Свойства портландцемента
Плотность портландцемента находится в прямой зависимости от минералогической составляющей и варьируется в границах 3,0 – 3,2. Объемный вес портландцемента в рыхлом состоянии 900 – 1300 кг на м3 и в утрамбованном состоянии от 1500 до 2000 кг на см3. За частую для упрощения подсчета объемный вес считают равной 1200 кг на м3.
Мелкость помола определяет начальную поверхность зернышек цемента на единице массы. Чем мельче помол, тем лучше используется цемент в создании цементной клейковины. Рекомендуемые требования к мелкости помола сводятся к тому, чтобы при просеивании цемента по ситу с сечением ячейки 0,08мм проходило более 15% от общей массы, при этом существенно – гранулометрическая составляющая должна быть неодинаковой, это значительно повышает характеристики твердения.
Большое значение имеет удельная поверхность цементного порошка, которая обычно определяется специальными приборами (например, поверхностемером Гипроцемента), и для обычного портландцемента колеблется в пределах 2500-3000 см2/г, а для быстротвердеющего – 4000 см2/г и более.
Схватывание и твердение цемента.
При смешивании цемента с водой возникают сложные физико-химические процессы взаимодействия, в результате чего образуется пластичная масса, которая начинает уплотняться и густеть (этот период называют началом схватывания), а затем, утрачивая пластическую консистенцию, постепенно переходит в твердое тело (конец схватывания). Вначале в таком состоянии у цементного теста заметной прочности не наблюдается; лишь в благоприятных условиях температуры и влажности прочность в дальнейшем постепенно нарастает (происходит процесс твердения).
При взаимодействии цемента с водой возникают процессы гидратации (реакция, протекающая с присоединением воды) и гидролиза (реакция без распада вещества или с распадом его и образованием новых соединений). Эти сложные процессы в общих чертах могут быть отнесены к следующим реакциям главнейших минералов. В процессе взаимодействия с водой трехкальциевого силиката происходит гидролитическая диссоциация по реакции 3CaOSi02 + л Н20 – 2CaOSi02 л Н20 + Са (ОН)2.
Двухкальциевый силикат при взаимодействии с ограниченным количеством воды гидратируется по следующему уравнению: 2CaOSi02 + л Н20 – 2CaOSi02n Н20. Трехкальциевый алюминат весьма быстро присоединяет воду: ЗСаОА1203 + 6Н20 – ЗСаОА1203-6Н20.
Поскольку в цементной смеси имеется гипс, последний вступает в реакцию с гидротрехкальциевым алюминатом, образуя труднорастворимое новообразование – гидросульфоалюминат кальция – по следующему уравнению:
ЗСаОА1203-6Н20 + 3(CaS04-2H20) + 19Н20 – 3CaOAl203.3CaS04-31H20.
Наконец, четырехкальциевый алюмоферрит образует
4CaOAl203Fe203 + л Н20 – ЗСаОА1203-6Н20 + CaOFe203-л Н20.
Исследованию процессов твердения цемента были посвящены работы Ле-Шателье, который предложил кристаллизационную теорию твердения, и Ми-хаэлиса, выдвинувшего коллоидную теорию.
А. А. Байков развил эти исследования и разработал более стройную теорию, которая кратко сводится к следующему. При затворении цемента вода сорбируется на поверхности зерен цемента и с момента соприкосновения с ним начинается процесс растворения. При этом водная среда быстро насыщается продуктами гидролиза и гидратации: Са(ОН)2, ЗСаОА12Оз-6Н203, 2CaOSi02H20 и др. В дальнейшем происходит частичное растворение и дальнейшее выделение новообразований в коллоидном состоянии. Коллоидные образования отличаются различной растворимостью, вследствие чего одни из них (гидросиликат кальция) остаются в коллоидном состоянии, а другие (гидрат окиси кальция, гидроалюминат кальция) могут перекристаллизоваться.
Вслед за образованием коллоидных веществ (что соответствует периоду схватывания и уплотнения их за счет дальнейшего протекания процессов гидролиза и гидратации) наступает процесс кристаллизации (это соответствует началу твердения), что сопровождается нарастанием прочности системы.
Акад. П. А. Ребиндер и его сотрудники показали, что твердение цемента – это кинетический процесс, причем коллоидации предшествует адсорбционное и химическое диспергирование зерен цемента, приводящее к разрушению (пептизации) зерен цемента водой; при этом зерна цемента частично раскалываются, от них отделяются в основном частицы коллоидных размеров. Насыщение системы коллоидными частицами приводит к образованию коагуляционной структуры, в результате чего утрачивается подвижность цементного теста (период схватывания). Коагуляционная структура, возникающая в результате действия молекулярных сил сцепления коллоидных частиц, обладает малой прочностью и тиксотроп-ными свойствами, т. е. она способна к обратимому восстановлению после механического ее разрушения.
Растворение зерен приводит к образованию метастабильного (неустойчивого) раствора с достаточно высокой степенью пресыщения. Из этого раствора выкристаллизовываются кристаллогпдратные новообразования. Процесс образования новой фазы из раствора проходит через стадию зародышей кристаллов коллоидных размеров. Коагуляционная структура, уплотняясь постепенно, переходит за счет срастания кристалликов новообразований и их утолщения в кристаллизационную структуру (период твердения), которая, образуя сплошной каркас из сросшихся кристалликов, приобретает прочность и разрушается необратимо.
Скорость схватывания цемента зависит от минералогического состава, тонкости помола, количества воды для затворения, температуры и др. Так, повышенное содержание трехкальциевого алюмината, большая удельная поверхность, малое количество воды, повышенная температура среды ускоряют процессы схватывания.
Похожие статьи