Технические характеристики портландцемента

Технические характеристики портландцемента можно подразделить на две группы:1) минеральный и вещественный составы, тонкость помола определяющие строительно-технические свойства; 2) нормальная густота, сроки схватывания, марка по прочности и другие технические свойства.

Состав статьи:

Важнейшие технические характеристики портландцемента:

◊ Минеральный состав портландцемента;

◊ Вещественный состав портландцемента;

◊ Тонкость помола портландцемента;

◊ Плотность и водопотребность;

◊ Сроки схватывания и равномерность изменения объема;

◊ Активность и марка портландцемента.

 

Минеральный состав выражает содержание в клинкере (в % по массе) главных минералов. Применяются расчетный и прямые экспериментальные методы определения минерального состава клинкера. Минеральный состав рассчитывают на основании данных химического анализа, который определяет содержание окислов (в % по массе).

Прямые экспериментальные методы определения минерального состава клинкера включают: оптическую и электронную микроскопию, рентгеновский фазовый анализ, микрозондирование (лазерный и ионный микрозонды) и др.

Вещественный состав цемента выражает содержание в цементе (в % по массе) основных компонентов: клинкера, гипса, минеральных добавок, пластифицирующих и гидрофобизующих добавок; он приводится в паспорте на цемент.

Допускается введение в цемент при его помоле пластифицирующих или гидрофобизующих поверхностно-активных добавок в количестве не более 0,3% от массы цемента (по согласованию с потребителем).

Читай также что такое портландцемент

Тонкость помола цемента оценивается по стандарту путем просеивания предварительно высушенной пробы цемента через сито с сеткой № 008 (размер ячейки в свету 0,08 мм); тонкость помола должна быть такой, чтобы через указанное сито проходило не менее 85% массы просеиваемой пробы.

Наряду с ситовым анализом для оценки дисперсности цемента проводят определение удельной поверхности с помощью специального прибора — поверхностемера. Даже обычный портландцемент М 400 измельчается довольно тонко: остаток на сите с сеткой № 008 не превышает 15%, т. е. 85% зерен цемента имеет размер менее 80 мкм, при этом его удельная поверхность составляет обычно 2500 — 3000 см²/г.

С увеличением тонкости помола прочность цемента возрастает.Средний размер зерен портландцемента, выпускаемого отечественными заводами, составляет примерно 40 мкм. Толщина гидратации зерен через 6…12 мес твердения обычно не превышает 10…15 мкм( смотри таблицу-1).Таким образом, при обычном помоле портландцемента 30…40% клинкерной части его не участвует в твердении и формировании структуры камня.

Таблица-1.Глубина гидратации клинкерных минералов

Таблица глубины гидратации клинкерных минералов

С увеличением тонкости помола цемента увеличивается степень гидратации цемента, возрастает содержание клеящих веществ -гидратов минералов -и повышается прочность цементного камня.Заводские цементы должны иметь тонкость помола, характеризуемую остатком на сите № 008( размер ячейки в свету 0,08 мм) не более 15%. Но обычно она равна 8…12%.

Тонкость помола цемента характеризуется также величиной удельной поверхности (м²/кг), суммарной поверхностью зерен (м²) в 1 кг цемента. Удельная поверхность заводских цементов составляет 250…300 м²/кг. В ряде случаев с целью повышения активности заводского цемента и для получения быстротвердеющего цемента тонкость помола повышают.

Условно считают, что прирост удельной поверхности цемента на каждые 100 м²/кг повышает его активность на 20…25%. Увеличение удельной поверхности цемента более 300…350  м²/кг связано со значительным снижением производительности мельниц. Кроме того такие цементы увеличивают водопотребность, растет тепловыделение, возрастают усадочные деформации.

Плотность портландцемента (без минеральных добавок) составляет 3,05 — 3,15. Его объемная масса зависит от уплотнения и у рыхлого цемента составляет 1100 кг/м3, у сильно уплотненного — до 1600 кг/м³, в среднем — 1300 кг/м³.

Водопотребность цемента определяется количеством воды (в % от массы цемента), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты. Нормальной густотой цементного теста считают такую его подвижность, при которой цилиндр — пестик прибора Вика, погруженный в кольцо, заполненное тестом, не доходит на 5 — 7 мм до пластинки, на которой установлено кольцо. Водопотребность портландцемента в пределах от 22 до 28%. При введении активных минеральных добавок осадочного происхождения (диатемита, трепела, опоки) водопотребность цемента повышается и может достигнуть 32 — 37 %.

