Цементний камінь, новини в будівництві
Цементний камінь є мінеральним клеєм, що скріплює зерна заповнювача і повинен мати достатню власної міцністю і адгезією, тобто добре зчіплюватися з зернами заповнювача.
В. Н. Юнг ввів уявлення про цементному камені як мікробетоном, що складається з гелевих та кристалічних продуктів гідратації цементу і численних включень у вигляді негідратірованних зерен клінкера. Основна маса новоутворень при взаємодії цементу з водою виходить у вигляді гельовідниє маси, що складається в основному з субмікрокристалічних частинок гідросилікату кальцію. Гелеподібної маса пронизана відносно великими кристалами гідрату окису кальцію.
Таке своєрідне «комбіноване» будова зумовлює специфічні властивості цементного каменю, що різко відрізняються від властивостей інших матеріалів - металів, скла, граніту і т. П. Наприклад, з наявністю гелевою складової пов'язана усадка при твердінні на повітрі і набухання у воді, особливості роботи під навантаженням і інші властивості.
Читай також корозія цементного каменю
Цементний камінь включає:
1) продукти гідратації цементу: а) гель гідросилікату кальцію та інші новоутворення, які мають властивості колоїдів; б) відносно великі кристали Са (ОН) 2, еттрінгіта;
3) пори: а) пори гелю, що відносяться до мікропорами (менше 1000 А), б) капілярні пори, що є макропори (від 1000 А до 10 мкм), розташовані між агрегатами частинок гелю; в) повітряні пори і порожнечі (від 50 мкм до 2 мм) - порожнини, заповнені повітрям: засмоктало в цементне тісто внаслідок вакууму, викликаного контракцією; залученим в тісто при виготовленні або укладанні, а також при додаванні спеціальних воздухововлекающих речовин; залишилися в тесті внаслідок його недоуплотненія.
Класифікація пір гелю за розмірами дана Кондо і Даймон (розмір пір в даній класифікації характеризується половиною гідравлічного радіуса):
1) дуже тонкі пори, що пронизують частки гелю: межкристаллитного - розміром менше 6 А, а внутрікрісталлітной - 6 - 16А;
2) пори між частинками гелю більші - 16 - 1000 А. Всі ці пори структурно притаманні цементному гелю, т. Е. В гелі завжди є пори, оскільки він є дисперсною системою, що складається з частинок колоїдного рівня і їх агрегатів, розділених поровим простором . Залежно від складу цементу, початкового кількості води і технології пористість гелю може становити 28 - 40% обсягу гелю, причому близько ¼-1/3 пористості (т. Е. 7 - 12%) припадає на частку контракціонного обсягу.
Контракція (стяжение) -це явище зменшення абсолютного обсягу системи (цемент + вода) в процесі гідратації. Для прикладу розглянемо систему (дивись таблицю-1): 3CaO · Al2O3 + 6H2O = 3CaO · Al2O3 · 6H2O.
Таблиця 1. Зміна абсолютних обсягів системи С3А - вода
Абсолютний обсяг реагуючих речовин - СзА і води - склав 196,97 см3, а обсяг гідроалюмінати - тільки 150,11 см3, отже, контракция в даному прикладі склала 46,86 см3. Оскільки контракция майже не зменшує зовнішній обсяг системи, її наслідком є утворення в гідратованому цементі контракціонного обсягу. У цементному камені і бетоні виникає вакуум, під впливом якого ці пори заповнюються водою або повітрям залежно від середовища, в якій знаходиться матеріал. Контракція для звичайних портландцементів після 28 - 29 діб твердіння становить 6 - 8 л на 100 кг цементу, т. Е. В 1 м³ бетону з витратою в'яжучого 300 кг / м3 утворюється близько 18 - 24 л внутрішніх Контракційна пір.
Кожному мінералу цементу властива контракция; вона починається після змішання з водою і досягає максимуму при повній гідратації.
Малюнок 1. Зменшення абсолютного обсягу при твердінні в системах «клінкерна мінерал - вода» (мл на 100 г мінералу)
На малюнку-1 сопоставлена контракция, яка відбувається при гідратації головних клінкерних мінералів. Найбільша контракция відбувається при гідратації трехкальциевого алюмінату (23,79%), вона може бути причиною внутрішніх напружень в цементному камені. Двуводний гіпс, що додається при помелі клінкеру, вирівнює контракцію, так як в хімічній реакції освіти еттрінгіта з СзА, гіпсу та води (див. Вище) контракция становить лише 6,14%.
