием труднорастворимых соединений, но не образу­ющие экранирующих пленок;

В) являющиеся центрами кристаллизации.

Добавки первого класса ускоряют процесс твердения

Вяжущих, так как увеличивают ионную силу раствора и повышают растворимость клинкерных фаз и новообра­зований. Механизм действия добавок второй группы за­ключается в увеличении вероятности образования заро­дышей кристаллизации в единице объема суспензии. И, наконец, готовые центры кристаллизации влияют только на этот процесс, а не на растворение вяжущих. Раство­рение же — самая медленная стадия твердения, кото­рая и определяет его скорость. К добавкам первого клас­са можно отнести хлористый калий и нитрит натрия, а также, хотя и несколько условно, хлористый кальций и гипс. К добавкам второго класса — карбонат и фториды натрия и калия, к добавкам третьего класса — гексагид - рат трехкальциевого алюмината, тоберморит, гидросуль - фоалюминат кальция и др. [1].

Рассмотренные выше физико-химические особенности цементов обусловливают многие важнейшие строитель­но-технические свойства изготовляемых на их основе бе­тонов. В строительную науку существенный вклад внес­ло использование ряда химических добавок в составе бетонов, заметно улучшающих многие свойства бетонов, придавая им в ряде случаев специальный профиль. Большие исследования в области изучения эффектив­ности действия различных добавок выполнены советски­ми учеными В. Б. Ратиновым, Ф. М. Ивановым, В. Г. Ба­траковым, Т. И. Розенберг [99, 100].

Ползучесть — свойство цементного камня н бетона, проявляющееся в непрерывных деформациях под дейст­вием длительно приложенных нагрузок. Деформации стремятся к пределу, который, однако, не достигается. При снятии нагрузки возникают остаточные деформа­ции. Вычитая из общей деформации усадочную, которую можно определить у ненагруженных образцов-близне­цов, получают примерное значение фактической дефор­мации ползучести под действием длительной нагрузки.

При этом следует учитывать, что усадка у сжатых на­груженных образцов больше, чем у ненагруженных.

Ползучесть цементного камня и его способность к релаксации напряжений при его высыхании повышаются [2]. Наблюдения Девиса за ползучестью бетона, продол­жавшиеся в течение 30 лет, показали, что деформация ползучести через 1 год, принятая за единицу, возрастает через два года до 1,14, через 5 лет — до 1,2, через 10 лет — до 1,26, через 20 лет — до 1,33 и через 30 лет — до 1,36.

Несмотря на большое число исследований единого уравнения для описания закономерностей деформаций ползучести бетона во времени нет. Выявлены ли­нейные и нелинейные деформации ползучести. До неко­торой границы нагрузки при сжатии деформации ползу­чести линейно зависят от значения напряжения в бетоне. Зависимости между напряжениями и деформациями ли­нейной ползучести бетона получены А. А. Гвоздевым, Н. X. Арутюняном, С. В. Александровским и др. иссле­дователями. Уравнения, предлагаемые ими, выражая общий линейный закон деформирования, отличаются функцией влияния действовавших напряжений на наблю­даемую деформацию. Исследователи пытались объяс - нить отдельные стороны сложного механизма ползу­чести цементного камня и бетона. Большой интерес пред­ставляют эксперименты по изучению ползучести образ­цов, целиком состоявших из гидросиликатов кальция, выполненные К. Г. Красильниковым и Н. Н. Скоблин - ской [68]. Ими была определена ползучесть гидросили­катов кальция серии CSH(B) с отношением CaO/SiO>2 = = 0,8. Изучалась ползучесть образцов, находящихся в изотермических условиях (±0,1°С) внутри вакуумной установки. В ней они контролировали давление водяно­го пара и установили, что с ростом влажности образца ползучесть увеличивается. Ползучесть образцов, состояв­ших из гидросиликатов кальция, объяснялась скольже­нием кремнекислородных пластин по плоскостям их кон­тактов в отдельных кристаллах, а также самих кристал­лов относительно друг друга.

Еще ранее 3. Н. Цилосани [154] рассматривал вязкое течение цементного камня как следствие перемещения его частиц в коагуляционных контактах, усиливаемого наличием в этих контактах тонких слоев воды. Было ус­тановлено, что ползучесть высушенного цементного кам­ня в раннем возрасте с возрастанием влажности среды увеличивается. Фрейсине объяснял ползучесть цементно­го камня под нагрузкой только изменением его гигромет - рического состояния. Вместе с тем известно, что для об­разцов цементного камня, находящихся под нагрузкой, ползучесть характерна и при отсутствии влагообмена с окружающей средой.

По В. Гансену [31], цементный гель под действием нагрузки из-за волокнистой структуры оказывается ме­нее ползучим, поэтому он считает, что деформации пол­зучести вызываются поперечными и угловыми смеще­ниями кристаллов в точках контакта в геле. А. Е. Шей - кин идет дальше в объяснении механизма ползучести, полагая, что гелевые составляющие цементного камня начинают деформироваться раньше и приводят к нагру - жению кристаллического сростка. Затухающий характер деформаций ползучести объясняется перераспределением напряжений геля на сросток, а также увеличением во времени вязкости гслевой составляющей [158].

