Aprospect.ru

Агентство недвижимости
6 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Замедлители схватывания бетона

Замедлители схватывания бетона

На производстве или строительстве возникают ситуации, когда становится необходимостью замедлить процесс твердения бетона. В таких случаях применяются добавки-замедлители схватывания смеси.

Принцип действия замедлителей твердения

Из молекул ПАВ (поверхностно-активных веществ) на поверхности частиц цемента сформировываются адсорбционные оболочки, что увеличивает концентрацию вещества на границе двух фаз: жидкой и твёрдой. Проще говоря, эта добавка замедляет кинетику твердения. Вязкость при этом увеличится, но если смешать больше ПАВ, чем допустимо, это приведёт к затруднению прохождения воды к частицам цемента, замедлению гидратации или вовсе её прекращению. Поэтому важно соблюдать процентное соотношение массы цемента и замедлителя.

Нужно учитывать, что прочность бетона снижается на 30% и более в промежутке до семи суток. А вот спустя 28 суток прочность застывшей смеси, наоборот, увеличивается, а проницаемость – снижается.

Где применяются замедлители схватывания бетона

  • При высоких температурах окружающей среды. В таких климатических условиях замедлитель схватывания – незаменимая вещь.
  • При транспортировке на большие расстояния, а также при затруднённом движении (заторы).
  • При создании высокомарочных смесей. В составах таких бетонов содержание вяжущего вещества очень высоко, что урезает время на транспортировку, заливку и укладку, а замедлители не только приостанавливают протекание процесса схватывания, но и повышают прочность конечного изделия.
  • При поэтапной заливке бетона, когда необходимо залить сложную, крупную конструкцию. Таким способом добиваются монолитности изделия из бетона.
  • При химических взаимодействиях со смесью замедлители уменьшают количество выделяемого тепла. При такой реакции, но уже без добавки, качество бетона может снизиться из-за излишней теплоты.

Классификация замедлителей схватывания: воздействие на состав бетона

Наиболее подходящими для этих целей классами являются первый, второй и четвёртый.

  1. Добавки первого класса представляют собой электролиты, меняющие растворимость вяжущих веществ. К ним относятся амины, органические кислоты, а также спирты. На данный момент пользуются меньшим спросом.
  2. Добавки второго класса взаимодействуют с вяжущими веществами, создавая труднорастворимые или малодиссоциированные соединения. Замедляющий эффект добавок этого класса можно объяснить появлением экранирующих плёнок, что получаются из продуктов реакции.
  3. Добавки четвертого класса – наиболее походящий вариант добавок. К ним относят ПАВ, что способны адсорбироваться и на вяжущих, и на гидратных образованиях. Различают два основных вида замедлителей: химического и физического воздействий.

Первые основаны на торможении процесса роста кристаллической решётки в смеси. Благодаря медленному росту решётка приобретает более сложный и равномерный вид, что положительно сказывается на прочности готового бетона. Из плюсов можно также отметить повышение показателей морозостойкости и водонепроницаемости всей конструкции. Но здесь, как и говорилось выше, необходимо соблюдать строгую дозировку. Избыток добавки в растворе может привести к критической потере прочности бетона.

Вторые сформировывают труднопроницаемую пленку на самих зернах цемента, замедляя их схватывание. Это повышает адгезию и влагозащиту, но плохо сказывается на общей прочности готовой конструкции.

Замедлитель схватывания цемента своими руками

Замедлители схватывания бетона

Действительно качественный замедлитель схватывания приготовить своими руками почти невозможно. Если речь идёт о частном строительстве, лучше приготовить ровно столько бетона, сколько необходимо. Если всё же нужно замедлить схватывание смеси, то следует просто мешать раствор, не давая процессу застывания начаться. Такой способ замедления спасет бетон от застывания на полчаса-час, не больше. Добавлять больше воды в раствор, дабы замедлить застывание – плохая идея. При переизбытке воды снизится плотность и прочность раствора, что сильно повлияет на качество смеси.

В более масштабном строительстве гораздо более целесообразно будет приобрести промышленный замедлитель – так и надежнее, и пропорции легче подобрать.

Производители и марки замедлителей твердения

Хорошо зарекомендовали себя в деле следующие замедлители:

  • Линамикс PC. Производитель – ООО «Полипласт». Представляет собой чистый замедлитель схватывания. Способен сохранять подвижность смеси до шести часов. Самый простой и относительно недорогой вариант добавки такого типа. Производитель рекомендует использовать его с пластификаторами своей же компании, объясняя это повышением эффекта смеси.
  • Релаксор Темп-4. Производитель – ДП «Р» ООО «Будиндустрия ЛТД». Эта добавка хоть и уступает предыдущей во временном промежутке замедления, т. к. действует всего до четырех часов, но имеет дополнительные свойства: повышает подвижность бетонного раствора с П1 до П5; позволяет достичь высшей прочности смеси в ранние сроки после затвердения. Рекомендуется применять в следующих областях:
  • монолитное бетонирование в температурных ограничениях от +15 °C и выше;
  • кладочные растворы, а также смеси для перемещения на дальние расстояния;
  • бетонирование конструкций с повышенной степенью армирования.
  • Sika Retarder, бренда Sika AG. По заверению производителя, эта добавка не содержит хлоридов и иных веществ, вызывающих коррозию стали, можно применять при изготовлении железобетонных конструкций для бетонов, температурой +25 °C. Также применяется со смесями с высокой марочной прочности, или когда раствор подлежит уплотнению. Остальные характеристики схожи с предыдущим замедлителем.
  • Бисил Ретардер CX производителя Drizoro реализуется компанией «ГЕЛИОС». Выгодно выделяется самым продолжительным сроком замедления схватывания – до двух суток. А также: увеличивает прочность конструкций и снижает их осадку в течение времени; улучшает связующий состав посредством уменьшения расслоения компонентов бетонной смеси. Области применения те же, что у всех добавок этого списка. При этом, Бисил Ретардер CX – довольно дорогой замедлитель, но его преимущества над другими того стоят.

