6.5. Строительно-технические свойства и применение портландцемента.

Портландцемент является основным видом вяжущих материалов, что обусловлено его ценными строительно-техническими свойствами. Совокупность этих свойств для отдельных видов портландцемента определяет области применения этих вяжуших.

Плотность и объёмная масса. Величина плотности позволяет отличать бездобавочные портландцементы от пуццолановых и шлаковых цементов, так как из всех этих вяжущих бездобавочный цемент обладает самой высокой плотностью (3,05-3,2 г/см³). Для цементов с добавками плотность составляет 2,7-2,9 г/см . Плотность порошка портландцемента в рыхлом состоянии равна 900-1100 г/л, а в уплотнённом - 1400-1700 г/л. Величина плотности зависит в основном от тонкости помола портландцемента: она тем меньше, чем выше дисперсность порошка.

Тонкость помола оценивается двумя показателями: количеством цементного порошка (в % от навески), прошедшего через сито с определённым размером отверстий (метод ситового анализа), и средневзвешенной удельной поверхностью зёрен.

Согласно ГОСТ цемент должен иметь такую тонкость помола, чтобы через сито № 008 проходило не менее 85% от массы пробы или остаток на сите не превышал 15%. Большинство заводских цементов имеют остаток на сите № 008 8-12%. Удельная поверхность цементов заводского помола составляет 2500-3000 см²/г.

Увеличение удельной поверхности цемента выше 3000-3500 см²/г связано со значительным снижением производительности мельниц, хотя и приводит к некоторому повышению активности цемента в ранние сроки твердения. Тонкость помола цемента влияет на скорость его схватывания и твердения, а также определяет степень его использования в растворах и бетонах. Цемент, состоящий в основном из зёрен фракции 0-3 мкм, уже через сутки достигает высокой прочности, однако заметного повышения скорости роста в дальнейшем не наблюдается. Более крупные зёрна твердеют в начальные сроки медленнее, но к 28-ми суткам достигают такой же прочности, что и зёрна фракции 0-3 мкм, и продолжают эффективно твердеть до 90 суток. Цемент более грубого помола гидратируется медленнее, однако при этом достигается большая конечная прочность, нежели при более тонком помоле. Этот факт объясняется тем, что в ходе медленной гидратации образуется большее количество длинноволокнистых гидросиликатов кальция, которые хорошо срастаются друг с другом. Кроме того, в этом случае больше число контактов срастания. Слишком тонкий помол может привести даже к снижению прочности, так как он приводит к росту водопотребности цемента, усиленному тепловыделению и развитию усадочных деформаций.

Цементы, измельчённые до одинаковой удельной поверхности в различных помольных агрегатах, могут заметно отличаться по прочности и водопотребности. Это связано с тем, что в мельницах разных типов способ измельчения разный, что влечёт за собой различия в гранулометрическом составе. Более желателен полидисперсный состав портландцемента, когда в нём присутствуют как мелкие (до 40 мкм), так и крупные (более 80 мкм) частицы. Это обеспечивает более плотную упаковку частиц и, следовательно, более высокую прочность камня. Мелкие частицы интенсивно гидратируются в начальный период твердения, а крупные - способствуют нарастанию прочностных характеристик в более поздние сроки.

Водопотребность портландцемента (минимальное количество воды, вводимое в вяжущее для придания смеси необходимой текучести и подвижности) по сравнению с другими вяжущими веществами не велика. Она зависит от тонкости помола, минералогического состава цемента, количества и вида активных минеральных добавок.

Для полной гидратации минералов портландцемента необходимо всего 22% воды от массы цемента. Нормальная густота цементного теста обычно превышает эту величину на 2-4% для бездобавочного цемента и на 5-10% - для цементов с активными минеральными добавками. Количество воды, необходимое для приготовления удобоукладываемой бетонной смеси обычно составляет более 40% от массы цемента. Столь значительный избыток химически несвязанной воды создаёт в затвердевшем камне систему пор и капилляров, повышая его пористость, что приводит к снижению прочности, морозостойкости, коррозионной стойкости и т.д. Все технологические приёмы, которые снижают водопотребность цемента, приводят к заметному улучшению его качества.

Скорость схватывания зависит от целого ряда факторов. Повышение температуры ускоряет, а понижение - замедляет схватывание. Схватывание ускоряется также с повышением тонкости помола и уменьшением воды в цементном тесте.

Как указывалось выше, стандартные сроки схватывания рядового цемента обеспечиваются введением в него оптимального количества гипса, являющегося замедлителем схватывания. Наряду с гипсом для этих целей можно использовать фосфаты, силикаты, сульфаты и органические соединения. Механизм действия этих замедлителей одинаков - они создают вокруг гидратирующегося зерна защитную оболочку, которая препятствует быстрому взаимодействию минералов вяжущего с водой. Применение добавок-замедлителей может обеспечить сохранение тестом своего пластичного состояния до 1 суток. Как правило, введение замедлителей приводит к росту конечной прочности бетона.

В отдельных случаях необходимо ускорение схватывания цемента, например, при аварийных работах или при монолитном строительстве. Для этого вводят добавки-ускорители схватывания, которые интенсифицируют гидратацию в начальные сроки. Наиболее распространенной добавкой этого типа является хлорид кальция. Поскольку хлориды вызывают коррозию арматуры в железобетонных изделиях, в последнее время их заменяют алюминатами, карбонатами и нитратами щелочных металлов.