В приведенных выше объяснениях процесса ползу­чести нет указаний на нарушение сплошности цемент­ного камня в процессе его деформирования под нагруз­кой. Вместе с тем, как показано С. Я. Бергом, Е. Н. Щер­баковым, Г. Н. Писанко [Ю], при определенных соотно­шениях внешних сил и прочности бетона процесс ползу­чести может сопровождаться постепенным возникнове­нием микротрещин и их развитием в кристаллизационной структуре цементного камня. При этом первоначально деформации ползучести развиваются во времени, не вы­зывая нарушения сплошности материала. Деформации, связанные с появлением и развитием микроразрушений, были названы пластическими деформациями II рода.

Переход линейной ползучести в нелинейную проис­ходит в материале в условиях сжатия при напряжении выше когда обнаруживаются микротрещины. Анализ физических явлений в бетоне показывает, что длительное действие нагрузки с напряжениями, превышающими вызывает разрушение структуры, улавливаемое по изменению скорости ультразвука.

Большой экспериментальный материал позволил вве­сти в нормативные документы требования к линейной ползучести, Е. Н. Щербаков [10] предлагает в практи­ческих расчетах выражать ползучесть не в виде абсо­лютных значений относительных деформаций, а как ме­ру ползучести. Мерой ползучести называется величина относительной деформации ползучести, приходящаяся на 0,1 МПа длительно действующего напряжения и обо­значается т)г. Нормативные значения меры ползучести бетона представляют конечную (при >-оо) относитель­ную величину деформаций ползучести на 0,1 МПа по­стоянно действующих напряжений в бетоне, приклады­ваемых в возрасте 28 сут естественного твердения к эле­менту сечением ЮХ'О см при относительной влажности среды 70%.

Мера ползучести имеет различное значение для бе­тона на обычном портландцементе и на высокопрочном. Для расчетов принимается, что ползучесть на высоко­прочном портландцементе меньше. Исходят из того, что уменьшение меры ползучести с увеличением возраста бетона одинаково для обычного и высокопрочного порт­ландцементов. При проектировании железобетонных конструкций предлагается вводить поправочные коэффи­циенты к величине т^ в зависимости от В/Ц, содержания цементного теста, размеров образца и влажности воз­духа.

А. А. Шейкин показал, что на предельную меру пол­зучести бетона влияют такие факторы, как химико-ми­нералогический состав цемента, расход цемента и сте­пень его гидратации, В/Ц, модули упругости кристалли­ческого сростка цементного камня и геля гидросилика­тов кальция, плотность цемента и средняя плотность кристаллогидратов, входящих в состав кристаллического сростка цементного камня. Установление такой зависи­мости позволяет прогнозировать влияние отдельных па­раметров, связанных с особенностями применяемых це­ментов и составов бетонов, на предельную меру ползу­чести бетона [158].

Свойство ползучести может быть рационально ис­пользовано при сооружении бетонных конструкций. А. В. Саталкин установил, что нагружение бетона в ран­ние сроки твердения может при определенных условиях оказать положительное влияние на его прочность, по­скольку из-за пластических деформаций в цементном камне возникают благоприятные структурные изменения [127].

По данным А. В. Саталкина, ползучесть глиноземи­стого цемента меньше, чем портландцемента. Пуццола - новыс цементы, а также портландцемент с повышенным содержанием C2S характеризуются относительно боль­шей ползучестью.

Морозостойкость — это способность бетона сопротив­ляться попеременному замораживанию и оттаиванию при насыщении его пресной или морской водой. Мы уже говорили о том, что цементный камень является капил - лярно-пористым телом, в котором вода находится в раз­личных физических состояниях, зависящих от физико - химической связи ее в гидратпых новообразованиях, ха­рактера и размера пор, в которых она содержится.

Наиболее быстро в насыщенном водой бетоне замер­зает «свободная» вода, находящаяся в пустотах и макро­порах цементного камня; это происходит при температу­ре несколько ниже нуля, поскольку в воде содержатся такие растворимые гидратные новообразования, как щелочи и др. Температура замерзания воды в капилля­рах зависит от размера капилляров; в особо мелких лед' образуется при минус 233—223К. С дальнейшим пони­жением температуры возрастает количество воды, пре­вращающейся в лед, но даже при 195К некоторая часть воды в наиболее мелких порах внутри геля остается.

Как известно, превращение воды в лед сопровожда­ется увеличением объема на 9%. Г. И. Горчаков пола­гает, что главными факторами, определяющими напря­жения в стенках капилляров цементного камня при за­мерзании воды, являются: степень заполнения капилля­ров водой, проницаемость стенок по отношению к воде, скорость кристаллизации воды и параметры, характери­зующие внутренний размер капилляров и толщину их стенок [36, 37]. Снижение прочности и разрушение бе­тона под действием попеременного замораживания и оттаивания объясняется, главным образом, напряжени­ями, возникающими в структуре цементного камня и бетона.