Подведение итогов

В промышленном производстве использование замедлителей – необходимость. Важно разбираться в свойствах необходимой для раствора добавки, чтобы результат оказался именно таким, каким нужно. Замедлитель нужно подбирать, исходя из:

Какое свойство цемента оказывает влияние на сроки схватывания

Цемент – вяжущее вещество, в состав которого входят неорганические соединения. При взаимодействии с водой порошок вступает в химические реакции, в результате которых образуется твердый элемент, имеющий заранее заданную форму. После набора прочности элемент, изготовленный из цемента, заполнителей, воды и дополнительных добавок, служит длительный период с сохранением первоначальных характеристик. Плотность цемента в рыхлонасыпанном состоянии составляет 900-1300 кг/м3, в уплотненном – 1400-2000 кг/м3. При объемной дозировке вяжущего при приготовлении строительных смесей и растворов его плотность принимают равной 1300 кг/м3.

Читайте так же:
Удельный вес песок щебень цемент

Классификация цементов по вещественному составу

Важный компонент цемента – клинкер, получаемый обжигом сырьевой смеси. В его состав, в зависимости от требуемых свойств конечного продукта, могут входить: известняк, глина, доменный шлак, нефелиновый шлам и другие. После обжига в клинкер вводят при необходимости дополнительные компоненты. Полученную смесь измельчают с получением тонкодисперсного порошка.

В соответствии с ГОСТом 31108-2016 цементы по составу разделяют на 5 типов:

  • ЦЕМ I – портландцемент, наиболее популярный вид этого стройматериала, количество вспомогательных компонентов не превышает 5 %;
  • ЦЕМ II – портландцемент, содержащий минеральные добавки, в качестве которых используются шлак, микрокремнезем, пуццоланы, обожженный сланец;
  • ЦЕМ III – шлакопортландцемент;
  • ЦЕМ IV – пуццолановый;
  • ЦЕМ V – композиционный.

Введение минеральных добавок в количестве до 15 % незначительно изменяет свойства конечного продукта. Добавки в количестве более 20 % оказывают значительное влияние на физико-химические и механические свойства цемента и получаемых из него строительных смесей и растворов.

Гидратация бетона или цемента

Ингредиенты цементного порошка вступают в химическое взаимодействие с водой и начинается кристаллизация в получаемом монолите. Для полноценного прохождения гидратации бетона соотношение объема цемента и жидкости составляет 3:2 и должно быть точно соблюдено. Тщательный замес раствора позволяет создавать однородную структуру камня и управлять временем схватывания монолита.

Время от начала замеса до начала схватывания – это тот период, в течение которого раствор должен попасть в форму или опалубку. Согласно строительных регламентов он равен 45 минутам, однако модифицирующими присадками и постоянным перемешиванием в миксере может быть растянут.

Обратите внимание! После заполнения раствором форм или опалубки процесс связывания компонентов (схватывание) происходит в течении 3-х часов и тоже может быть изменено добавками, технологией и внешней средой. Процесс набора заявленной прочности бетона достигает 28 дней, но твердение цемента не прекращается и длится годами.

Прочность цемента

Одно из основных свойств вяжущего – прочность, характеризуемая классом по новому ГОСТу 31108-2016, и маркой – по старому нормативу. Этот показатель определяется пределом прочности при сжатии стандартных образцов. Класс показывает давление, выраженное в МПа, марка – в кгс/см3.

В соответствии с новым стандартом выпускаются цементы следующих классов (марок):

  • В22,5 (М300);
  • В32,5 (М400);
  • В42,5 (М500);
  • В52,5 (М600).

Для цементов разных классов испытания проводят через 2, 7, 28 суток после изготовления образца. На этот показатель влияют: минералогический состав, наличие активных добавок, их свойства и процентное содержание.

Производители в паспорте обязаны указывать максимальную прочность вяжущего, определяемую в возрасте 28 дней.

Какое свойство цемента оказывает влияние на сроки схватывания

Сроки схватывания цемента

Сроки схватывания определяются испытанием цементного теста нормальной густоты. Стандартные значения: начало процесса схватывания не раньше, чем через 45 минут, и его окончание не позже, чем через 12 часов после заливки строительной смеси или раствора. Слишком быстрое и слишком медленное схватывание является недостатком этого стройматериала. В первом случае требуется очень быстрая укладка приготовленного раствора. Во втором – сильно замедляются сроки строительства.