Читай также производство портландцемента

Сроки схватывания и равномерность изменения объема цемента определяют в тесте нормальной густоты. Сроки схватывания определяют с помощью прибора Вика путем погружения иглы в тесто нормальной густоты. Началом схватывания считают время, прошедшее от начала затворения до того момента, когда игла не доходит до пластинки на 1 — 2 мм. Конец схватывания — время от начала затворения до того момента, когда игла погружается в тесто не более чем на 1 — 2 мм.

Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 45 мин, а конец схватывания — не позднее 10 ч от начала затворения. Для получения нормальных сроков схватывания при помоле клинкера на цементном заводе вводят добавку двуводного гипса в количестве до 3,5% (считая на SO3).

Замедление схватывания объясняется отложением на зернах цемента тонких пленок гидросульфоалюмината кальция, образовавшегося при взаимодействии введенного сульфата кальция с трехкальциевым алюминатом. Эти пленки замедляют диффузию воды к цементным зернам, и скорость их гидратации уменьшается.

Читай на сайте разновидности портландцемента

Замедлителями схватывания служат также фосфаты, нитраты калия, натрия и аммония, сахар. Сахар образует с гидроокисью кальция легко растворимый сахарат кальция, наличие которого увеличивает концентрацию ионов кальция. Поэтому процесс гидролиза трехкальциевого силиката подавляется, а схватывание происходит медленнее. При большой добавке сахара бетон не твердеет.

Ускорителями схватывания портландцемента являются карбонаты щелочных металлов и хлориды. Они образуют при взаимодействии с гидроокисью кальция, выделяющейся при гидролизе трехкальциевого силиката, труднорастворимые соединения.

Так действует, например, карбонат натрия Са(ОН)2 + Na2C03 = СаС03 + 2NaOH

В результате химической реакции образуется малорастворимый карбонат кальция, гидроокись кальция выводится из сферы реакции и процесс гидролиза трехкальциевого силиката ускоряется.

Влияние хлористого кальция на сроки схватывания портландцемента зависит от дозировки. При введении в бетонную смесь в обычной дозировке 1 — 2% от массы цемента хлористый кальций мало влияет на сроки схватывания, но существенно повышает начальную прочность бетона, т. е. действует как ускоритель твердения. При использовании в качестве противоморозной добавки хлористый кальций может вводиться в больших количествах, тогда он ускоряет схватывание, и бетонную смесь рекомендуется затворять на холоде, чтобы избежать преждевременного загустевания.

Один из методов ускорения процессов схватывания и твердения заключается во введении добавок, являющихся центрами кристаллизации, например, в виде заранее приготовленного измельченного гидратированного цемента.

Равномерность изменения объема. Причиной неравномерного изменения объема цементного камня являются местные деформации, вызываемые расширением свободной СаО и периклаза MgO вследствие их гидратации. По стандарту изготовленные из теста нормальной густоты образцы — лепешки через 24 ч предварительного твердения выдерживают в течение 3 ч в кипящей воде. Лепешки не должны деформироваться, не допускаются радиальные трещины.

Марка портландцемента

Активность и марка портландцемента.

Согласно ГОСТ 10178-85, прочность портландцемента характеризуют пределами прочности при сжатии и изгибе. Активность и марку цемента устанавливают по пределу прочности при изгибе  образцов балочек (образцов-призм) размером 40 х 40 х 160 мм, изготовленных из цементно-песчаной растворной смеси(смотри примечание*) состава 1 :3 (по массе) и В/Ц=0,4, через 28 сут твердения (первые сутки образцы твердеют в формах во влажном воздухе при температуре (20 ± 2)°С, а затем 27 сут — в воде комнатной температуры). Образцы-призмы сначала испытывают на изгиб, затем получившиеся половинки призм — на сжатие.

*Примечание:(Все стандартные испытания цементов для определения их марки по прочности должны производиться только на песке, соответствующем ГОСТ 6139 — 78. Песок нормальный для испытания цементов — это природный кварцевый песок Привольского месторождения с зернами округлой формы размером 0,5 — 0,9 мм; содержание в нем двуокиси кремния — не менее 98%, примесей глинистых, илистых и пылевидных частиц — не более 1 %.)

Активностью называют предел прочности при осевом сжатии половинок балочек, испытанных в возрасте 28 сут. В зависимости от активности с учетом предела прочности при изгибе портландцемента подразделяют на марки М400, М500, М550 и М600. Требования к отдельным маркам цементов по прочности при сжатии и изгибе приведены в табл. 2.

Таблица 2. Требования к маркам портландцемента и его разновидностей (ГОСТ 10178 — 76)

Требования к маркам портландцемента и его разновидностей

У быстротвердеющих портландцементов нормируется не только 28-суточная прочность, но и начальная, 3-суточная. Цемент, которому присвоен государственный Знак качества, должен обладать стабильными показателями прочности при сжатии коэффициент вариации прочности для цемента М 300 и М 400 — не более 5%, М 500, М 550 и М 600 — не более 3%.