Неравномерность изменения объема цементного камня при твердении. Наличие в цементе несвязанных оксидов кальция и магния может вызвать трещинообразование при твердении. Это явление называется неравномерностью изменения объёма при твердении. Причиной его является увеличение объёма СаО и MgO при их взаимодействии с водой и возникновение внутренних растягивающих напряжений в цементном камне. Для испытания готовят 6 образцов-лепёшек определённого диаметра. После 24-часового хранения во влажной среде их помещают на 3 ч в кипящую воду. Цемент признают качественным, если на лицевой стороне лепёшек после кипячения нет радиально проходящих до краев трещин или сетки мелких трещин, видимых в лупу, а также каких-либо искривлении. Цемент, не прошедший этого испытания, не отгружают потребителю, а задерживают в цементных силосах до тех пор, пока основная часть свободного оксида кальция не загасится за счет влаги воздуха. Затем проводят повторные испытания цемента до получения положительных результатов.

Тепловыделение. Гидратация клинкерных минералом – процесс экзотермический. В силу этого при твердении массивных изделий происходит значительный разогрев бетона. При последующем охлаждении наружные слои массива остывают быстрее, чем внутренние, что приводит к возникновению термоупругих напряжений, которые могут привести к образованию трещин. Поэтому применение цементов с большим тепловыделением для массивных сооружений нежелательно. Целесообразно использование таких вяжущих при зимнем бетонировании, так как интенсивное выделение теплоты при гидратации компенсирует низкие температуры окружающей среды и не даёт снизиться скорости гидратационных процессов.

Термохимические свойства портландцемента определяются в первую очередь его минералогическим составом, тонкостью помола, Чеками и условиями хранения цемента и т.д. В порядке уменьшения величины тепловыделения клинкерные минералы можно расположить в следующий ряд: С₃А - C₃S - C₄AF - β-C₂S, теплота их гидратации составляет соответственно 870, 500, 420 и 260 Дж/г. Цементы с высоким содержанием трёхкальциевого алюмината и алита характеризуются более быстрым и значительным тепловыделением в бетонных массивах.

Все факторы, ускоряющие процессы гидратации, вызывают соответствующее увеличение тепловыделения. Так, увеличение тонкости помола цемента заметно повышает его тепловыделение, особенно в ранние сроки твердения.

Прочность портландцемента зависит от методики испытаний, т.е. от конкретного состава смеси, её пластичности, формы и размеров образцов, способа их изготовления и условий твердения. Метод испытания прочности определен ГОСТом.

Предел прочности при сжатии цементных образцов в возрасте 28 суток называют активностью цемента. Активность портландцемента положена в основу разделения его на марки. Цифровое значение марки характеризует минимальный предел прочности при сжатии половинок образцов - балочек размером 40x40x160 мм, приготовленных из раствора 1:3 по массе с нормальным вольским песком при водоцементном отношении 0,4 и испытанных через 28 суток после изготовления, при условии хранения образцов в воздушно-влажных условиях. При этом предел прочности при изгибе для образцов-балочек цемента М 400, 500 , 550 и 600 должен быть через 28 суток не менее, соответственно 5,5; 6,0; 6,2: 6,5 МПа, а прочность при сжатии - не менее 40, 50, 55 и 60 МПа, соответственно. Нужно учитывать, что марка нормирована по пределу прочности при сжатии, выраженной в единицах кг с/см², а фактически при испытании получают величину прочности в системе СИ, т.е. в МПа.

Прочность цементных образцов зависит от минералогического состава клинкера, топкости помола цемента, водоцементного отношения, наличия ими отсутствия добавок, срока твердения и других факторов. Теоретический предел прочности при сжатии цементного камня составляет 240-340 МПа. На практике уже были получены бетоны с прочностью 28O-32O МПа при особых условиях их формования «под пригрузом», хотя обычные бетоны имеют гораздо меньшие прочностные показатели.

Прочность при растяжении примерно на порядок ниже прочности при сжатии. Это связано с особенностями структуры затвердевшего цементного камня. Так как её основу составляют переплетенные друг с другом короткие волокна гидросиликатов кальция, то при растягивании отдельные волоконца сравнительно легко «выдергиваются» из переплетенной массы, а собственная прочность волокон на растяжение практически не используется. Более высокие прочностные характеристики при растяжении показывают те цементы, при гидратации которых возникают преимущественно длинноволокнистые кристаллы гидросиликатов кальция, которые создают эффект самоармированной структуры. Этому способствуют такие факторы, которые обеспечивают не слишком высокие скорости гидратационных процессов, т.е. использование добавок-замедлителей, невысокая температура среды и т.д.

Применение портландцемента. Портландцемент находит широкое применение в строительной индустрии для сооружений зданий и конструкций, эксплуатируемых как в воздушной среде, так и в воздушно-влажных условиях и под водой. Он используется для бетонных, железобетонных сборных и монолитных конструкций. Допускается применение рядового портландцемента и для бетонов со специальными свойствами, если его характеристики обеспечивают надежную эксплуатацию в заданных условиях. Применяется портландцемент также и для штукатурных и кладочных работ в виде растворов с песком. Часть производимого рядового портландцемента идёт на изготовление смешанных вяжущих - пуццоланового цемента и шлакопортдандцемента.