Определение качества цемента. Под водопотребностью вяжущего вещества понимают то количество воды, которое необходимо ввести в него для получения теста с так называемой нормальной густотой.
Нормальной густотой цементного теста условно называется такая консистенция, при которой пестик погружается в него на определенную, нормированную ГОСТ 310 - 60 глубину. Водопотребность цемента при получении теста нормальной густоты равна количеству воды, рассчитанному в процентах от веса цемента. Водопотребность портландцементов колеблется обычно в пределах 24 - 28 . Следует отметить, что это иногда больше необходимого для прохождения реакций гидратации клинкерных минералов. В результате вводимая в тесто избыточная вода подвышает пористость цементного камня, что отрицательно сказывается на его прочности.
Поэтому при прочих равных условиях, чем меньше Водопотребность вяжущего вещества, тем выше его качество. Портландцемент относится к вяжущим веществам с наиболее низкой водопот -ребностью. Водопотребность строительного гипса достигает, например, 50 -70 , а пуццоланового портландцемента - 35 - 40 при добавках осадочного происхождения. Водопотребность портландцемента зависит от многих факторов и, в частности, от его минералогического состава.
Чем больше в нем алюминатов кальция, тем она выше. Более тонкое измельчение также несколько увеличивает ее. Этому способствует также введение таких материалов, как трепел, диатомит и другие активные добавки осадочного происхождения, даже в количестве 10 - 15 . Водопотребность цементов можно регулировать в значительных пределах с помощью добавок поверхностно-активных веществ ПАВ . Они оказывают разжижающее действие. В качестве ПАВ чаще всего применяют сульфитно - спиртовую барду и сульфитно-дрожжевую бражку, а также их производные, абиетат натрия и многие другие материалы.
ПАВ в количестве 0,1 - 0,3 вводят в цементы при помоле, причем получают так называемые пластифицированные портландцементы. Их можно добавлять и при изготовлении растворных и бетонных смесей. Большое практическое значение при использовании вяжущих веществ имеет скорость их схватывания и твердения. Схватыванием называется процесс, при котором относительно подвижная смесь цемента с водой постепенно густеет и приобретает такую начальную прочность, при которой ее механическая переработка становится практически затруднительной и даже невозможной в конце схватывания. Поэтому вяжущие вещества, в том числе и цементы, должны характеризоваться такими сроками схватывания, которые дают возможность приготовлять растворные и бетонные смеси и использовать их в деле. Различают начало и конец схватывания теста из того или иного вяжущего.
Условно в соответствии со стандартами эти сроки схватывания определяют на тесте нормальной густоты при температуре 20 С 2 по глубине погружения в него иглы Вика. По ГОСТу на портландцемент начало схватывания теста из этого вяжущего должно наступать не ранее 45 мин, а конец схватывания - не позднее 12 ч, считая от момента смешения цемента с водой. До начала схватывания тесто обладает тиксотропными свойствами.
По мере приближения к концу схватывания цементное тесто или бетонная смесь становятся все хуже обрабатываемыми.
Необходимо, чтобы смеси в это время твердели в спокойном состоянии. Однако и в этот промежуток времени до конца схватывания допускается иногда механическое воздействие на бетонную смесь, если только оно приводит к уплотнению и упрочнению бетона, хотя и вызывает нарушение начальной структуры схватившегося цемента. При таком быстротвердеющем вяжущем, каким является полуводный гипс, воздействие на тесто и бетон после наступления начала схватывания приводит к резкому снижению прочности системы.
Вяжущее тем ценнее, чем быстрее нарастает его прочность после начала схватывания и, следовательно, чем меньше разрыв во времени между его началом и концом. Сроки схватывания цементов зависят от многих факторов и подчиняются регулированию в довольно широких пределах с учетом требований, предъявляемых к вяжущим, применяемым в строительстве. В значительной мере отражается на скорости их схватывания минералогический состав цементов. Так, цементы с повышенным содержанием алюминатов кальция характеризуются более короткими сроками схватывания.
Белитовые цементы схватываются медленнее. Важнейший регулятор скорости схватывания портландцементов - двуводный гипс, который вводится в них при помоле в количестве 3 - 6 по весу. Клинкер, измельченный без гипса, характеризуется очень короткими сроками схватывания, препятствующими его использованию. Чем больше алюминатов кальция и щелочных соединений в цементе, чем выше тонкость помола, тем больше гипса следует вводить в него. Оптимальное количества последнего в зависимости от свойств цемента устанавливается специальными опытами.
Необходимо отметить, что от количества гипса в цементе зависят не только сроки его схватывания, но и такие важнейшие свойства, как прочность, скорость твердения, усадочные деформации, морозостойкость и др что особенно отчетливо показано в исследованиях С.В. Шестоперова, Г.И. Горчакова и др. Поэтому оптимальное количество гипса в портландцементе следует устанавливать с учетом тех требований, какие предъявляются к свойствам цемента при использовании в различных конструкциях и сооружениях.
Но и при оптимальных добавках двуводного гипса приходится иногда сталкиваться с цементами, характеризующимися так называемым ложным схватыванием. Оно проявляется в том, что цемент при смешении с водой схватывается почти немедленно, но при последующем интенсивном перемешивании дает, особенно с небольшой добавкой воды, тесто с нормальными сроками схватывания, затвердевающее без потери прочности.
Явление ложного схватывания объясняется наличием в цементе полуводного гипса или обезвоженных полугидратов, образовавшихся во время помола клинкера в мельницах при повышенных температурах 130 - 160 С . При повышенном содержании щелочей в цементе оно интенсивнее. Иногда ложное схватывание проявляется у цементов, длительно хранившихся в силосах при высокой температуре. Помол и хранение цементов при низких температурах создают гарантию против получения этих вяжущих с нежелательными явлениями ложного схватывания.
Быстрое схватывание цементов, не устраняемое дополнительным перемешиванием теста, наблюдается у цементов с недостаточным содержанием двуводного гипса. Влияние на скорость схватывания портландцементов гипса объясняется его взаимодействием с трехкальциевым алюминатом с образованием трехсульфатной формы гидросульфоалюмината ЗСаО А1203 ЗСаS04 31Н20. Последний отлагается на алюминате в виде экранирующих пленок, способствующих уменьшению доступа воды к этому минералу и замедляющих скорость реакции.
На сроки схватывания цементов влияют и многие другие вещества, одни их удлиняют, другие сокращают. В качестве ускорителя сроков схватывания часто используется хлористый кальций, вводимый в количестве 0,5 - 1,5 массы цемента при изготовлении бетонных смесей. С3А, реагируя с СаС12, образует малорастворимое соединение - хлоралюминат кальция ЗСаО Аl2О3 СаСl2 10Н2О. Следует отметить, что при очень небольших добавках СаС12 может действовать как замедлитель скорости схватывания. Примерно так же действуют Са N0 3 2, МgСО3, полуводный гипс и др. Сода, действуя ускоряюще, часто вызывает снижение прочности.
Наконец, имеется группа веществ уксуснокислый кальций, сахар и др резко замедляющих скорость схватывания цементов. Некоторые из них, вводимые в соответствующем количестве 1 - 3 , отодвигают схватывание цемента на неопределенно долгое время. На скорость схватывания цементов значительно влияют и такие факторы, как водоцементное отношение и температура.
С увеличением В Ц и понижением температуры скорости схватывания и твердения уменьшаются, и наоборот. Увеличение тонкости помола цемента также способствует увеличению скорости его схватывания. При хранении цементов на складах на них воздействуют пары воды и СO2, содержащиеся в воздухе. При этом на поверхности цементных частичек образуются пленки гидратных новообразований, а также карбоната кальция, способствующие замедлению реакций цемента c водой и скорости его схватывания.
Вяжущие вещества, в том числе и цементы, при твердении должны характеризоваться равномерностью изменения объема. Цементы с неравномерным изменением объема приводят не только к снижению прочности бетонов при их твердении, но даже к их разрушению. Неравномерность изменения объема цементов может быть вызвана гидратацией свободной окиси кальция при содержании ее в клинкере более 1,5 - 2 гидратацией свободной окиси магния, присутствующей в клинкере в виде высокотемпературной медленно гасящейся формы - периклаза образованием в твердеющем цементе высокосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция при повышенном содержании в клинкере С3А и при избыточном введении гипса в портландцемент при его помоле.
Содержание свободной окиси кальция в цементе стандартом не регламентировано. При избыточном количестве ее отрицательное влияние легко определяется по поведению цементных образцов - лепешек диаметр 7 - 8 см, толщина в середине около 1 см при их нагревании в кипящей воде в течение 4 ч. Испытание проводится через сутки после изготовления образцов.
Отсутствие на лепешках радиальных, доходящих до краев трещин или сетки мелких трещин, видимых невооруженным глазом или в лупу, а также искривлений и увеличения объема - свидетельство равномерного изменения объема цемента. При этом следует иметь в виду, что появление на лепешках трещин усыхания еще до их нагревания в воде вовсе не означает, что цемент недоброкачественный, если на обратной стороне при этом не обнаружены радиальные трещины, доходящие до краев ГОСТ 310 - 60 . По ГОСТ 10178 - 62 во всех разновидностях портландцемента допускается содержание МgО не более 5 . Равномерность изменения объема цементов при повышенном содержании в них МgО иногда определяют на описанных выше лепешках, пропаривая их в автоклаве под давлением насыщенного пара в 20 атм изб. по режиму 2 1 1 ч подъем давления, прогрев при 20 атм, охлаждение. Равномерность изменения объема оценивается по тем же признакам, которые указаны ранее.
Повышенное количество сернокислых соединений 8 цементах в том числе и гипса можно установить достаточно быстро методами химического анализа.
Иногда цементы, характеризующиеся равномерным изменением объема и содержащие значительное количество щелочей Na2О К2О более 0,5 , могут явиться причиной разрушения бетонов, изготовленных из заполнителей, содержащих реакционноспособный кремнезем опал, халцедон и др При длительном твердении во влажных условиях подобные заполнители способны вступать во взаимодействие с щелочными соединениями цемента и давать водные щелочные силикаты.
Последние образуются на поверхности зерен в виде объемистых гелевидных масс, вызывающих набухание бетона и его разрушение. Для предотвращения таких явлений применяют цементы с пониженным количеством щелочных соединений менее 0,5 - 0,6 в расчете на Nа20 , пуццолановые портландцементы, а также заполнители, не содержащие реакционноспособного кремнезема. Определение прочности и марки цементов.
Важнейшим свойством портландцемента является его способность твердеть при взаимодействии с водой и переходить в камневидное состояние. Чем выше механическая прочность затвердевшего камневидного тела раствора, бетона и чем скорее она достигнута, тем выше качество цемента или иного вяжущего вещества. Поэтому различают 1 конечную прочность, которая может быть достигнута цементом при твердении 2 скорость твердения, характеризуемую интенсивностью роста прочности твердеющего цемента во времени.
В соответствии с этим цементы, отличающиеся быстрым ростом прочности, называют быстротвердеющими, а если при этом достигается большая прочность, то и высокопрочными. Механическую прочность затвердевших цементов можно оценивать различными способами, например, по пределу прочности при сжатии, при изгибе, при растяжёнии и при скалывании образцов той или иной формы. При этом подбор состава смесей, изготовление, хранение и испытание образцов осуществляют, строго выполняя требования, устанавливаемые соответствующими стандартами на то или иное вяжущее вещество в той или иной стране.
Все возрастающее значение начинают приобретать неразрушающие методы определения прочности цементов и бетонов с помощью ультразвуковых колебаний. В России прочность и другие свойства цементов, а также способы их определения регламентированы ГОСТ 10178 - 62 Портландцемент, шлакопортландцемент, пуццолановый портландцемент и их разновидности и ГОСТ 310 - 60 Цементы. Методы физических и механических испытаний. В соответствии с этими стандартами прочность цементов определяют по показателям прочности при изгибе балочек размером 40 х 40 х 160 мм и при сжатии половинок тех же образцов.
Балочки формуют из малопластичного раствора состава 1 3 цемент песок по массе с помощью вибрации амплитуда 0,35 мм, частота 3000 кол мин и испытывают через 28 суток с момента изготовления. Для этого применяют специальный стандартный песок. Растворы готовят при водоцементном отношении, равном 0,4, причем их консистенция по расплыву конуса после 30 встряхиваний на столике должна характеризоваться диаметром в пределах 105-110 мм. При меньшем расплыве конуса количество воды в растворе увеличивают до получения требуемой подвижности.
Балочки из раствора хранят в формах в течение суток в среде с относительной влажностью воздуха не менее 95 , а далее расформовывают и хранят в воде температура 20 С 2 в течение 27 суток. Через 28 суток с момента изготовления и не позднее, чем через 10 мин после извлечения из воды, балочки испытывают на прочность при изгибе, а полученные половинки-на сжатие.
Показатель предела прочности при сжатии, достигаемой через 28 суток стандартного твердения, называют активностью цемента. По показателям прочности портландцементы делят на четыре марки 300, 400, 500 и 600. Образцы для определения прочностных показателей необходимо изготовлять из цементов с температурой в пределах 20 С 3 . По ГОСТ 310-60 образцы должны испытываться не позднее чем через 10 мин после извлечения из воды. Это требование обусловлено тем, что при высыхании образцов показатели их прочности увеличиваются.
Отношение прочности насыщенных водой образцов к прочности высушенных образцов, одинаковых по составу и условиям твердения, называется коэффициентом размягчения. Для цементных образцов это отношение обычно колеблется в пределах 0,8 - 0,9, а для гипсовых - 0,3 - 0,4. Величина этого отношения характеризует водостойкость того или иного материала.
Коэффициент размягчения зависит от вида материала и от плотности испытываемых образцов. На практике часто возникает необходимость получить данные об активности цементов раньше 28 суток. Для этой цели применительно к старым ГОСТ 310 -41 и ГОСТ 970 - 61 разработаны ускоренные методы испытания цементов, дающие возможность получить показатели прочности, достаточно близкие к тем, какие получаются при испытании по указанным стандартам ускоренные методы ЦНИИПС - 2, ГНЦ, НЦ - 1, НЦ - 2ИДР . С.А. Миронов и И.М. Френкель предлагают приблизительно определять активность цементов ускоренным способом по результатам испытаний их в бетоне, подвергаемом пропариванию.
Приближенные данные об активности цемента применительно к ГОСТ 10178 - 62 и ГОСТ 310 - 60 можно получать через 16 - 18 ч с момента изготовления образцов. С.М. Рояк, А. Ф. Черкасова и Е.Т. Яшина разработали ускоренный способ оценки односуточной активности цемента для бетона, подвергаемого тепловлажностной обработке. В этом случае образцы, изготовленные по методике ГОСТ 310 - 60, пропариваются при 90 - 95 С в закрытых формах и затем по графикам устанавливают прочность бетона в зависимости от установленной прочности пропаренных образцов из раствора. 9.