На сроки схватывания теста влияют:

  • Тонкость помола. Чем тоньше помол, тем выше прочность цемента, скорость его схватывания и твердения.
  • Минералогический состав. Чем выше процентное содержание трехкальциевого алюмината, тем быстрее схватывается вяжущее, затворенное водой.
  • Степень обжига. Чем выше температура термической обработки, тем медленнее схватывание.
  • Водоцементное соотношение. Чем оно выше, тем медленнее протекает процесс схватывания.
  • Температура окружающей среды. Чем она выше, тем быстрее схватывается цемент.

Основные стадии затвердевания

Используя специальные добавки, можно замедлить или ускорить процесс затвердевания раствора, а также придать ему дополнительные технические характеристики.

Итак, многие знают, что процесс затвердевания цементного раствора условно подразделяется на два основных момента. Это схватывание и твердение.

Что касается стадии схватывания, то длится она недолго, примерно 24 часа после того, как смесь приготовлена. Самым важным фактором, влияющим на время схватывания, является температура воздуха:

  • если температура воздуха соответствует значению в 20 градусов, это означает, что цементный раствор будет схватываться где-то через два часа после того, как произведено замешивание. А окончательное схватывание произойдет спустя три часа. Это говорит о том, что весь рассматриваемый процесс займет всего один час;
  • в случае, когда температура является близкой к 0 градусов, этот же самый процесс может затянуться и по продолжительности составить около 20 часов. Обусловлено это тем, что схватывание, точнее его начало, будет происходить только по прошествии времени от 6 до 10 часов.

Еще одним важным фактором, влияющим на скорость процесса схватывания, являются специализированные добавки, которые либо ускоряют реакцию, либо замедляют ее.

Застывание цемента: рис. а) – повышение прочности цемента в зависимости от времени; рис. б) – взаимодействие цемента с водой: 1 – зерна цемента; 2 – вода; 3 – гидратные новообразования; 4 – воздушные поры.

Не забудьте, что все время схватывания раствор цемента сохраняет подвижность. Иначе говоря, он все еще поддается различным воздействиям. А осуществление каких-либо действий с еще не схватившимся цементом увеличивает период первоначального процесса (схватывания).

Следующая стадия, характерная для бетонных растворов – твердение. Она наступает сразу же после окончания первой стадии (схватывания). Можно считать, что этот процесс может тянуться в течение нескольких лет.

Срок, например, 28 суток, указанный в инструкции, говорит лишь о том, что на этот период времени гарантируется достижение определенной марки бетона. Первые несколько дней твердения бетона отличаются динамичностью и нелинейностью. Чтобы понять причину этой особенности, необходимо изучить данные, описывающие процесс гидратации.

Изменение объема цемента при твердении

Процесс твердения затворенных водой цементов сопровождается изменением объема получаемого продукта. В соответствии с нормативом лепешки, изготовленные из цемента после его затворения водой, при испытании кипячением должны изменять объем равномерно. Если вяжущее не соответствует требованиям ГОСТа, то использовать его опасно, поскольку в конструкции возникнут напряжения, которые могут привести к ее разрушению.

Читайте так же:
Смешивают ли керамзит с цементом

Портландцемент при твердении на воздухе отличается небольшими усадочными процессами. Если же клинкер содержит большое количество свободных оксида кальция и оксида магния, то в процессе их гашения водой происходят локальные изменения объема цементного продукта, что приводит к образованию в нем трещин.

Особенности реакции, как влияют компоненты

Основой цемента любой марки составляют 4 минеральных соединения в разных пропорциях входящие в строительную смесь:

  • C3S трёхкальциевый силикат;
  • C3A трёхкальциевый алюминат;
  • C2S двухкальциевый силикат;
  • C4AF четырёхкальциевый алюмоферрит.

Любой из них вступая в контакт с водой по-своему влияет на химический процесс в отдельных временных отрезках нелинейного графика превращения раствора в каменный монолит.

Трехкальциевый силикат C3S активно участвует в процессе кристаллизации раствора в монолит на всем его протяжении. Эта химическая реакция носит изотермический характер, и соединение C3S с водой обеспечивает выделение тепла при замесе, затем снижение нагрева при перемешивании. В период схватывания энергия выделяется интенсивно и в дальнейшем, на этапе нормального твердения, 28 суток постепенно снижается.

Трехкальциевый алюминат C3A отвечает за процесс схватывания раствора. Именно его взаимодействие с водой приводит к выделению тепла при схватывании в первое время после заливки. По мере набора прочности активность минерала слабеет, и он прекращает работу.

Двухкальциевый силикат C2S включается в работу при выходе процесса нормального твердения на финиш (90% набора прочности бетона), то есть примерно через месяц соединения цементной смеси с водой. Его действие продолжает укреплять изделия из бетона после достижения заявленной прочности. Введение пластификаторов в смесь может сократить месячный промежуток времени и заставить работать этот компонент раньше без потери качества.