При отнесении портландцемента к той или другой марке предел прочности образцов при изгибе и сжатии в возрасте 28 суток должен быть не ниже значений , приведенных в таблицу 3.

Таблица 3. Гарантированная марка цементов по пределу прочности.

Гарантированная марка цементов по пределу прочности.

Прочность портландцемента нарастает неравномерно: на третий день она достигает примерно 40…50% марки цемента, а на седьмой — 60…70%. В последующий период рост прочности цемента еще более замедляется, и на 28-день цемент набирает марочную прочность. Однако при благоприятных условиях твердение портландцемента может продолжатся месяцы или даже годы, в 2…3 раза превысив марочную (28-суточную) прочность.

Можно считать, что в среднем прирост прочности портландцемента подчиняется логарифмическому закону (график-1). Теоретический предел прочности цементного камня при сжатии очень велик, составляет более 240…340 МПа.Практически при формировании бетонов прессованием была получена прочность 280 МПа и более.

График-1. График прочности цемента

График прочности цемента

Прочность цементного камня и скорость его твердения зависят от минералогического состава клинкера, тонкости помола цемента, содержания воды, влажности, температуры среды и продолжительности хранения.

Влияние минералогического состава на прочность портландцемента.

Процесс нарастания прочности клинкерных минералов портландцемента различен. Наиболее быстро набирает в прочности трехкальциевый силикат: за 7 сут твердения он набирает около 70% от 28-суточной прочности( график-2), дальнейшее нарастание прочности у C3S значительно замедляется ( таблица 4).

Таблица 4. Степень гидратации клинкерных минералов во времени от полной гидратации,%

 

Таблица степени гидратации клинкерных минералов во времени от полной гидратации

Другая картина твердения двухкальциевого силиката. В начальный период твердения ( до 28-суточного возраста) C2S набирает всего до 15 % прочности C3S,но и в последующий период твердения двухкальциевый силикат начинает повышать свою прочность и в какой-то период достигает и даже может превысить прочность C3S.

График-2. Нарастание прочности минералов клинкера портландцемента

 Нарастание прочности минералов клинкера портландцемента

 

Это явление объясняется тем, что трехкальциевый силикат гидратирует быстрее, чем двухкальциевый.К 28-суточному возрасту гидратации C3S почти заканчивается, а гидратация C2S к этому времени начинает развиваться. Поэтому при необходимости получить бетон высокой прочности в короткие сроки применяют цемент с большим содержанием трехкальциевого силиката -так называемый алитовый цемент. И наоборот, если требуется высокая прочность в более позднее время ( например, в гидротехнических сооружениях), то можно применять белитовый цемент.

Трехкальциевый алюминат сам по себе имеет низкую прочность, однако значительно ускоряет твердение цемента в начальний период.Этим свойством C3A пользуются, получая быстротвердеющий портландцемент.По минералогическому составу от отличается высоким содержанием C3A, и C3S (около 60…70% , в том числе до 10%C3A).

 

Выделение тепла при твердении.

Гидратация цемента сопровождается выделением тепла. В тонких бетонных конструкциях тепло гидратации быстро рассеивается и не вызывает существенного разогрева бетона. Однако тепловыделение внутренней части массивной конструкции может повысить его температуру на 40°С и более по отношению к температуре бетонной смеси при укладке.

Снаружи массив остывает быстрее, чем внутри, возникают температурные напряжения, которые нередко являются причиной появления трещин в бетоне. Чтобы избежать растрескивания, стремятся использовать низкотермичные цементы, снижают расход цемента в бетоне, а в случае необходимости применяют искусственное охлаждение массива.

Не всегда тепловыделение играет отрицательную роль. Например, при бетонировании конструкций в холодное время года по способу термоса выделяющееся тепло способствует поддержанию положительной температуры бетона, оно также полезно при изготовлении сборных железобетонных изделий методом горячего формования.

Термохимические свойства портландцемента зависят от минерального состава клинкера и тонкости помола. Данные о тепловыделении клинкерных минералов приведены в табл. 5 (по данным С. Д. Окорокова и др.).

Таблица 5. Теплота гидратации клинкерных минералов, Дж/г

Теплота гидратации клинкерных минералов
Из табл. 5 видно, что трехкальциевый алюминат и алит отличаются быстрым и высоким тепловыделением, наоборот, белит малотермичен и выделяет тепло очень медленно. Следовательно, снизить экзотермию портландцемента можно, уменьшая содержание СзА и C3S и соответственно повышая количество C2S и C4AF.

