Входной контроль качества цементов для производства дорожно-строительных материалов

5.1. Состав и свойства портландцемента

Портландцементом называют гидравлическое вяжущее вещество, представляющее собой продукт тонкого измельчения портландцементного клинкера, получаемого обжигом до спекания сырьевой смеси надлежащего состава, и содержащего в основном силикаты кальция.

Химический состав цемента. Он отражает содержание в цементе основных оксидов, выраженное в %: СаО – 63-66%, Аl₂O₃ – 4-8%, SiO₂ - 21-25%, Fe₂O₃ –2-4%.

Минеральный состав цемента. В процессе обжига оксиды соединяются друг с другом, образуя минералы. Основных минералов четыре:

1. трехкальциевый силикат 3СаО_*SiO₂ (условное изображение С₃S) или алит - 45-60%

2. двухкальциевый силикат 2СаО_*SiO₂ (условное обозначение С₂S) или белит – 20-30%

3. трехкальциевый алюминат 3СаО_*Al₂O₃ (условное обозначение С₃А) - 4-12%

4. четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО_*Al₂O_3*Fe₂O₃ (условное обозначение С₄AF) – 10-20%.

 

Твердение портландцемента

Твердение портландцемента наступает вследствие при затворении его водой вследствие протекания реакций гидратации между ней и минералами портландцемента. В результате этих реакций образуются гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция, образующие прочный цементный камень.

Свойства портландцемента.

Истинная плотность. r = 3,0 –3,2г/см³.

Средняя плотность. r_о=900 –1100 кг/м³.

Тонкость помола. Она устанавливается ситовым анализом при просеивании через сито 008, с размером ячеек 0, 08мм. Через него должно проходить не менее 85% пробы. Достаточно часто тонкость помола оценивают удельной поверхностью – суммарной площадью поверхности зерен цемента, содержащихся в 1 г. Для большинства цементов она составляет 2800-3000см²/г.

Сроки схватывания. Начало схватывания – не ранее 45 минут, конец –не позднее 10 часов. Они определяются на приборе Вика.

Водопотребность. Вода, добавляемая к цементу при затворении, необходима для нормального течения реакций гидратации, а также для придания цементному тесту необходимой подвижности. Для обеспечения процессов гидратации необходимо ~ 15% воды от массы цемента, однако для обеспечения требуемой подвижности цементного теста воды берут гораздо больше (21-28%).

Водопотребность характеризуется нормальной густотой, выражаемой количеством воды в % от массы цемента, при которой цементное тесто обладает стандартной подвижностью. Она определяется на приборе Вика и характеризуется подвижностью, при которой пестик прибора не доходит до дна на 5-7мм.

Влияние температуры на твердение цемента. Понижение температуры замедляет твердение цемента, а при температуре ниже 0^оС твердение практически прекращается. Если после замерзания твердеющий цемент оттаивает, то твердение возобновляется, но конечная прочность при этом уменьшается.

Повышение температуры ускоряет процесс твердения цемента только в том случае, если он протекает в атмосфере повышенной влажности. Иначе повышение температуры может привести к пересыханию цементного камня, и значительно снизить его прочность.

Прочность. Прочность портландцемента характеризуется его маркой, которую устанавливают по пределу прочности при изгибе образцов-балочек размером 4´4´16см и сжатии их половинок. Образцы изготавливают из цементного раствора состава 1:3 с песком и испытывают через 28 суток нормального твердения (т.е. при комнатной температуре и влажности, близкой к 100%.). Марка портландцемента обозначается М. Выпускают цементы следующих марок: М300, М400, М500, М600 (R_сж. = 30-60 МПа).

Марка- это прочностная характеристика, с которой портландцемент отпускается цементным заводом. Но с течением времени, особенно при небрежном хранении и длительной транспортировке, происходит частичная гидратация цемента и прочность его уменьшается. Активность – это прочность при сжатии, определяемая аналогично марке, но в данный момент времени. Со временем активность цемента падает.

 

5.2. Методы испытаний портландцемента

1. Определение истинной плотности цемента

Ее определяют с помощью прибора Ле-Шателье. Прибор заполняют керосином до нижней метки, после чего верхнюю часть протирают от керосина фильтровальной бумагой. Цемент массой 150 г выдерживают в сушильном шкафу при t^o= 105…110^оС в течение 2 часов и затем охлаждают в эксикаторе. Для определения истинной плотности от высушенного цемента берут пробу массой65г. Далее испытания проводят по методике, описанной для песка.

2. Определение насыпной средней плотности цемента

Ее определяют с помощью сосуда вместимостью 1 л. Пробу цемента массой около 1,5 кг помещают в стандартную воронку. Предварительно взвешенный сосуд помещают под воронку. Открывают задвижку и заполняют его цементом с небольшим избытком. Затем линейкой срезают излишек цемента на уровне с краем сосуда и взвешивают сосуд с цементом. Вычитая массу пустого сосуда, находят массу цемента и делят на объем сосуда

где м₁ – масса пустого сосуда, г

м₂ – масса сосуда с цементом, г

V – объем сосуда, см³.

3. Определение тонкости помола цемента

Тонкость помола цемента определяют по остатку на сите. Просеивание может осуществляться на приборе для механического и пневматического просеивания – ситовом анализаторе; при их отсутствии допускается ручное просеивание.

Пробу цемента около 150 г высушивают в сушильном шкафу при температуре 105…110^о в течение 2 часов, после чего охлаждают в эксикаторе. От пробы берут навеску 50 г и помещают ее на сито с сеткой № 008. Закрыв сито крышкой, устанавливают в ситовой анализатор, в котором просеивают 5…7 мин. (или производят просеивание вручную). Просеивание считают законченным, если при контрольном просеивании через сито будет проходить не более 0,05г цемента. Контрольное просеивание выполняют вручную при снятом поддоне на листе бумаги в течение 1 мин.

Тонкость помола определяют как остаток на сите с сеткой 008 в процентах по отношению к первоначальной массе просеиваемой пробы, с погрешностью не более 0,1%. По ГОСТ цемент считается пригодным, если остаток на сите 008 не превышает 15%.

4. Определение нормальной густоты цементного теста

Цементным тестом называется смесь цемента и воды. Густоту цементного теста определяют на приборе Вика с пестиком.

Перед началом испытания проверяют, свободно ли опускается металлический стержень прибора, и если необходимо, смазывают его маслом. Показатель прибора должен быть на нуле при опирании пестика на стеклянную или металлическую пластину.

Для приготовления цементного теста берут 400 г цемента и высыпают его в металлическую чашу. В цементе делают углубление, в которое в один прием вливают воду в количестве (ориентировочном) для получения теста нормальной густоты. Обычно для первого пробного замеса берут 25-26% воды от массы цемента. Углубление заполняется цементом с помощью лопатки и через 30 сек его сначала осторожно перемешивают, а затем энергично растирают тесто лопаткой. Общая продолжительность – 5 мин. Готовое цементное тесто в один прием укладывают в кольцо, установленное на стеклянной или металлической пластинке и 5..6 раз встряхивают, постукивая пластину о поверхность стола. Избыток теста срезают увлажненным ножом. Затем кольцо на пластине ставят под стержень прибора Вика и пестик приводят в соприкосновение с поверхностью теста в центре кольца. Закрепляют пестик стопорным винтом, после чего быстро освобождают и дают возможность стержню с пестиком свободно погружаться в тесто. Через 30 сек от начала погружения производят отсчет глубины погружения по шкале прибора.

В том случае, если пестик не доходит до пластины на 5…7 мм, густота теста считается нормальной. Если пестик погружается на большую или меньшую глубину готовят новые порции теста с большим или меньшим количеством воды.

5. Сроки схватывания цемента

Сроки схватывания цемента определяют на цементном тесте нормальной густоты с помощью прибора Вика с иглой. Цементное тесто готовят аналогично методике 4. Готовое тесто помещают в кольцо прибора Вика и устанавливают на столик прибора. Стержень опускают до соприкосновения иглы с поверхностью теста и в этом положении закрепляют винтом. Затем винт освобождают, давая стержню с иглой свободно погружаться в тесто.

Иглу погружают в тесто через каждые 10 мин, при этом кольцо после каждого погружения передвигают таким образом, чтобы игла не попадала в прежнее место. После каждого погружения иглу вытирают. Во время испытаний прибор должен находиться в затененном месте, где нет сквозняков, и не должен подвергаться сотрясениям.

Началом схватывания цементного теста считается время, прошедшее от начала затворения теста (момента приливания воды к цементу) до момента, когда игла не доходит до пластины на 1…2 мм; концом схватывания – время от начала затворения до момента, когда игла опускается в тесто не более чем на 1..2 мм.

6. Определение марки (или активности) цемента

Марку цемента, или его активность, определяют по прочности на сжатие и изгиб стандартных образцов размером 40х40х160 мм, изготовленных из цементно-песчаного раствора состава 1:3 нормальной консистенции, после необходимого срока твердения (для портландцемента шлакопортландцемента и пуццоланового цемента – 28 суток, для быстротвердеющего портландцемента -3 и 28 сут., для глиноземистого – 3 сут) в стандартных условиях.