Четырехкальциевый алюмоферрит C4AF работает как катализатор на финишном отрезке твердения бетона. Взаимодействуя с водой, двухкальциевым силикатом C2S, а также модифицирующими добавками он существенно улучшает характеристики бетона.

Гидратация цемента — это длительный процесс взаимодействия его с водой, каждый ингредиент в нем играет основную роль на своем отрезке времени.

Водоцементное соотношение

Для нормального протекания процессов гидратации цемента и придания раствору необходимой подвижности требуется соблюдать оптимальное водоцементное соотношение (водопотребность). Водопотребностью цемента называют минимальное количество воды, которое обеспечивает получение цементного теста нормальной густоты. Нормальной густотой называют консистенцию, при которой пестик Тетмайера опускается в продукт на глубину, установленную нормативами.

Минимальной водопотребностью обладает портландцемент – 24-28 %. Снизить этот показатель, сохранив требуемую пластичность смеси или раствора, можно введением специальных добавок – пластификаторов. Водопотребность пуццолановых цементов при наличии в них добавок осадочного происхождения составляет 35-40 %.

Какое свойство цемента оказывает влияние на сроки схватывания

Водоотделение цементного теста

Водоотделением называют отжим воды в цементном тесте из-за гравитационного действия цементных частиц и зерен крупного и мелкого заполнителей. Вода может выступать на поверхности цементного продукта, между слоями послойно укладываемого бетона, внутри бетонного элемента вокруг заполнителей и арматуры. Наличие таких пленок воды внутри конструкции приводит к расслаиванию и снижению прочности строящегося объекта.

Снизить водоотделение и расслаивание раствора или смеси позволяют:

  • доставка специальных готовых цементно-песчаных растворов и бетонов к месту строительства специальным транспортом;
  • соблюдение технологии укладки смесей и растворов;
  • снижение водоцементного соотношения с помощью применения пластификаторов;
  • введение ряда добавок – трепела, глины, бетонита.

Тепловыделение цемента в процессе твердения

Процессы гидратации цемента сопровождаются выделением тепла, которое характеризуется абсолютным выделением тепла и ходом тепловыделения во времени. Медленное выделение тепла не оказывает отрицательного влияния на технические характеристики строительной конструкции. Цементы, у которых процесс гидратации протекает быстро, со значительным повышением температуры, не рекомендуется использовать при строительстве массивных сооружений из-за температурных перепадов внутри и снаружи бетонного элемента. В этом случае возникают значительные внутренние напряжения, которые становятся причиной образования трещин в бетоне.

Цементы, процессы гидратации которых сопровождаются значительным и интенсивным выделениям тепла:

  • с высоким содержанием трехкальциевых силикатов и алюмината;
  • содержащие значительное количество стекловидной фазы.

Значительное выделение тепла – процесс, желательный при зимнем строительстве.

Как повлиять на время высыхания цемента М-500

Для того, чтобы затвердевание цемента происходило в виде постепенного набора прочности, создайте соответствующие условия. Если стройка проводится на морозе, влага из раствора замерзнет, и процесс схватывания замедлится в 3-4 раза.

Срок затвердевания в 2 часа действителен при температуре +20 градусов и относительной влажности воздуха 60%. Для того, чтобы схватывание произошло не только быстро, но и качественно, рекомендуется защитить цемент от прямого воздействия солнечных лучей. Время от времени слой цемента нужно увлажнять, чтобы из-за быстрого испарения влаги он не потрескался.

Когда цемент высох, и начался набор прочности, смачивайте его:

  1. Влажной соломой;
  2. Влажными опилками;
  3. Мокрой тканью или пленкой.

Цемент М-500 отличается высокой маркой прочности, поэтому есть хорошая новость: его высыханию мало что может помешать или навредить. Ведь существует аксиома, что чем выше марка прочности цемента, тем более он устойчив к факторам окружающей среды в ходе схватывания.

Так что в этом случае волноваться следует только за правильность пропорции смешивания сухого цемента с водой. Ведь сцепление напрямую зависит от того, как проходит реакция частиц цемента с водой.

Если раствор густой, при температуре +20 градусов он высохнет и за час. Если более жидкий (тощий), высыхание достигает 3-х часов. Влияя на концентрацию воды в растворе, Вы влияете на скорость высыхания.

Коррозионная стойкость цементного камня

Ученые разделяют это понятие на химическую и физическую коррозионную стойкость. Первый показатель характеризует химическую устойчивость компонентов вяжущего к корродирующим агентам. Это свойство улучшают ограничением содержания в цементе оксида алюминия и трехкальциевого силиката. Физическую коррозионную стойкость повышают снижением пористости получаемого продукта на основе цемента, уменьшением радиуса его пор и гидрофобизацией их поверхности.

Твердение портландцемента

Твердение портландцемента называется процесс происходящий при затворении портландцемента водой, во время которого образуется пластичное клейкое цементное тесто, постепенно густеющее и переходящее в камневидное состояние.

Читайте так же:
Подсчет цемента для стяжки

Теория твердения портландцемента развивается на базе основополагающих работ Ле-Шателье, Михаэлиса, А.А. Байкова, П.А. Ребиндера и других выдающихся ученых.

