Физико-механические свойства Портландцемента

1. Абсолютная плотность ρ = 3050 – 3200 кг/м³ (У смешанных цементов ШПЦ, ППЦ ρ = 2700-2900 кг/м³)

2. Насыпная плотность (ρ_нц) = 900-1100 кг/м³ в рыхлом состоянии, 1400-1700 кг/м³ – в уплотненном состоянии.

3. Тонкость помола.
Чем тоньше помол, тем выше скорость схватывания и быстрее нарастает прочность.
Остаток на сите № 0,08, не более 15 % или удельная поверхность (площадь зерен (в см²)), занимаемая 1 граммом цемента) S = 2500 -3000 см²/г.

4. Влияние длительности хранения цемента на его свойства.
При хранении портландцемента на него воздействуют пары воды и углекислый газ воздуха. На поверхности зерен образуются пленки гидратных веществ и карбоната кальция, которые:

· Препятствуют гидратации.

· Замедляют сроки его схватывания.

· Уменьшают прочность через 3 месяца на 10 %, 6 месяцев – 20%, 1 год – на 40%.

Смешанные цементы сильнее теряют свою активность или прочность. Восстановить активность можно вторичным помолом.
Сроки хранения цемента увеличиваются при помоле клинкера с гидрофобизирующими добавками.
Хранят портландцемент в герметично закрытой таре.

5. Водопотребность – количество воды в процентах к массе цемента, необходимой для получения теста нормальной густоты.
Составляет
Цементы с меньшей водопотребностью образуют более плотный камень.
Водопотребность цемента уменьшают:

· Введением пластифицирующих добавок: ЛСТ, ЛСТМ, С-3 и др.

· Применением пластифицированных и гидрофобных ПЦ.

При введении активных минеральных добавок осадочного происхождения (диатомита, трепела, опоки) водопотребность цемента увеличивается до 32-37%.

Нормальную густоту определяют пестиком прибора Вика.
Нормальной считается густота, при которой пестик в течение 30 секунд не доходит до дна на 5-7 мм.

Ход работы:

1. Навеску цемента всыпаем в предварительно протертую влажной тканью сферическую чашу. Делаем луночку в центре, вливаем отмеренное количество воды, слегка присыпая ее цементом и через 30 секунд начинаем в течение 5 минут интенсивно растирать тесто в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

2. После чего тесто в один прием переносим в кольцо прибора, уплотняем его постукиванием подставки кольца об стол 5-6 раз.

3. Кольцо ставим в прибор, и сразу же приводим в соприкосновение с тестом пестик.

4. Отпускаем зажимной винт, и наблюдаем погружение пестика в тесто в течение 30 секунд. Если пестик не дойдет до дна более, чем на 7 мм, или погрузится в него менее, чем на 5мм, то опыт повторяют вновь, увеличивая или уменьшая расход воды каждый раз на 1 % до получения нужного результата.
У нас Н.Г. = = - нормальная.

6. Связующая способность.
Показывает возможность введения в цементное тесто большого количества заполнителей, что уменьшает усадку, увеличивает долговечность, уменьшает расход цемента.
Связующая способность бетонной смеси повышается введением:

· Тонкоизмельченных активных минеральных добавок (АМД)

· Известкового теста

· Поверхностных активных веществ

В растворы можно вводить глину.
Чем выше связующая способность, тем лучше цемент и долговечнее бетон.

7. Водоотделение и водоудерживающая способность.
Водоотделение обусловлено процессами седиментации (осаждением твердых частиц под действием сил тяжести)
Процесс седиментации обуславливает большое количество капилляров, снижающих плотность, водонепроницаемость и морозостойкость. Водоудерживающую способность повышают:

· Увеличением тонкости помола

· Снижением водоцементного отношения

· Повышением содержания C₃A

· Делением:

o Органических добавок: Абильетата натрия

o Омыленного древесного пека и других.

o Тонкомолотых АМД: трепела, обожженной глины, бентонита, известняка, доломита, лёсов, трассов, опок, глиежей, зол, шлаков и др.

8. Сроки схватывания.
Схватывание - процесс, при котором цементное тесто постепенно теряет свою подвижность без приобретения прочности, но с потерей удобоукладываемости. Определяют иглой прибора Вика на тесте нормальной густоты.
Начало схватывания – время, с момента затворения теста водой до момента, когда игла не доходит до пластинки на 1 – 2 мм.
Конец схватывания – время, от момента затворения цемента водой до момента, когда игла погружается в тесто на 1 – 2 мм. Начало схватывания – не ранее 45 минут, конец схватывания – не позднее 10 часов с момента затворения водой.

Ускорение схватывания		Замедление схватывания
Увеличение температуры		Уменьшение температуры
Увеличением В/Ц		Уменьшением В/Ц
Увеличение тонкости помола		Снижение тонкости помола и длительное хранение
Введение ускорителей твердения: · Хлористого кальция CaCl2 · Поташа Ca2CO3 · Нитрита кальция Ca(NO3)2 · Сульфата натрия Na2SO4		Введение замедлителей твердения: · Фосфор содержащие вещества: Na2PO4 · Борсодержащих веществ Na2B4O7 · Буры, борной кислоты, фосфаты и нитраты калия, натрия, аммония

 

9. Усадка и набухание
Усадка происходит при высыхании, а набухание при увлажнении цемента
Деформация усадки (0,8 мм/м) выше, чем деформация набухания (0,6 мм/м) и является наиболее опасными.
В результате усадочных деформаций в цементном камне образуются трещины.
Для ликвидации усадочных деформаций:

· Целесообразно использовать при приготовлении бетона мелкий и крупный заполнитель стандартного состава. А в растворы вводить песок.

· Твердение бетона должно происходить во влажной среде (W>90%) при температуре 20±5°C

10. Выделение тепла при твердении цемента
Наибольшее количество тепла и за короткие отрезки времени выделяют цементы с повышенным содержанием C₃S и C₃A и цементы высоких марок и более тонкого помола. Поэтому цементы с высоким тепловыделением (алитовые и глиноземистые) рекомендуют при бетонировании зимой.
C₂S (беллитовые) и C₄AF (кремнеземистые) цементы выделяют тепла мало, и медленно.
Цементы с низким тепловыделением рекомендуют при бетонировании массивных сооружений (плотин, электростанций) в летнее время.
Тепловыделение цемента, особенно в первые сроки твердения существенно повышается с увеличением тонкости помола и с введение хлористого кальция (CaCl₂); уменьшает добавка ССБ.
Во избежание растрескивания конструкций в теплое время:

· Используют низкотермичные цементы (беллитовые)

· Снижают расход цемента в бетоне

· Искусственно охлаждают массив

11. Равномерность измерения объема цемента.
При твердении цементного теста иногда наблюдается искривление изделий, их растрескивание, или полное разрушение.
Причина – наличие свободных (несвязанных в соединения с другими оксидами) извести CaO и MgO, представляющих собой «пережог», который гасится в медленно затвердевшем изделии.

Ход работы

1) Берут по 75 г две навески теста нормальной густоты, скатывают в шарики, кладут на стеклянные пластинки, и постукивая о край стола превращают их в лепешки диаметром 75 мм и высотой 10 мм.

2) 24 часа их хранят в ванне с гидравлическим затвором во влажной среде (влажность более 90 %, температура 20±2 °C

3) Затем 3 часа кипятят в воде в специальном бачке для кипячения лепешек, охлаждают и осматривают.

4) Признаки неравномерности изменения объема:

o Корабление лепешек

o Появление сетки мелких трещин

o Наличие радиальных трещин

o Полное разрушение лепешек.

Если цемент не прошел испытание, то его:

o Выдерживают в силосах или на складах для связывания CaO и MgO·Ca(OH)₂ и CaCO₃, Mg(OH)₂ и MgCO₃ за счет водяных паров или кислоты воздуха.

o Бракуют.

 

12. Прочность цемента (активность, марка и класс цемента)

Прочностные свойства цемента при изгибе и сжатии цемента определяют на образцах – балочках 40×40×160 мм, приготовленных из стандартного мало пластичного (нормальной консистенции) цементного раствора состава 1:3 (цемент: стандартный песок) и = 0,4

a. Сначала устанавливают водопотребность раствора
Берут 500 граммов цемента, 1500 граммов песка, и 200 мл воды. Перемешивают и заполняют в 2 приема стандартный усеченный конус, установленный на встряхивающем столике, в два слоя с уплотнением первого 15 раз, второго 10 раз.
После, конус снимаем вертикально вверх, и вращаем маховик столика, производим 30 встряхиваний раствора в течение 30 секунд. При правильно подобранной консистенции (водопотребности) расплыв конуса составит 106 – 115 мм.
Если он будет меньше 106 мм, то В/Ц увеличивают до увеличения расплыва 106 – 108 мм.
Если будет более 115 мм, то В/Ц уменьшают до тех пор, пока не получат значения расплыва конуса, равными 113 -115 мм.

b. Подобранную смесь укладывают в трех секционную форму, закрепленную на виброплощадке, и уплотняют вибрированием 3 минуты. Отформованные образцы на 24 часа помещают в ванну с гидравлическим затвором (влажность 90 %, температура 20 ± 2°C.
Затем освобождают от форм, укладывают на две опоры в ванну с водой, температура которой 20 ± 2°C (через 14 суток воду меняют). Испытание образцов проводят в возрасте 28 суток сначала на изгиб прибором МИИ-100, а полученные 6 половинок балочек – на сжатие с помощью стандартных пластин с рабочей площадью F = 25 см².

Полученное по 6 образцам среднее значение предела прочности при сжатии называется активностью цемента (Rц). Активность цемента, округленная в внешнюю сторону до стандартного значения называется маркой.
Rизг₁ = 5,1 МПа
Rизг₂ = 5,92 МПа
Rизг₃ = 4,03 МПа
По двум наибольшим испытаниям на изгиб устанавливают среднюю величину предела прочности при изгибе и марку на изгиб.
Rизг_ср = (5,92+5,1)/2 = 5,51 МПа.
Рсж₁ = 924,22/25 = 36,97 МПа.
Rсж₂ = 1090,6/25 = 43,62 МПа.
Rсж₃ = 895,5/25 = 35,82 МПа.
Rсж₄ = 987,3/25 = 39,49 МПа.
Rсж₅ = 914,98/25 = 36,6 МПа.
Rсж₆ = 1196,8/25 = 45,47 МПа.
Активность:
По четырем наибольшим результатам на сжатие находим среднюю величину предела прочности на сжатие и устанавливаем марку: - > М400.
По наименьшему из полученных из двух показателей (Rизгиба и Rсжатия) устанавливаем марку 400, 500, 550, 600. И класс 23,5; 32,5; 42,5; 52,5;
Вывод: марка испытуемого цемента – 400.

 

13. Влияние условий твердения на прочность портландцемента

· Снижение температуры окружающей среды замедляет твердение цементных растворов тем сильнее, чем ниже температура. Цементы высоких марок менее чувствительны к понижению температуры при твердении из-за высокого содержания C₃S, выделяющего большое количество тепла и компенсирующего падение температуры. Поэтому зимой используют высокомарочные цементы.

· При замораживании цементного камня твердение прекращается: а) при оттаивании возобновляется, однако конечная прочность будет ниже.
Чем в более раннем возрасте заморожен бетон, тем он больше теряет прочности необратимо.

По нормативам существует критическая прочность бетона (около 1 месяца) – когда замораживание его не ведет к потере прочности.
Для пролетных строений мостов в преднапряженных и особо ответственных конструкций прочность бетона к моменту замораживания должна составлять 70% проектной прочности независимо от марки бетона.
Если к конструкции предъявляются специальные требования по морозостойкости, газо и водонепроницаемости, то прочность бетона к моменту возможного замерзания должна составлять 100 % проектной прочности.

· Условия твердения.
Во влажных условиях бетон твердеет в течение многих лет.
В сухих же условиях твердение прекращается через 0,5 – 1 год.

· При пропаривании цементного камня процесс твердения ускоряется, но в результате разрушающего воздействия на цементный камень термовлажностного градиента снижается прочность на 15 – 20 %.

 

14. Огнестойкость и жаростойкость бетонов и растворов.
При нагреве бетона свыше 547 °C в цементном камне происходит диссоциация
Ca(OH)₂ → CaO + H₂O (При температуре больше 547 °C) образующаяся известь разрушает изделие.
Если бетон в конструкциях длительное время нагревать до 200 °C, то в результате он уменьшит свою прочность до 50%. Поэтому при пожарах бетон достаточно жаростоек, так как воздействие огня кратковременное, и бетон не успевает прогреться на всю глубину.
Если в портландцемент добавить 25 – 30 % молотового кварцевого песка шамота огнеупорной глины или жидкого стекла, то получим жароупорный бетон, выдерживающий 1250 °C.

 

15. Морозостойкость.
Повышают:

· Уменьшением водоцементного отношения.

· Введением пластифицирующих и гидрофобных добавок.

· Увеличением тонкости помола до S = 5000 – 6000 см²/г.

· Применением цементов с низким содержанием C₃A и минимальным содержанием АМД.

· Применением алитовых цементов

o Введением противоморозных добавок

o Повышением марки цемента