При определении марки используют стандартный песок, что позволяет исключить влияние качества песка на прочность испытуемого цемента. Стандартный песок (ГОСТ 6139-91) представляет собой чистый кварцевый песок (содержание SiO₂ ≤ 0,05%, влажность ≤ 0,2%). Стандарт предполагает возможность использования двух вариантов зернового состава песка:

- монофракционный: содержание зерен фракции 0,9…0,5 мм – не менее 91%;

- полифракционный, который готовят смешиванием фракций в следующем количестве:

фракция, мм 2,0…1,0 1,0…0,5 0,5…0,16 0,16…0,08

Частный остаток,% 33±5 34±5 10±5 12±1

Приготовление теста нормальной консистенции. Для приготовления необходимого количества цементно-песчаного раствора состава 1:3 (по массе) отвешивают 500г испытуемого цемента и 1500г стандартного песка и высыпают их в предварительно протертую мокрой тканью чашу. Цемент с песком перемешивают в течение 1 мин. Затем в центре сухой смеси делают лунку, вливают в нее воду и дают ей впитаться в течение 0,5 мин, после чего смесь перемешивают вручную в течение 1 мин.

Подготовленный таким образом раствор переносят в предварительно протертую мокрой тканью чашу мешалки и перемешивают в ней в течение 2,5 мин (20 оборотов чаши).

Как исключение смесь можно перемешивать вручную не менее 5 мин круглым шпателем в сферической чаше.

По окончании перемешивания определяют консистенцию раствора. Для этого применяют встряхивающий столик, представляющий собой металлический диск, покрытый шлифованным стеклом. При вращении кулачка диск с помощью штока, скользящего в направляющих, поднимется на 10 мм, а затем резко падает. Таким образом. имитируется виброуплотнение раствора. На стекло ставят коническую форму с загрузочной воронкой. Внутреннюю поверхность конуса и стекло протирают влажной тканью.

Для определения консистенции раствор укладывают в форму-конус в два приема (слоями равной толщины). Каждый слой уплотняют стальной штыковкой диаметром 20 мм, массой (350±20 г). Нижний слой штыкуют 15 раз, верхний-10. Далее снимают загрузочную воронку, излишек раствора срезают ножом и осторожно снимают форму-конус.

Полученный конус цементного раствора встряхивают на столике 30 раз в течение (30±5 сек). Затем штангенциркулем или металлической линейкой измеряют диаметр конуса по нижнему основанию в двух взаимно перпендикулярных направлениях и берут среднее значение.

Консистенция раствора считается нормальной, если расплыв конуса составляет 106…115 мм. Водоцементное отношение, полученное при достижении данного расплыва, принимают для проведения дальнейших испытаний.

Изготовление образцов. Разъемные формы, в которых изготавливают образцы, рассчитаны на3 образца. Перед заполнением форму протирают машинным маслом и устанавливают на виброплощадку. Форму заполняют ~ на 1 см и включают виброплощадку. Затем в течение 2 мин вибрации все три гнезда формы равномерно заполняют раствором. По истечении 3 мин виброплощадку отключают и снимают с нее форму. Ножом снимают излишек раствора, заглаживают поверхность образцов и маркируют их.

Определение марки цемента. Марку цемента находят по результатам пределов прочности при сжатии и изгибе образцов-балочек в возрасте, обусловленном стандартом.

Предел прочности при изгибе производят на машинах, обеспечивающих нарастание нагрузки в среднем (50±10)Н в сек. Образец устанавливают на опорные элементы машины. Предел прочности при изгибе вычисляют как среднее арифметическое из двух наибольших значений результатов испытания 3 образцов.

Передел прочности при сжатии. Полученные после испытания на изгиб 6 половинок балочек сразу же подвергают испытанию на сжатие на прессах с предельной нагрузкой 200…500 кН. Для того, чтобы результаты испытаний половинок были сопоставимы, несмотря на разный размер, используют металлические пластины, через которые нагрузка от плит пресса передается на образец. Площадь пластин – 25 см².

Половинку балочки помещают между пластинами таким образом, чтобы боковые грани, которые при изготовлении прилегали к продольным стенкам формы, находились на плоскостях пластинок, а упоры пластинок плотно прилегали к торцовой гладкой грани образца. Образец с пластинами помещают на нижнюю плиту пресса в центре ее. Скорость нарастания нагрузки – (5±1,25)кН в сек.

Предел прочности при сжатии R_сж (МПа) каждого образца определяют по формуле

R_сж = 10(F_раз/S)

где F_раз – разрушающая нагрузка, кН;

S – площадь металлических пластинок, см².

Марку цемента устанавливают по табл. 11

Таблица 11

Зависимость марки цемента от механических характеристик

Наименование цемента	Марка цемента	Предел прочности при изгибе, МПа (кгс/см^2), в возрасте, сут	Предел прочности при сжатии, МПа (кгс/см^2), в возрас-те, сут
Портландцемент, портландцемент с минеральными добавками, щлакопортландцемент   Быстротвердеющий портландцемент Быстротвердеющий шлакопортландцемент		- - - - -   3,9(40) 4,4(45) 3,4(35)	4,4(45) 5,4(55) 5,9(60) 6,1(62) 6,4(65)   5,4(55) 5,9(60) 5,4(55)	- - - - -   24,5(250) 27,5(280) 19,6(200)	29,4(300) 39,2(400) 49,0(500) 53,9(550) 58,8(600)   39,2(400) 49,0(500) 39,2(400)