Увеличение тонкости помола портландцемента усиливает тепловыделение, особенно в начале твердения (в первые 1 — 7 сут). Поэтому для бетонирования массивных конструкций применяют портландцемент с ограниченным содержанием алита (40 — 50%) и трехкальциевого алюмината (до 7%) и умеренной тонкостью помола (средняя удельная поверхность 2500 — 3000 см²/г).

Интенсивность роста прочности и тепловыделения портландцемента зависят от одних и тех же факторов — все мероприятия, ускоряющие гидратацию цемента, вызывают увеличение тепловыделения и возрастание прочности. Это позволяет использовать для приближенной оценки тепловыделения эмпирические формулы, связывающие тепловыделение и прочностную характеристику цемента, например, в следующем виде:

Q7=ℜR7 2/3

где Q7-тепловыделение цемента за первые 7 сут,Дж/г; ℜ-коэффициент; R7-7-суточная активность цемента .

Влияние влажности и температуры среды.

Твердение цементного камня и повышение его прочности могут продолжаться только при наличии в нем воды, так как твердение есть в первую очередь процесс гидратации. Большое влияние на рост прочности цементного камня оказывают влажность и температура среды.Скорость химических ре-
акций между клинкерными минералами и водой увеличивается с повышением температуры, а также значительно возрастает скорость уплотнения продуктов гидратации цемента.

Твердение цементного камня на практике может происходить в широком диапазоне температур: нормальное твердение — при температуре 15…20°С, пропаривание — 80…90°С, автоклавная обработка — до 170…200°С, давление пара — до 0,8…1,2 МПа и твердение — при отрицательной температуре. Наиболее быстрый рост прочности цементного камня происходит при пропаривании под давлением в автоклавах, при этом бетон через 4…6 ч приобретает марочную прочность.

В условиях пропаривания при нормальном давлении твердение бетона происходит примерно в 2 раза медленнее, чем в автоклавах. Бетоны, подвергнутые тепловлажностной обработке при температуре до 100°С, в большинстве случаев приобретают только 70% проектной прочности и лишь иногда достигают 100%. Дальнейший рост их прочности, как правило, не наблюдается.

Твердение портландцементного камня при отрицательных температурах не происходит, так как вода превращается в лед. Однако за счет добавки СаСl2, NaCl или их смеси бетон все же набирает прочность. Добавление к цементу электролитов СаСl2, NaCl в количестве 5% и более от массы цемента повышает концентрацию растворенных веществ в воде и понижает температуру ее замерзания.

Кроме того, хлористые соли являются ускорителями твердения цемента. Однако применение этих солей в количестве более 2% в железобетонных конструкциях не рекомендуетсяиз-завозможной коррозии арматуры. В последнее время в качестве противоморозной добавки используют нитрит натрия NaNO2.

Продолжительность хранения

Длительное хранение цемента даже в самых благоприятных условиях влечет за собой некоторую потерю его активности. После 3 мес хранения потеря активности цемента может достигать 20%, а через год — 40%. Цементы более тонкого помола теряют больший процент активности, так как влага воздуха, соприкасаясь с цементом, вызывает преждевременную гидратацию цемента.

Восстанавливать активность лежалого цемента можно вторичным помолом. Наиболее эффективен вибродомол цемента, в процессе которого повышается тонкость помола цемента, а также происходит обдирка гидратных и инертных оболочек с цементных зерен. Наиболее целесообразным методом предотвращения потери активности цемента является гидрофобизация.

Правила приемки цементов установлены ГОСТ 22236 — 76. Цемент отгружают и принимают партиями. Размер партии устанавливают в пределах от 300 до 4000 т в зависимости от годовой мощности цементного завода. Завод производит паспортизацию цемента и назначает его марку на основании данных текущего контроля производства.

В паспорте указывается: полное название цемента, его гарантированная марка, вид и количество добавки, нормальная густота цементного теста, средняя активность цемента при пропаривании. Для проверки качества отгружаемой продукции поставщик производит физические и механические испытания цемента, определяя его прочность в возрасте 3 и 28 сут.

По требованию потребителя поставщик сообщает потребителю результаты физико-механических и химических испытаний цемента в 10-дневный срок после их окончания.Цемент отгружают навалом или в бумажных пятислойных или шестислойных клапанных мешках; массу мешка указывают на упаковке.При транспортировании и хранении цемент должен защищаться от воздействия влаги и загрязнения. Цементы хранят раздельно по видам и маркам, смешивание разных цементов не допускается.

*****
РЕКОМЕНДУЕМ выполнить перепост статьи в соцсетях!
*****

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Беларуская моваEnglishFrançaisDeutschКыргызчаLatviešu valodaLietuvių kalbaLëtzebuergeschRomânăРусскийУкраїнська
Optimized with PageSpeed Ninja