Считают также, что разрушение стенок пор в цемент­ном камне при замораживании и оттаивании — следст­вие возникновения гидравлического давления воды пе­ред фронтом промерзания. Однако возникающее при этом гидравлическое давление в капиллярах диаметром до IXЮ-4 см не может быть больше прочности цементного камня на разрыв. Поэтому приходят к выводу, что одной из основных причин разрушения бетонов при промер­зании является гидростатическое давление замерзающей защемленной воды, не имеющей в момент замерзания контакта с воздухом. Это давление может передаваться непосредственно или через оболочку льда, причем вода защемляется, вероятно, самим льдом. Расчет возможно­го гидравлического Давления для капилляров меньших размеров (1ХЮ~5 см) уже дает значения, соизмеримые с прочностью бетона. Кроме того, на степень морозо­стойкости влияет различие в температурных коэффици­ентах линейного расширения льда и скелета материала (О. Е. Власов и Г. Г. Еремеев). А. Е. Шейкин полагает, что бетон не разрушается при многократном заморажи­вании и оттаивании, когда в нем содержатся «резервные поры», не заполненные водой, в которые и отжимается часть воды при давлении растущих кристаллов льда.

Было обнаружено, что разрушение бетона при много­кратном замораживании и оттаивании характеризуется величиной остаточных деформаций, замеряемых после каждого цикла. Процесс накопления остаточных дефор­маций в бетоне при испытании характеризуется уравне­нием:

8 = bNa

Где е — суммарная остаточная деформация; N — число циклов замо­раживания и оттаивания; а и Ь — параметры, зависящие от морозо­стойкости бетона при испытании.

Указанный процесс положен В. С. Гладковым в осно­ву ускоренного испытания бетона на морозостойкость [32]. Придавая решающее значение уменьшению объема (макропор), Г. И. Горчаков предложил формулы для характеристики пористости, учитывающие особенности физического строения цементного камня и виды связи воды в нем. В. М. Москвин, М. М. Капкин, Б. М. Мазур и А. М. Подвальный [130] считают, что процесс разру­шения бетона при попеременном замораживании и оттаи­вании состоит из начального образования микро - и мак­ротрещин и их дальнейшего развития при высокой сте­пени заполнения пор водой.

Чтобы получить бетон повышенной морозостойкости очень важно правильно выбрать цемент с учетом его химико-минералогического состава, дисперсности, нали­чия активных минеральных добавок, а также воздухо- вовлекающих, газообразующих, пластифицирующих и гидрофобных веществ. Важны также расход цемента на 1 м3 бетона, В/Ц, вид и качество применяемых заполни­телей. С. В. Шестоперов [161, 162] отмечает, что для получения морозостойкого бетона необходимо применять свежемолотый высокоалитовый портландцемент с опти­мальным количеством гипса с «пептизирующими» и пла­стифицирующими добавками. Большое значение он при­дает степени заполнения водой и воздухом капилляров и пор цементного камня, а также водостойкости гидра - тированных новообразований; гидратированный алюми­нат он считает неводостойким и иеморозостойким соеди­нением. Он отмечает положительное действие «воздуш­ных прослоек» на структуру цементного камня в том случае, если цементный камень оказывается стойким к воздействиям внешней среды.

Наиболее морозостойки бетоны па алитовых высоко­прочных, а также на сульфатостойких портландцемен - тах. Наименее морозостойки при температурах замерза­ния до минус 2231< бетоны на пуццолановых и шлако- портландцементах в связи с повышенным количеством воды, адсорбционно удерживаемой содержащимися в этих цементах активными минеральными добавками. Следует отметить, что пропаривание снижает морозо­стойкость цементных бетонов. О. В. Кунцевич, В. Г. Бат­раков [59, 57] показали, что высокая морозостойкость может быть достигнута при введении комплексных доба­вок, одна из которых 50%-ная кремнийорганическая эмульсия на основе Г'КЖ-94, и обеспечении заданного объема условно-замкнутых пор.

По данным Ф. М. Иванова, Н. П. Ледпевой и К. Д. Ха - дикова [52], при длительном воздействии морской воды па цементный камень в нем накапливаются соединения магния, сульфатов н щелочей. Поэтому для повышения долговечности бетона следует стремиться к увеличению его средней плотности. Длительное твердение бетона при положительных температурах повышает его морозостой­кость. Для получения бетона с повышенной морозостой­костью (Мрз>500) для службы в морской или океан­ской воде недостаточно использовать портландцемент заданного минералогического состава плотной структу­ры. В этом случае следует применять комплексные воз- духововлекающие и газообразующиеся добавки в соче­тании с пластифицирующими [53, 106, 108].