Цементное тесто приготовленное путем смешивания цемента с водой имеет три периода твердения.Вначале, в течение 1-3 ч после затворения цемента водой, оно пластично и легко формуется. Потом наступает схватывание, заканчивающееся через 5-10 ч после затворения. В это время цементное тесто загустевает, утрачивая подвижность, но его механическая прочность еще не велика.Переход загустевшего цементного теста в твердое состоянии означает конец схватывания и начало твердения, которое характерно заметным возрастанием прочности. Твердение бетона при благоприятных условиях длится годами-вплоть до полной гидратации цемента.

Читай также технические характеристики портландцемента

При твердении портландцемента происходит ряд весьма сложных химических и физических явлений. Каждый из минералов при затворении водой реагирует с ней и дает различные новообразования. Все процессы взаимодействия отдельных клинкерных минералов с водой протекают одновременно, налагаются один на другой и влияют друг на друга. Получившиеся новообразования могут в свою очередь взаимодействовать как между собой, так и с исходными клинкерными минералами и давать новые соединения.

Все это создает трудности при изучении твердения портландцемента. Типичными реакциями для твердения портландцемента и других вяжущих веществ являются реакции гидратации, протекающие с присоединением воды. Они могут идти без распада основного вещества или сопровождаться его распадом (реакции гидролиза).

Процесс твердения портландцемента в основном определяется гидратацией силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция.
Взаимодействие C3S с водой при комнатной температуре происходит при полной гидратации:

Поскольку жидкая фаза твердеющей системы быстро и полностью насыщается оксидом кальция, полагают, что вначале образуется гидросиликат кальция C2SH2, который по мере выделения извести в твердую фазу переходит в CSH(B). Этому способствует также переход в раствор щелочей, снижающих в нем концентрацию извести.

Низкоосновные гидросиликаты кальция относятся к серии CSH(B). По структуре они близки к природному минералу тобермориту состава С: S = 0,8, и их называют тоберморитоподобными фазами. Гидратация β — C2S в тех же условиях идет по приведенной схеме, причем известь выделяется в меньшем количестве. Взаимодействие С3А с водой протекает с большей скоростью при температуре затворения 21 °С и значительном выделении тепла:

C3AH6 является единственно устойчивым соединением из всех гидроалюминатов кальция.Трехкальциевый алюминат при взаимодействии с водой в присутствии двуводного гипса, гидратируясь при обычных температурах, образует комплексные соединения, трисульфогидроалюминат кальция (эттринит):

3CaO·Al2O3+3CaSO4·2H2O+26H2O=3CaO·Al2O3 x 3CaSO4·32H2O;
который предотвращает дальнейшую быструю гидратацию С3А за счет образования защитного слоя и замедляет (до 3…5 ч) первую стадию процесса твердения — схватывание цемента. Вместе с тем добавка гипса ускоряет процесс твердения цемента в первые сроки гидратации.
Алюмоферритная фаза, представленная в обыкновенных портландцементах четырехкальциевым алюмоферритом (C4AF), в условиях гидратации портландцемента, т. е. насыщенного известью раствора, при нормальной температуре взаимодействует с водой стехиометрически:

4СaO·Al2O3·Fe2O3+2Ca(OH)2+10H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+3CaO·Fe2O3·6H2O.
В результате образуются весьма устойчивые смешанные кристаллы С3(АF)Н6. Кроме описанных химических преобразований, протекающих при твердении цемента, большое значение имеют физические и физико-химические процессы, которые сопровождают химические реакции и приводят при затворении водой к превращению цемента сначала в пластичное тесто, а затем в прочный затвердевший камень.

Изучению химических и физических преобразований твердеющего цементного теста было посвящено много работ. Значительный вклад в развитие теории твердения цемента внесли выдающиеся советские ученые А. А. Байков, П. А. Ребиндер и др. В современном представлении механизм и последовательность процессов твердения могут быть представлены следующим образом.
После добавления к цементу воды образуется раствор, который пересыщен относительно гидроксида кальция и содержит ионы:

Сa 2+ , SO4 2- , OH — , Na + , K + .
Из этого раствора в качестве первичных новообразований осаждаются гидросульфоалюминат и гидроксид кальция. На этом этапе упрочнения системы не происходит, гидратация минералов носит как бы скрытый характер. Второй период гидратации (схватывание) начинается примерно через час с образованием вначале очень тонких кристаллов гидросиликатов кальция.

Гидросиликаты и гидросульфоалюминаты кальция растут в виде длинных волокон, пронизывающих жидкую фазу в виде мостиков, заполняющих поры. Образуется пористая матрица, которая постепенно упрочняется и заполняется продуктами гидратации. В результате подвижность твердых частиц снижается и цементное тесто схватывается. Такая первая высокопористая с низкой прочностью структура, обусловливающая схватывание, состоит главным образом из продуктов взаимодействия с водой С3А и гипса.

В течение третьего периода (твердения) поры постепенно заполняются продуктами гидратации клинкерных минералов, происходит уплотнение и упрочнение структуры цементного камня в результате образования все большего количества гидросиликатов кальция. В конечном виде цементный камень представляет собой неоднородную систему — сложный конгломерат кристаллических и коллоидных гидратных образований, непрореагировавших остатков цементных зерен, тонкораспределенных воды и воздуха. Его называют иногда микробетоном.