Малюнок-2. Спрощена модель гелю CSH (по Кондо і Даймону):
1 - частка гелю; 2, 4 - вузький прохід; 3 - пора між частинками гелю; 5 - внутрікрісталлітной пора; 6 - междуслоевая вода; 7 - межкристаллитная пора
На малюнку-2 зображена спрощена модель гелю CSH. Пориста структура гелю, як найважливішого продукту гідратації цементу, впливає на механічні властивості, проникність і морозостійкість цементного каменю; при цьому слід враховувати особливі фізичні властивості пір гелю, обумовлені їх малими розмірами.
Пори гелю можуть бути від кількох ангстрем до 1000 А, отже, за класифікацією властивостей, вони представляють собою мікропори. Вода, що заповнює пори гелю (скорочено «вода гелю»), має з твердою фазою адсорбционную зв'язок, так як адсорбційний полімолекулярнимі шар води (по Б. В. Дерягина) має товщину до 0,15 мкм.
Вода гелю замерзає при низькій температурі (за деякими даними - 78 ° С) і не переходить в лід при найсильніших морозах і, отже, пори гелю не позначаються на морозостійкості цементного каменю і бетону. Вода, адсорбована в порах, зменшує живий перетин і без того малих гелевих пір, тому водопроникність цементного гелю дуже мала.
Частина води замішування, не вмістити в порах гелю, розташовується вис гелю і утворює капілярні пори.
Капілярні пори мають великий ефективний діаметр (більше 1000 А) і доступні для води при звичайних умовах насичення. При значному обсязі капілярних пір, які пронизують цементний камінь, бетон має низьку морозостійкість і велику проникність, погано пручається хімічної корозії і не захищає надійно сталеву арматуру.
Вода є активним елементом структури цементного каменю, які беруть участь в утворенні гідратних з'єднань і в формуванні пір. Пористість цементного каменю залежить не тільки від початкового водоцементного відносини, а й від форм зв'язку води з твердою фазою.
Відповідно до класифікації П. А. Ребіндера, побудованої за принципом інтенсивності енергії зв'язку, всі форми зв'язку води в цементному камені можна розділити на три групи.
Хімічна зв'язок є найбільш сильною. Хімічно зв'язана вода видаляється при прожаренні, тому її називають «неіспаряемой» водою. Кількість хімічно зв'язаної води W зазвичай висловлюють в% або частках від маси цемента.Фізіко-хімічний зв'язок характерна для адсорбційно зв'язаної води, що знаходиться в порах цементного гелю; цей зв'язок порушується при висушуванні.
Фізико-механічний зв'язок - в даному випадку капілярний тиск обумовлює утримання води в капілярних порах цементного каменю. Адсорбционно пов'язана і капілярна вода, що видаляється при висушуванні, називається ще «випаровується». Кількість випаровується, т. Е. Не пов'язаної хімічно води визначають, застосовуючи в якості сушить агента лід при температурі - 78 ° С. Втрати при прожарюванні висушеної проби цементного каменю визначають хімічно пов'язану (неіспаряемую) воду.
Цементний камінь. є мінеральним клеєм, який скріплює зерна заповнювача, повинен мати достатню власної міцністю і адгезією, т. е. добре зчіплюватися (зростатися) з зернами заповнювача. Ці властивості цементного каменю залежать від якості і кількості новоутворень, обсягу і характеру пір.
Якість новоутворень в цементному камені визначається їх складом і дисперсністю. Кількість новоутворень прямо пропорційно ступеня гідратації цементу α, чисельно рівний відношенню прореагировавшей з водою частини цементу до загальної маси цементу. Ступінь гідратації може визначатися кількісним рентгенівським методом або за змістом зв'язаної води W, що не випаровується при висушуванні.
Кількість зв'язаної води при повній гідратації портландцементу W max може коливатися від 0,25 до 0,3 (до маси цементу); при W max = 0,25, α = 4W або W = 0,25α.Следовательно, якщо в 28-добовому віці цемент зв'язав 15% води (рахуючи від маси цементу), то α = 4 · 0,15 = 0,6 .Це означає що в бетоні з витратою цементу 300 кг / м³ 180 кг в'яжучого (60%) вступило у взаємодію з водою, а 120 кг (40%) ще збереглося у вигляді клінкерної фонду. Взагалі ж α може бути в межах від 0 до 1 (при повній гідратації цементу).
Ступінь гідратації має велике техніко-економічне значення. При збільшенні ступеня гідратації цементу зростає обсяг новоутворень, зменшується пористість цементного каменю і поліпшується якість пор. При цьому підвищується міцність і довговічність бетону. Тому потрібно вдосконалювати технологію бетону, домагаючись найбільш повного використання в'яжучого, що еквівалентно його економії.
Пористість цементного каменю П заг складається з гелевою Пг, капілярної Пкап і повітряної П пов пористості:
Пористість обчислюють по відношенню до обсягу цементного каменю Vцк, рівному сумі обсягів води замішування і абсолютним обсягом зерен цементу: Vцк = (В / ρв) + (Ц \ ρц), де ρц і ρв-відповідно щільності цементу і води затворенія.Пріем ρв = 1, нехтуючи зміною щільності води замішування від температури, тоді
Пористість гелю прямо пропорційно кількості прореагировавшего цементу, що дорівнює αЦ, тому
Пг = ℜ [(αρц) / (1 + ρц В / Ц]. На підставі фізико-хімічних досліджень коефіцієнт ℜ = 0,29, при цьому пг = 0,29 [(αρц) / (1 + ρц В / Ц] .В формулах для обчислення пористості α, В / Ц, ρц, ℜ і W- є безрозмірні велічіни.ρц-відносна щільність цементу, взята по відношенню до щільності води, що дорівнює 1. W-кількість води, хімічно пов'язаної цементом, кг, віднесене до 1 кг цементу.
Коефіцієнт ℜ = Пг, коли [(αρц) / (1 + ρц В / Ц] = 1. З пористості гелю можна виділити Контракційна обсяг Пконтр, користуючись формулою:
Таким чином, пористість гелю і Контракційна обсяг, який є частиною гелевою пористості, прямо пропорційні ступеня гідратації цементу. «Зайва» вода, яка не уміщається в порах цементного гелю, розташовується між агрегатами частинок гелю і утворює капілярні пори.
Капілярна порістостьПкап визначається з урахуванням того, що цементний гель зв'язує хімічно і адсорбционно приблизно однакові кількості води (по 25% від маси цементу), тобто кількість зайвої води, що утворює капілярні пори, дорівнюватиме:
П кап = [(В / Ц-0,5α) ρц] \ 1 + ρц В / Ц
З формули видно, що цементний камінь без капілярних пір вийде при (В / Ц - 0,5 α) ρц = 0, т. Е. Коли В / Ц = 0,5 і α = 1, що можливо лише при досить тривалому твердінні цементу в сприятливих умовах. Фактично до часу введення споруди в експлуатацію ступінь гідратації не перевищує 0,6-0,8 при цих значеннях α мінімальна капілярна пористість досягається при В / Ц<0,4.
Загальна пористість щільно покладеного цементного каменю (коли Пвозд = 0) буде дорівнює сумі гелевою і капілярної пористості:
П заг = [В, Ц-0,21α) ρц] / 1 + ρц В / Ц. Коефіцієнт пористості цементного каменю, що характеризує ступінь заповнення його обсягу твердою речовиною, буде дорівнює ℜцк = 1-Побщ.
Підставляючи Побщ з попередньої формули. отримаємо ℜцк = (1 + 0,21αρц) / (1 + ρц В / Ц) .Залежність ℜцк = ƒ (В / Ц, α) представлена на малюнку -3.
Малюнок-3. Залежність коефіцієнта щільності цементного каменю від В / Ц і α:
1-ℜцк = 0,9; 2-ℜцк = 0,8; 3-ℜцк = 0,7; 4-ℜцк = 0,6; 5-ℜцк = 0,5; 6-ℜцк = 0,4.
Пористість цементного каменю зменшується а його щільність зростає при зниженні початкового В / Ц і збільшенні ступеня гідратації цементу. У перший момент після змішування цементу з водою в цементному тесті будуть тільки капілярна пори і їх обсяг дорівнює обсягу води замішування, тому Побщ = П кап = (ρц В / Ц) / (1 + ρц В / Ц).
В процесі гідратації загальна пористість цементного каменю зменшується на величину залежну від ступеня гідратації:
Побщ = (ρц В / Ц) / (1 + ρц В / Ц) - (0,21αρц) / (1 + ρц В / Ц) = ρц (В / Ц-0,21α) / (1 + ρц В / Ц).
Однак капілярна пористість знижується швидше, ніж загальна пористість. Це явище надзвичайно важливо для поліпшення пористості цементного каменю і пояснюється тим, що капілярні пори заповнюються цементним гелем. Адже щільність клінкерних зерен - 3,15 г / см3, а об'ємна маса гелю (взятого разом з порами гелю) - близько 1,6 - 1,8 г / см3, отже, цементне зерно після гідратації займає обсяг удвічі більший.
Внаслідок заповнення капілярного простору новоутвореннями не тільки скорочується загальна пористість, але натомість великих капілярних пір виникають дрібні пори гелю, більш сприятливі для властивостей цементного каменю.