Вопрос №5: Виды портландцемента, как влияет структура на свойства цементного камня: прочность, морозостойкость, усадку, ползучесть.

Цемент – гидравлическое вяжущее вещество, один из главных строительных материалов. Цемент считается минеральным, поскольку для его изготовления используют исходные материалы минерального происхождения, и гидравлическим, потому что его отвердевание происходит в воде, а соединения, полученные в результате, водостойки.

Название " портландцемент" происходит от названия английского города Портланд: цвет материала схож по оттенку с цветом скал вокруг этого города.

Портландцемент, или силикатный цемент, пользуется высоким спросом. Исходный вид портландцемента – порошок серо-зеленого оттенка. Его особенность – тонкий помол клинкера с гипсом и возможность примешивания специальных добавок. Портландцементный клинкер характеризуется высоким содержанием силикатов кальция. Применение различных видов портландцемента зависит от целей и задач, поставленных при строительстве.

Портландцемент с умеренной экзотермией изготавливается на основе клинкера, в котором содержится не более 8% трехкальциевого алюминия. Доля силиката в таком цементе - около 50%. Этот вид портланцемента незаменим при возведении гидротехнических конструкций. В условиях, когда бетонные сооружения постоянно подвергаются воздействию воды разной температуры, такой вид цемента служит особено долго. Марка прочности портландцемента с умеренной экзотермией – 300-400.

Быстротвердеющий портландцемент применяется там, где необходимо схватывание материала в сжатые сроки. В его составе – высокий процент трехкальциевого алюминия и трехкальциевого силиката. Прочность этого вида цемента возрастает уже на первом этапе отвердевания – в первые сутки – трое после его применения.

Гидрофобный портландцемент отличается сложным составом. В него включают мылонафт (0, 1-0, 2%), асидол, синтетические жирные кислоты, окисленный петролатум и другие добавки. Такой состав смеси приводит к образованию особой оболочки, придающей частицам цемента повышенную прочность. Это особенно актуально при перевозке материала: оболочка препятствует коррозии цементного камня под влиянием высокой влажности, защищает материал при перепадах температур. Соответственно, и бетон, при изготовлении которого используют гидрофорбный портландцемент, обладает повышенной морозоустойчивостью и антикоррозийными свойствами. Если обычный бетон устойчив на протяжении 300 циклов попеременного оттаивания и замораживания, то бетон на основе гидрофорбного портландцемента выдерживает около 1000 таких циклов.

При изготовлении белого портландцемента применяют маложелезистый клинкер. Это позволяет получить не обычный серый цемент, а материал белого цвета, на основе которого путем добавления красящих пигментов получают разноцветные цементы. Они применяются при декоративном оформлении объектов и при изготовлении цветных бетонных дорожек.

Сульфатостойкий портландцемент отличается низким содержанием трехкальциевого алюмината (около 5%) и высоким – до 50% - содержанием силиката. При этом тепловыделение цемента напрямую зависит от процентного содержания сульфата: чем оно меньше, тем меньше тепловыделение. Сульфатостойкий цемент, как правило, имеет маркировку 300 и 400.

В состав пластифицированного портландцемента входит 0, 25% сульфитно-спиртовой барды. Это поверхностно-активное вещество дает возможность сократить расход материала, пластифицируя цемент. Бетонная смесь в этом случае получается пластичной. Кроме экономии строительного материала, это позволяет быстрее провести укладку бетона и повысить качество работы. Бетон, сделанный на основе пластифицированного цемента, имеет повышенные показатели морозоустойчивости.

Разнообразие видов специализированного цемента позволяет выбрать для каждого вида работ именно тот материал, который будет отвечать всем необходимым требованиям и даст возможность сократить расходы и одновременно достичь качественного результата.