Свойства и формирование структуры цементного теста

Путем тщательного смешения цементного порошка с водой получают цементное тесто; оно представляет собой концентрированную водную суспензию, обладающую характерными свойствами структурированных дисперсных систем: прочностью структуры, структурной и пластической вязкостью, тиксотропией.

Цементное тесто до укладки бетонной смеси и начала схватывания имеет в основном коагуляционную структуру, в нем твердые частицы суспензии связаны ван-дер-ваальсовыми силами и сцеплены вследствие переплетения гидратных оболочек, покрывающих частицы.

Структура цементного теста разрушается при механических воздействиях (перемешивание, вибрирование и т. п.), вследствие этого резко падает предельное напряжение сдвига и тесто с предельно разрушенной структурой, подобно вязкой жидкости, заполняет форму. Переход теста в текучее состояние имеет тиксотропный характер, т. е. после прекращения механических воздействий структурные связи в системе вновь восстанавливаются.

Структурно-механические свойства цементного теста возрастают по мере гидратации цемента. Например, предельное напряжение сдвига цементного теста, по данным Е. Е. Сегаловой и др., измеренное после его изготовления, составило 0,01 МПа; к началу схватывания оно возросло до 0,15 МПа (т. е. в 15 раз), а к концу схватывания достигло 0,5 МПа (увеличилось в 50 раз). Следовательно, цементное тесто отличается способностью быстро изменять реологические свойства в течение 1 — 2 ч.

Читайте так же:
Цемент 50 кг m400

Формирование структуры цементного теста и прочности происходит следующим образом. Первыми элементами структуры, образующимися после смешивания цемента с водой, являются эттрингит, гидрат окиси кальция и иглы геля CSH, растущие из частиц клинкера. Присутствие эттрингита в виде коротких гексагональных призм обнаружено уже через 2 мин после затворения цемента водой, а спустя несколько часов появляются зародыши кристаллов Са(ОН)2.

Частицы геля гидросиликата, имеющие первоначально игольчатую форму, продолжая расти, ветвятся, становятся древовидными. Образование дендритных форм является одной из причин соединения частиц геля гидросиликата в агрегаты, имеющие характерную форму «снопов пшеницы» или в виде плотно агломерированных листков. Тонкие слои геля получаются и между кристаллами Са (ОН)2, образуя с ними сросток, упрочняющий цементное тесто.

Рисунок-1. Процесс гидратации цемента и развитие структуры цементного теста во времени (по Лохеру и Рихартцу):

 Процесс гидратации цемента и развитие структуры цементного теста во времени

1 — Са(ОН)2; 2 — эттрингит; 3а — гидросиликаты кальция, длинные волокна; 3б — то же, короткие волокна; 4 — 3CaO·Al2O3·CaS04· 12H2O; 5 —4Са0·Аl2Oз ·13Н20; 6 — кривая изменения объема пор; I — неустойчивая структура; II — формирование основной структуры; III — конденсация структуры и получение устойчивой структуры.

На рисунке-1 схематично показано развитие структуры цементного теста. Первичная структура представляет собой малопрочный пространственный каркас из дисперсных частиц продуктов гидратации, связанных ван-дер-ваальсовыми силами; ‘переплетение гидратных оболочек, образованных на частицах адсорбированной водой, тоже удерживает частицы друг около друга. Хотя прочность первичной структуры невелика, подвижность твердых частиц все же снижается, и цементное тесто загустевает. К концу периода схватывания формируется основная структура цементного теста, которое превращается в цементный камень.

Структура цементного камня в значительной степени определяется механизмом его гидратации. В результате взаимодействия цемента с водой образуются «внутренние» продукты гидратации в пространстве, первоначально занятом цементными зернами, и «внешние» продукты гидратации, заполняющие пространство, первоначально занятое водой.

Количество внутреннего гидросиликата кальция намного больше, чем внешнего CSH. Внутренний гидросиликат получается в результате топохимической гидратации алита и белита, т. е. путем непосредственного присоединения воды к твердой фазе. Внутренний гидросиликат имеет тонкую и плотную структуру; отношение CaO/SiO2 может быть от 0,5 до больших величин по Тейлору.

Внешние продукты гидратации образуются через растворение вне зерен цемента и состоят из небольшого количества внешнего гидросиликата, крупных кристаллов Са(ОН)2 и эттрингита.

Рисунок-2. Основные структурообразующие фазы цементного камня (твердение портландцементного теста в воде при 20°С, В/Ц=0,35, в течение 28 сут) по А. Ф. Щурову:

1- х 6000 и 2- х 10000-гель C-S-H;3-х 2400 и 4-х6000-портландит Ca(OH)2,сросшийся с гелем С-S-H

На рисунке-2 можно видеть основные фазы портландцементного камня. Частицы геля гидросиликата (кристаллиты) представляют собой субмикрокристаллические тонкие пластинки («фольгу») из двух-трех структурных слоев; толщина каждого слоя — около 6 А, а диаметр частицы — менее 100 А.

