Тепловыделение при твердении цемента

Тепловыделение в процессе схватывания и твердения цементного теста связано с тем, что все реакции гидратации клинкерных минералов экзотермичны. Количество выделяющегося тепла при этом определяется полностью минералогическим составом клинкера. Тепловыделение основных минералов клинкера в условиях полной гидратации оценивается следующими примерными данными (кДж/кг):

алюминат (С₃А) или 3СаО·Аℓ₂О₃ – 1090;

алит (С₃S) или 3СаО·SiO₂ – 670;

целит (С₄АF) или 4СаО·Аℓ₂О₃·Fe₂O₃ – 570;

белит (С₂S) или 2СаО·SiO₂ – 352.

Таким образом, чем выше содержание в цементе С₃А и С₃S, тем больше его тепловыделение.

Тепловыделение цемента существенно повышается с увеличением его тонкости помола, а также при ведении в его состав химических добавок, ускоряющих процесс гидратации.

 

Равномерность изменения объема при твердении

Это одно из главных свойств цемента. В основном все цементы при твердении незначительно изменяют свой объем. При значительном и неравномерном изменении объема затвердевшего камня цемент считают непригодным для строительных целей, особенно при изготовлении бетонных и железобетонных изделий.

Основной причиной изменения объема является содержание свободных оксидов кальция (СаО) и магния (MgO), гидратация которых после конца схватывания цементного теста сопровождается возникновением в затвердевшем цементном камне больших внутренних напряжений, что и приводит к его короблению и растрескиванию.

Испытание на равномерность изменения объема при твердении производится на образцах-лепешках при их кипячении в воде. Цементы, не выдержавшие испытание, признаются некачественными и не должны применяться в строительстве.

 

Прочность цементного камня

Это свойство портландцемента условно определяют по показателю предела прочности при сжатии и изгибе образцов-балочек размером 40×40×160 мм, приготовленных из цементно-песчаного раствора состава 1:3 (цемент: песок) стандартной консистенции при водоцементном отношении В/Ц = 0,4. Образцы вначале выдерживают на воздухе (1 сутки), а затем в воде – 27 суток. Через 28 суток балочки испытывают на изгиб, а образовавшиеся при этом половинки балочек – на сжатие. Схема испытаний на изгиб показана на рис. 4.17.

Разрушающее напряжение или предел прочности при изгибе R_изг при действии сосредоточенной силы в середине пролета вычисляют по формуле (МПа):

(4.5)

где Р – разрушающая (максимальная) нагрузка (Н);

ℓ – расстояние между центрами опор, см;

b и h – ширина и высота сечения образца, см.

Разрушающее напряжение или предел прочности при осевом сжатии R_сж вычисляют по формуле (МПа):

(4.6)

Среднее арифметическое – величина предела прочности при сжатии, определенное по четырем наибольшим значениям, называется активностью цемента.

Марку цемента устанавливают по значениям предела прочности при сжатии и изгибе образцов-балочек размером 4×4×16 см в соответствии с табл. 4.1. Если один из них (R_сж или R_изг) меньше указанного в табл. 4.1, то цемент относят к меньшей марке. Например, при испытании получили значение R_сж = 38 МПа, и R_изг = 5,9 МПа. Следовательно, цемент относят к марке 400 (а не 500).

Таблица 4.1

Обозначение цемента	Гарантированная марка	Предел прочности, МПа (кгс/см^2)
при изгибе в возрасте	при сжатии в возрасте
3 сут	28 сут	3 сут	28 сут
ПЦ-ДО		-	5,4 (55)	-	39,2 (400)
	5,9 (60)	49,0 (500)
	6,1 (62)	53,9 (550)
	6,4 (65)	58,8 (600)
ПЦ-Д5 ПЦ-Д20		-	4,4 (45)	-	29,4 (300)
	5,4 (55)	39,2 (400)
	5,9 (60)	49,0 (500)
	6,1 (62)	53,9 (550)
	6,4 (65)	58,8 (600)
ПЦ-Д20-Б		5,9 (40)	5,4 (55)	24,5 (250)	39,2 (400)
	4,4 (45)	5,9 (60)	27,5 (280)	49,0 (500)
ССПЦ-ДО		-	5,4 (55)	-	39,2 (400)
ССПЦ-Д20		-	5,4 (55)	-	39,2 (400)
	5,9 (60)	49,0 (500)
ШПЦ		-	4,4 (45)	-	29,4 (300)
	5,4 (55)	39,2 (400)
	5,9 (60)	49,0 (500)
ШПЦ-Б		5,4 (55)	5,4 (55)	21,5 (220)	39,2 (400)
ССШПЦ		-	4,4 (45)		29,4 (300)
	5,4 (55)	39,2 (400)
ППЦ		-	4,4 (45)	-	29,4 (300)
	5,4 (55)	39,2 (400)