Долговечность цементного камня - это способность цементного камня (т.е. застывшего цементного раствора) сохранять достаточный уровень строительно-технических и механических свойств при продолжительной эксплуатации. Исходя из термодинамической устойчивости продуктов твердения цемента, можно было бы сделать предположение о очень большой (сотни и тысячи лет) долговечности цементного камня, однако прямых доказательств такой стабильности цементного камня нет, поскольку изобретение портландцемента приходится лишь на 1824 г., а лабораторный прогноз долговечности точных подтверждений не может дать. Более того, существует большое число факторов, которые попросту трудно заметить, способствующих разрушению цементного камня при длительной эксплуатации, обусловленных, в первую очередь, его щелочной природой (рН> 12), а также наличие пористой структуры, проницаемостью в неё газов, воды и растворов, т.е. цементный камень склонен к химическому взаимодействию

с окружающей средой. Можно выделить различные факторы риска разрушения (ограниченной долговечности) цементного камня. К внутренним факторам, наряду со щелочной природой цементного камня, следует отнести возможность деформации цементного камня при высушивании и увлажнения, а также формирование недостаточно плотной (проницаемой) поровой структуры. Внешние факторы недолговечности исходят из конкретных условий эксплуатации (службы) цементного камня. Эти факторы могут быть причиной разрушения цементного камня при его многократном замораживании и оттаивании в насыщенном водой состоянии, а также в результате химической (сульфатной, углекислотной, щелочной) и биохимической коррозии (воздействие бактерий, грибков, мхов и т.п.). К факторам риска относятся также многократные нагревания (особенно выше 200°С) и охлаждения цементного камня, а также его попеременное увлажнение и высушивание, провоцирующие высолообразование. Проектирование долговечных конструкций на портландцементе основывается на необходимости получения прочного камня с низкой проницаемостью и защищённой от агрессивных воздействий поверхностью. Гарантированный срок службы такого материала, в зависимости от условий эксплуатации, может составить 50-100 лет и более.