Следовательно, твердая фаза в гидратированном цементе находится в состоянии весьма сильного раздробления. Удельная поверхность портландцемента составляет 0,3 — 0,45 м2/г; в процессе гидратации происходит диспергация цемента и удельная поверхность твердой фазы возрастает в 100 — 200 раз. Например, удельная поверхность цементного камня, изготовленного с водоцементным отношением 0,6, после 512 сут твердения при 100%-ной влажности была равна 782 м2/г (при гидратации 91% цемента).

Клеящая способность цементного теста зависит от дисперсности твердой фазы: она повышается по мере гидратации цемента, т. е. при превращении все большего количества цемента в гель. Однако удельная поверхность самого геля гидросиликата значительно уменьшается при высушивании, что видно из опытных данных.

Цементный камень , изготовленный из раствора с В/Ц = 0,4, имел в возрасте 514 сут (при гидратации 86% цемента) удельную поверхность (м2/г): 708 — при 100%-ной, 330 — при 50%-ной и 189 — при 12%-ной относительной влажности. Укрупнение частиц новообразований при сильном высушивании не только снижает клеящую способность гидратированного цемента, но и повышает его хрупкость.

Все эти исследования говорят о необходимости ухода за бетоном, предотвращающего его раннее высушивание, а также о создании соответствующих влажностных условий при тепловой обработке железобетонных конструкций.

Структура цементного камня на портландцементе

В процессе твердения вяжущего вещества различает три периода:

1) период растворения, или подготовительный период, характеризующийся растворением весьма малой части вяжущего вещества, химически прореагировавшей с водой и растворившейся до образования насыщенного раствора;

2) период коллоидации, или схватывания, особенностью которого является высокая степень раздробления тонкомолотых частиц с превращением их в коллоидные частицы и образованием своеобpазного минерального клея;

3) период кристаллизации, или твердения, характеризующийся переходом вяжущего вещества из менее устойчивого и более растворимого коллоидно-дисперсного состояния в более устойчивое и менее растворимое кристаллическое состояние.

В свете представлений о структурообразовании, общую схему твердения вяжущих веществ, (растворение — коллоидация — кристаллизация), между стадиями коллоидации и кристаллизации может быть введена промежуточная стадия — кристализации структурообразование. Причем коагуляционная прочность есть не что иное, как прочность схватывания. Иными словами, процесс схватывания представляет собой коагуляционное структурообразование, на основе которого развивается последующее твердение, вызываемое перекристаллизацией коллоидных (коагуляционно-структурировапных) систем.

У продуктов гидратации трехкальциевото силиката и у продуктов гидратации двухкальциевого силиката отчетливо видны одинаковые кристаллики пластинчатой формы, которые склонны к образованию устойчивых кристаллических агрегатов. После поглощения воды кристаллический сросток разрушается по плоскостям наименьшего сопротивления. Плоские обломки первоначального кристаллического сростка накапливаются в воде, сцепляются друг с другом, образуют цепочечные структуры и кладут начало твердению цемента. Со временем количество кристаллов гидрата двухкальциевого силиката увеличивается и благодаря удалению части воды связи между ними упрочняются. Увеличение сцепления между мельчайшими плоскими кристалликами гидрата двухкальциевого силиката приводит к росту -прочности затвердевшего цемента.

Структуре цементного камня рассматривается как кристаллический сросток, образуемый при гидролизе трехкальциевото силиката и четырехкальциевого алюмоферрита из отщепляемого гидрата окиси кальция, а также при гидратации трехкальциевого алюмината, кристаллизующегося изоморфно. Межкристаллическое пространство заполняется гелевой составляющей, получаемой при гидратации двухкальциевого силиката и частично однокальциевого феррита.

Читайте так же:
Основные сырьевые материалы для производства глиноземистого цемента

Со структурной точки зрения затвердевший цементный камень представляет собой микроскопически неоднородную систему, состоящую из кристаллических и коллоидных образований (переходящих затем в микрокристаллические агрегаты), не затронутых еще водой ядер цементных зерен, пленок воды и воздуха. Такая точка зрения на структуру цементного камня позволяет найти новые пути в изыскании специальных свойств ( жароупорных) затвердевшего цемента.

Помимо указанных процессов, на наружных поверхностях идет ещё процесс карбонизации гидрата окиси кальция под влиянием угликислоты воздуха с образованием при этом углекислого кальция

Рассматривая структуру цементного камня, необходимо обратить внимание на одно существенное обстоятельство, влияющее на формирование затвердевшего цемента — уменьшение абсолютного объема в системе цемент—вода при твердении. Уменьшение объема этой системы не сопровождается сокращением внешнего объема,следовательно, в результате контракции в цементном камне образуется система пор и каналов. Это понижает плотность бетона и степень его непроницаемости.

Большое влияние на структуру цементного камня оказывает также количество воды, взятой для затвердения. Известно, что в гидратированном портландцементе химически связана лишь часть воды, употребленной при затворении, значительная же часть воды находится в свободном или полусвободном состоянии.

