Основное значение для цемента имеет трехкальциевый силикат

так как он обычно содержится в наибольшем количестве и обладает свойствами быстро твердеющего гидравлического вещества высокой прочности. Двухкальциевый силикат — медленно твердеющее гидравлическое вяжущее средней прочности. Трехкальциевый алюминат и C4AF быстро твердеют, но имеют низкую прочность. Цементы высоких марок изготовляются с повышенным содержанием трехкальциевого силиката.

Минералогический состав цемента установлен в результате изучения фазового равновесия тройных систем С—А—S и С—А—F, четверной системы С — C2S — C5A3 —C4AF и др. Были исследованы кривые плавления или кристаллизации и вычислены составы жидких и твердых фаз при любой температуре. Фактический состав клинкера в дополнение к методам химического анализа может быть исследован с помощью микроскопа путем измерения коэффициента преломления соединений в виде порошка. Содержание минералов-силикатов может быть определено с помощью микрометра Шэндс при исследовании прозрачных шлифов (аналогично применяемому в петрографическом анализе) в проходящем свете. Полированные и травленые шлифы также могут быть исследованы как в отраженном, так и в проходящем свете. Рентгеновская дифракция порошкообразного вещества может быть использована с целью обнаружения кристаллических фаз, а также для исследования их кристаллической структуры. Находит применение также электронный микроскоп, который дает большое увеличение и обладает значительно большей разрешающей способностью, чем световой

C3S, содержание которого обычно наибольшее, встречается в виде небольших равноразмерных неокрашенных зерен. В процессе охлаждения при температурах ниже 1250° С C3S медленно распадается, но если охлаждение идет достаточно быстро, C3S сохраняется без изменения и является сравнительно устойчивым при обычных температурах.

Известно, что C2S имеет три или даже четыре модификации. a -C2S, которая существует при высоких температурах, переходит при температуре 1456° С в |3-модификацию. |3 -C2S претерпевает дальнейшее превращение в у -C2S при 675° С, но при скорости охлаждения цементов, имеющей место в производственных условиях, в клинкере сохраняется P-C2S в виде зерен округлой формы, обычно показывающих двойникование кристаллов.

С3А образует прямоугольные кристаллы, но в застеклованном состоянии это аморфное промежуточное вещество.

C4AF представляет собой твердый раствор ряда соединений от C2F до СбА2Р; принятая формула C4AF является условной, отражающей средний состав этой фазы.

Различные типы цементов в значительной степени отличаются по своему химико-минералогическому составу, который обусловливается соотношением сырьевых материалов. Одно время в США была предпринята попытка контролировать свойства цементов различного назначения установлением предельных количеств четырех основных клинкерных минералов, определенных расчетом по химическому анализу. Этот способ исключил бы многочисленные физические испытания, но, к сожалению, расчетный минералогический состав не является достаточно точным и не учитывает все необходимые свойства цемента и, следовательно, не может заменить непосредственных определений требуемых свойств.

Примерный химический состав портландцемента в % следующий: СаО—60—67; SiO2—17—25; А12О3—3—8; Fe2O3—0,5—6; MgO-0,1-4; щелочей —0,4—1,3; SO3—1—3.

В табл. 1.2 приводится химический и расчетный минералогический составы типичного портландцемента.

Нерастворимый остаток определяют путем обработки цемента соляной кислотой; он характеризует количество примесей в цементе, попадающих главным образом в составе гипсового камня. BS 12:1958 допускает величину нерастворимого остатка не более 1,5% веса цемента. Потеря в весе при прокаливании характеризует степень карбонизации и гидратации свободных окислов кальция и магния в результате атмосферных воздействий на * цемент. Максимальная потеря при прокаливании (при 1000° С), допускаемая BS 12:1958, составляет для цементов, используемых в условиях умеренного климата, 3% и для цементов, применяемых в тропических условиях, 4%. Так как гидратированная свободная известь безвредна, то для определенного содержания свободной извести в цементе повышенная потеря веса при прокаливании в действительности является полезной.

Важно отметить, что минералогический состав цемента может изменяться в значительной степени даже при сравнительно небольших колебаниях химического состава цемента. В табл. 1.3, по данным Чернина, в графе 1 приводится химический состав типичного быстротвердеющего цемента. Если содержание окиси кальция снижается на 3% при соответствующем увеличении содержания остальных окислов (графа 2), соотношение C3S: C2S значительно изменяется. Химический состав цемента, приведенный в графе 3, отличается по содержанию глинозема и окиси железа на 1,5% от состава цемента, указанного в графе 1, при этом содержание окислов кальция и кремния остается прежним. Тем не менее данное изменение существенно влияет на соотношение между силикатами C3S: C2S, а также на содержание С3А и C4AF.

Несомненно, что контролю химического состава цемента придается особое значение. У типичных обычных и быстротвердеющих портландцементов общая сумма содержания двух силикатов меняется незначительно, в узких пределах,,поэтому различия в составе в большой степени зависят от соотношения между СаО и SiCb в сырьевых материалах.

Определение марки цемента.

Определение марки цемента испытанием на изгиб лепешек из цементного теста (способ проф. Б.Г. Скрамтаева). Этому опыту подвергают те цементные лепешки, которые прошли испытание на равномерность изменения объема. Рекомендуется испытывать 5 пропаренных цементных лепешек или лепешки в возрасте 28 суток. Испытания проводят с помощью приспособления, которое несложно изготовить в условиях обычной строительной площадки. Оно состоит из доски с прорезью 25x6 см и металлического хомута с крюком (рис. 1.11). Цементную лепешку кладут на края выреза в доске так, чтобы пролет лепешки составлял
6 см. На лепешку надевают хомут, к которому подвешивают ведро, нагружаемое обычно песком. Нагрузку увеличивают постепенно, до разрушения лепешки. Прочность лепешки на излом вычисляют по формуле:

R_изл= 1,3Р/dh²,

где R_изл – прочность на излом, МПа; Р – масса груза с ведром и хомутом, кг; d – диаметр лепешки, см; h – толщина лепешки в середине, см.

Толщину и диаметр лепешки измеряют с точностью до 1 мм после испытания, что практически удобнее. По пяти результатам испытаний подсчитывают среднее значение; оно и является окончательным результатом. После этого марку цемента ориентировочно определяют по табл. 1.124.

Определение марки цемента испытанием на изгиб балочек из цементного теста. Изготовляют шесть балочек размером 2x2x13 см из цементного теста нормальной густоты. Метод изготовления следующий: в форму (желательно металлическую (рис. 1.12) укладывают цементное тесто, уплотняют его и штыкуют ножом 10 раз; после этого форму 20-30 раз встряхивают легкими ударами о край стола, поверхность теста заглаживают смоченным в воде ножом; в таком виде балочки выдерживают 20 ч во влажных опилках, после чего форму помещают в бачок над кипящей водой для пропаривания в течение 4 ч. После остывания в бачке до комнатной температуры форму вынимают, раскрывают и балочки испытывают.

Испытания проводят на простейшем устройстве, которое можно собрать в условиях любого строительства (рис. 1.13).

Расстояние между опорами (обрезки уголка) должно быть 10,7 см. При этом условии прочность балочек на изгиб будет равна 2Р, где Р – масса груза, приложенная посередине балочки и вызвавшая ее разрушение, кг. За результат испытания принимают среднюю величину из четырех наибольших. Полученная прочность на изгиб, умноженная на 4, соответствует примерной марке цемента.

Определение марки цемента по результатам испытаний пропаренных стандартных образцов (уточненный метод Б.Г. Скрамтаева, Г.И. Горчакова и Н.Д. Тагунцева). Стандартными считаются образцы-балочки размером 4x4x16 см, изготовленные из раствора состава 1:3 на стандартном (Вольском) песке с водоцементным отношением 0,4. Стандартный песок может быть заменен специально приготовленным естественным: для этого обычный песок просеивают и берут только фракцию, оставшуюся на сите с отверстиями 0,63 и прошедшую через сито с отверстиями 1,25 мм; кроме того, он должен быть промыт и прокален на огне. Смесь сначала тщательно перемешивают вручную без воды, затем добавляют воду и перемешивают в течение 5 мин стальной ложкой. После этого массу укладывают в форму (их выпускают стандартными), уплотняют сначала послойно стальным пестиком с тупым концом диаметром 10-16 мм, а потом постукиванием формы о край стола (метод предусматривает отсутствие стандартной виброплощадки для уплотнения). Избыток раствора срезают ножом, поверхность заглаживают.

Образцы в формах ставят под колпак, в котором для увлажнения находится сосуд с водой, и выдерживают в течение 24 ч. После этого балочки расформовывают и пропаривают в приспособлении (рис. 1.9) в следующем режиме: подъем температуры до 100°С – 2 ч, пропаривание при 100°С – 4 ч, остывание образцов – 2 ч. Испытания остывших образцов проводят на приспособлении, показанном на рис. 1.13. Прочность образцов на изгиб вычисляют по формуле:

где R_изг – прочность на изгиб, МПа; Р – разрушающая нагрузка, Н; L – расстояние между опорами, равное 0,1 м; b, h – соответственно ширина и высота балки, м.

Чтобы установить марку цемента, полученную R _изг умножают на переходной коэффициент, характеризующий отношение прочности на изгиб образцов в 28-суточном возрасте к прочности на изгиб пропаренных образцов. Он колеблется для различных цементов от 1,2 до 1,7. В среднем для портландцементов его можно принимать 1,4-1,5.