Морозостойкость - способность цементного камня, находящегося в состоянии насыщенности водой, противостоять многократному попеременному замораживанию и оттаиванию. Критерием морозостойкости цементного камня является сохранение им после определённого количества циклов замораживания-оттаивания (25, 50, до 500 и более) исходной прочности: потери прочности при сжатии не должны превышать 5%, а потери массы - 3% (при стандартных базовых испытаниях бетона по ГОСТ 10060.1). Для определения морозостойкости, помимо прямого замораживания при (-15+ -20)°С и оттаивания образцов в воде при (+15-и-20)" С, применяют также ускоренные методы, основанные на использовании вместо воды раствора Na₂SO₄ и NaCl, и замораживание при температуре -50° С (ГОСТ 10060.2, ГОСТ 10060.4). Основным фактором устойчивости к замораживанию является структура пространства пор. При попадании воды в поры и понижении её температуры до точки замерзания образующийся лёд увеличивается в объёме примерно на 9%, что приводит к возникновению в структуре материала высоких механических напряжений и соответствующих им деформаций. Если все поры в материале будут заполнены водой, разрушение должно произойти уже после первого цикла замораживания. Повышение морозостойкости может быть обусловлено формированием в структуре определённого объёма пор, не заполняющихся водой, в которые отжимается часть воды при замораживании. В частности, при твердении цементного камня возникает система пор, заполненных паровоздушной смесью, так называемые «резервные поры», наличие которых и определяет морозостойкость цементного камня. Разрушение материала происходит тогда, когда объём «резервных пор», в которые может отжиматься вода, мал по сравнению с объёмом образующегося льда, или когда в результате многократно повторяющихся циклов замораживания все поры будут постепенно заполнены водой. Чем выше относительный объём «резервных пор» по сравнению с общим объёмом пор, заполненных водой, тем выше морозостойкость раствора, бетона. Основными источниками таких резервных пор являются поры C-S-H геля, а также контракционные поры, образовавшиеся в ходе гидратации и твердения цемента. Если объём этих пор оказывается недостаточным для достижения заданной морозостойкости бетонов и растворов, в их состав вводят специальные воздухововлекающие добавки, обеспечивающие дополнительное количество резервных пор. Применительно к сухим строительным смесям морозостойкость составов, предназначенных для работы в атмосферных условиях, например, фасадных, обеспечивается путём минимизации капиллярной пористости и формирования дополнительного количества «резервных пор» за счет:
-оптимизации гранулометрии заполнителя и наполнителя и соотношения цемент-заполнитель в составе смеси;
-минимизации величины В/Ц;
-применения высокоактивных быстротвердеющих цементов, обеспечивающих в ранние сроки твердения в цементном камне высокое содержание C-S-H геля;
-применения воздухововлекающих добавок.
Пористость цементного камня. Модель структуры цементного камня можно упрощённо представить как состоящую из трёх составляющих: непрореагировавших с водой полиминеральных частиц клинкера, продуктов гидратации цементных минералов - цементного геля (CSH-геля) и пор разного размера: пор геля и капиллярных пор, а также контракционных пор, образовавшихся из-за уменьшения суммарного объёма твердеющей системы: цемент-вода. Структура цементного камня включает также воздушные поры (пустоты), образовавшиеся при перемешивании цементного теста. Капиллярные поры различаются по форме и размеру, формируя на ранних стадиях гидратации взаимосвязанную систему, распределённую по объёму цементного камня. Капиллярные поры - это та часть общего объёма системы цемент-вода, которая не заполнена продуктами гидратации. Капиллярная пористость зависит от водоцементного отношения В/Ц исходной смеси и от степени гидратации цемента. Поскольку абсолютный объём продуктов гидратации в 1, 5-2 раза превышает объём входных негидратированных фаз, эти продукты занимают часть начального порового пространства, а по мере гидратации цемента объём капиллярных пор уменьшается. При достижении определённой степени гидратации цементный гель блокирует капиллярные поры в формируются структуре, поскольку средний размер микропор цементного геля 1, 5-2, 0 нм) на несколько порядков меньше размера капиллярных пор. Поры геля занимают около 28 % общего объёма цементного геля. Размеp капиллярных пор находится в широких пределах - от десятков нанометров до 100 мкм и более, а объём капиллярных пор может достигать 40 % и более в зависимости от В/Ц, характеристик цемента (фазового состава, дисперсности), степени гидратации цементных минералов, условий твердения и т.д. Капиллярная пористость цементного камня тем больше, чем выше начальное значение В/Ц и чем меньше степень гидратации активных фазовых составляющих цемента. Во всех случаях, в ходе гидратации цемента значение общей и капиллярной пористости цементного камня снижается, а капиллярные поры замещаются микропорами геля и порами, образующимися вследствие химической усадки (контракции).
Усадка цементного камня - это естественное свойство цементного камня, выражающееся в уменьшении его объема и массы. При первичной потере влаги цементным образцом необратимые деформации усадки составляют 30-50 % от общей усадки. При последующем переменном увлажнении и высыхании наблюдаются обратимые знакопеременные деформации усадки-набухания. При усадке в пределах до 0, 2-0, 6% в цементном камне нет видимых трещин, при больших деформациях наблюдаются характерные усадочные трещины, свидетельствующие о нестойкости цементного камня. Усадку цементного камня связывают со следующими явлениями: при относительной влажности 45-90% преобладают вызывающие усадку напряжения, связанные с испарением воды из капилляров определённого размера, при относительной влажности менее 20% и удалении адсорбированной воды преобладает эффект поверхностного сжатия твёрдой фазы. Другой составляющей усадки при высыхании цементного камня является нарушение ион-дипольного взаимодействия при удалении молекул воды как из пространства между частицами, так и потеря межслоевой воды C-S-H гелем. Основные факторы, влияющие на величину усадки цементносодержащих материалов при высыхании, следующие:
-повышенное количество цемента в растворах и бетонах;
-усадка в большей степени проявляется при твердении и службе изделий в условиях повышенных температур и низкой относительной влажности;
-цементы особотонкомолотые (S> 500 м2/кг) проявляют большую склонность к усадке;
-увеличение значения В/Ц при прочих равных условиях приводит к росту усадочных деформаций;
-минералогический состав клинкера незначительно влияет на усадочные деформации, хотя имеется тенденция к увеличению деформаций при переходе к высокоалюминатным цементам и особенно к цементам белитового состава;
-увеличенные деформации раствора (бетона) наблюдаются при повышенном содержании в их составе тонкодисперсных наполнителей (зол, шлаков, минеральных наполнителей). Усадка при высыхании может быть существенным недостатком и требует регулирования и контроля для многих видов сухих строительных смесей: шпатлёвок, затирок, смесей для устройства полов.