Некоторые исследователи принимают за химически связанную ту воду, которая остается в цементном камне после сушки его до 110°. Часть воды адсорбируется на поверхностях гелей. Она не входит в химически соединения и не может быть удалена обычным высушиванием при 110°. Ее рассматривают как полусвободную в отличие от химически связанной и свободной, удаляемой нагреванием при 110°.

В действительности существующая терминология и классификация воды по степени связанности с цементом в научном отношении страдают серьезными недостатками. Границы между химическим и физическим состоянием связываемой воды условны.

а) в первый период твердения быстрогидратирующиеся клинкерные минералы интенсивнее связывают воду, чем медленногидратирующиеся;

б) скорость гидратации синтезированных цементов выше, чем отдельных клинкерных минералов, за исключением гидратации алюминатов в начальные сроки;

в) наблюдающаяся в начальные сроки большая разница в скорости гидратации синтезированных цементов разного минералогического состава со временем сглаживается.

Таким образам, можно считать установленным, что к 28-дневному возрасту твердения в нормальных условиях портландцемент среднего минералогического состава связывает примерно 15% воды, к 3 месяцам — 20% и при полной гидратации — около 25% по отношению к весу сухого цемента. Как правило, с повышением температуры присоединение воды цементом ускоряется, а с понижением, наоборот, замедляется.

Вводимое для затворения цемента избыточное количество воды, раздвигая частицы цемента с оболочками из продуктов гидратации, образует прослойки и скопления в толще цементного камня. На продолжающиеся процессы гидратации и высыхание постепенно расходуется вода и в цементном камне остаются пустоты, каналы и отдельные замкнутые поры. Такие пустоты образуются также за счет усыхания гелеобразных масс. При дальнейших развивающихся вглубь зерен цемента процессах гидратации накапливаются новые продукты гидратации, которые заполняют эти пустоты и уплотняют цементный камень.

Известно, что при твердении портландцемента часть извести не входит в состав новообразований, выделяясь в виде Са(ОН)2, что дает возможность судить о степени гидратации цемента.

В некоторых работах устанавливается возможность повышения жароупорных свойств портландцемента за счет применения тонкомолотых добавок (микронаполнителей), поэтому уместно кратко остановитъся на количественной характеристике выделяющегося гидрата окиси кальция при гидратации портландцемента.

К месячному сроку гидратации трехкальциевый силикат выделяет около 13% Са(ОН)2, а при полной гидратации — около 24% от общего веса навески. При полной гидратации двухкальциевый силикат выделяет сравнительно малое количество Са(ОН)2—1,18%. Остальные же клинкерные минералы в процессе гидратации совершенно не выделяют свободной Са(ОН)2. Больше того, ЗСаО∙Аl23 и 4СаО∙Аl23∙Fe23 при гидратации способны присоединять к себе известь.

Некоторые тонкомолотые добавки, как например обожженная глина, содержат большое количество активного глинозема, который, взаимодействуя с гидратом окиси кальция, образует при твердении значительное количество гидроалюмината кальция.

Особенностью структуры цементного камня пуццолановых портландцементов и шлако-портландцементов является наличие в них пуццоланических добавок или шлака и большая степень гидратации зерен портландцементного клинкера с соответственно большим количеством связанной воды. Так, количество связанной воды в затвердевших цементах с добавкой 25% трепелa, оказалось через 3 дня на 46%, а в цементах с добавкой 50% шлака на 36% больше, чем в том же цементе без добавки.

Второй особенностью цементного камня пуццолановых портландцементов является то, что при их твердении в первые сроки образуется, считая на клинкерную часть, большее количество свободной извести, чем при твердении портландцемента. В дальнейшем активная аморфная кремнекислота добавки вступает в реакцию с известью, образующейся при гидратации портландцемента, причем продуктом реакции является гидросиликат кальция. Так, например, через 6 месяцев твердения в цементе, содержащем 25% трепела, количество свободного Са(ОН)2 было в 2,1 раза меньше, а в шлако-портландцементе, содержащем 50% шлака, в 1,1 раза меньше, чем в том же портландцементе без добавок.

Практически введение в портландцемент тонкомолотых добавок широко применяется для улучшения свойств бетона и экономии портландцемента.

Особенно эффективным в отношении улучшения свойств цементов и бетонов является метод тепловлажностной обработки.

Наибольшая эффективность запарки достигается для цементов с более высоким содержанием двухкальциевого силиката и более низким содержанием трехкальциевого алюмината.

Пуццолановые портландцементы, содержащие добавки, богатые свободным глиноземом, при автоклавной обработке снижают прочность, которая прогрессирует с повышением содержания свободного глинозема в добавке.

Весьма существенное влияние на эффективность автоклавной обработки портландцемента с добавкой кварцевого песка и других кремнеземистых материалов оказывает природа этой добавки. Лучшие результаты получаются при введении добавки в виде кристаллической разновидности кремнезема (кварцевого песка). В меньшей степени прочность повышается при использовании кремнеземистых добавок, состоящих из аморфно-дисперсного кремнезема (опока).

При температуре 100—300° наибольшее увеличение прочности будут давать цементы с повышенным содержанием двухкальциевого силиката и четырехкальциевого алюмоферрита.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector