Структура цементного геля и камня. Виды пор в цементном камне. Зависимость общей пористости от величины водоцементоного отношения.

портландцемент даже при полной гидратации при обычной температуре химически связывает до 5—27 % по массе. Обычно и при длительном твердении в течение десятков лет степень гидратации обычных цементов не превышает 80—90 %, поэтому 30—50 % воды, вводимой в цементное тесто, лишь частично химически взаимодействует с цементом и входит в твердую фазу.

Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что основная масса новообразований при взаимодействии цемента с водой возникает в виде гелевидных масс, состоящих преимущественно из субмикроскопических кри-сталлитных частичек гидросиликатов кальция. В общей гелевидной массе размещаются также и непрореагировавшие остатки цементных зерен и относительно крупные кристаллы гидроксида кальция и некоторых других новообразований

Расчеты показывают, что при полной гидратации трехкальциевого силиката образуется около 60 % гидросиликатов типа CSH(B) и до 40 % Са(ОН)2, при гидратации же C2S тех же соединений образуется соответственно 82 и 18 % по массе. Эти цифры дают известное представление о соотношении в затвердевшей массе гелевидной и крупнокристаллической фаз. Вместе с тем следует еще раз подчеркнуть, что и те частички, которые слагают гель, характеризуются полукристаллической структурой, однако исключительно высокая дисперсность обусловливает их коллоидные свойства.

Таким образом, тесто, представляющее собой вначале пластичную смесь клинкерных частичек, воды и небольшого количества вовлеченного воздуха, в результате твердения превращается в прочный цементный камень, являющийся трехфазной системой (твердая фаза — вода — воздух) и характеризующийся капиллярно-пористым строением.

Цементный камень включает:

непрореагировавшую часть клинкерных зерен, содержание которых с течением времени уменьшается;

гель, состоящий из частичек гидратных новообразований размером 5—20-Ю-3 мкм и более и гелевых пор. по Т. Пауэрсу, составляет 0, 28 общего объема геля с порами. Это составляет 0, 28/(1—0, 28) =0, 39 объема твердой фазы геля. При твердении цемента при повышенных температурах под давлением объем гелевых пор, по данным Д. Рой, может уменьшаться до 0, 22. Объем пор между частицами гидратных новообразований других вяжущих может значительно отличаться от тех, какие свойственны цементному камню. Так, минимальный объем.пор в гипсовом камне, образующемся при взаимодействии полуводного гипса с водой, составляет 0, 15—0, 17 объема твердой фазы двугидрата с порами (при условии твердения системы без набухания);

относительно крупные кристаллы таких новообразований, как Са(ОН)2, видимые в микроскоп и не обладающие свойствами коллоидов;

капиллярные поры размером в поперечнике от 0, 1 до 20 мкм;

сферические воздушные поры размером от 50— 100 мкм до 2 мм; они образуются в небольшом количестве (2—5 %) вследствие вовлечения воздуха при изготовлении теста.

Объемы непрореагировавшей части цемента, гелевых и капиллярных пор в значительных пределах изменяются во время твердения цемента. твердения цемента объем капиллярных пор уменьшается, так как они заполняются гидратными новообразованиями. В зависимости от количества воды, введенной в тесто или в бетон при их изготовлении (В/Ц), а также от продолжительности твердения объем капиллярных пор в цементном камне колеблется в широких пределах — от 0 до 40 % и более. Таким образом, цементный камень характеризуется сложной тонкопористой структурой,

Объем пор определяют различными приемами —насыщением жидкостями, отсасыванием воздуха из пор и др. Распределение пор по размерам устанавливают методами капиллярной конденсации паров воды, ртутной по-рометрни при высоком (до 130 МПа) и низком (до 0, 1 МПа) давлении, вытеснением газом жидкости из капилляров, оптической микроскопией.

Основной объем пор (70—80 %) в цементном камне месячного возраста обычно занимают капилляры диаметром меньше 1 мкм. Дифференциальные кривые распределения пор по размерам характеризуются наличием максимумов в пределах 0, 01—0, 1 мкм.

Рассматриваемая структура цементного камня обусловливает его исключительно высокую водонепроницаемость. Так, цементный камень, полученный из теста с В/Ц& 0, 4...0, 45, характеризуется примерно такой же водонепроницаемостью, что и плотный естественный камень с объемом пустот до 2—3 %. Это объясняется огромным сопротивлением прохождению молекул воды через тончайшие микрокапилляры. Увеличение В/Ц до 60 % и более приводит к резкому росту водопроницаемости затвердевшего цемента. В десятки раз повышается водопроницаемость камня и после его высыхания. Последующее же водонасыщение не обеспечивает полного восстановления начальной непроницаемости, по-видимому, вследствие необратимых усадочных процессов, нарушающих тонкую капиллярную структуру цементного камня.

Важно отметить большое влияние на свойства цементного камня сферических пор, образующихся в результате вовлечения воздуха при изготовлении теста и размещающихся в общей массе новообразований. Они являются или замкнутыми, или сообщающимися с капиллярами.