 

Условное обозначение цемента должно состоять из:

· наименование вида цемента – портландцемент (ПЦ), шлакопортландцемент (ШПЦ), стульфатостойкий портландцемент (ССПЦ), пуццолановый портландцемент (ППЦ);

· марки цемента – 300, 400, 550, 600. Разработаны цементы марок 700...1000;

· обозначения максимального содержания добавок в портландцементе – ДО, Д5, Д20 (соответственно 0; 5; 20 %);

· обозначения быстротвердеющего цемента – Б;

· обозначения пластификации или гидрофобизации цемента – соответственно ПЛ, ГФ;

· обозначения цемента, полученного на основе клинкера нормированного состава, – Н.

Например, портландцемент марки 400 с добавками до 20 %, быстротвердеющий, пластифицированный обозначается следующим образом: 400-Д20-Б-ПЛ.

В соответствии с ГОСТ 30515-97 предусматривается введение классов цементов (МПа) 22,5; 32,5; 42,5; 52,5.

Обычный портландцемент выпускается двух видов:

- портландцемент без минеральных добавок;

- портландцемент с добавками (с активными минеральными добавками не более 20 %).

В качестве добавок используются доменные гранулированные и электротермофосфорные шлаки, горные породы осадочного происхождения (диатомиты, трепелы, опоки) глиежи (естественно обожженные глины) и др. Добавки вводятся для повышения водостойкости цемента (для связывания выделяющегося гидроксида в малорастворимые гидросиликаты кальция); их применение приводит к экономии дорогостоящего клинкера. Применяя минеральные добавки, можно регулировать ряд других свойств портландцемента: выделение тепла при твердении, плотность цементного камня и др. Виды и содержание добавок в портландцементах представлены в табл. 4.2.

Таблица 4.2.

Обозначение цемента	Активные минеральные добавки, % по массе
Всего	В том числе
доменные гранулированные шлаки	осадочного происхождения кроме глиежа	прочие активные, включая глиеж
ПЦ-ДО	Не допускаются
ПЦ-Д5	До 5	До 5	До 5	До 5
ПЦ-Д20, ПЦ-Д20-Б	>5 до 20	До 20	До 10	До 20
ШПЦ, ШПЦ-Б	>20 до 80	>20 до 80	До 10	До 10
ССПЦ-ДО	Не допускаются
ССПЦ-Д20	>10 до 20	>10 до 20	>5 до 10	-
ССШПЦ	>20 до 80	>20 до 80	-	-
ППЦ	>20 до 40	-	>20 до 30	>25 до 40

 

Активность минеральных добавок определяется по количеству поглощенной извести из известкового раствора (мг СаО на 1 г добавки) и составляет:

· у диамитов, трепелов и опок – 150…400,

· у вулканических пеплов, пемзы и туфа – 50…150,

· трассов – 60…150,

· обожженных глин, топливных шлаков и зол – 50…100.

Добавки с меньшей активностью относятся к инертным.

Марка цемента, определяемая прочностью цементного камня, тем выше, чем больше степень гидратации цемента и меньше значение величины В/Ц.

За марочную принимается прочность на 28-е сутки, однако ее можно определить экстраполяцией на 7-е и 14-е сутки. На 7-е сутки прочность цементного камня составляет 50 % от марочной.

Транспортирование и хранение портландцемента могут осуществляться в какой-либо таре (в мешках по 50 кг; банках) или навалом, но в любом случае цемент должен быть защищен от влаги воздуха.

Завод-изготовитель гарантирует соответствие цемента всем требованиям стандарта при соблюдении правил его транспортирования и хранения в течение 45 сут после отгрузки для быстротвердеющих и 60 сут для остальных цементов. При длительном хранении цемента он снижает свою активность: так, прочность портландцемента после трех месяцев хранения понижается на 10…20 %, а через год – на 25…40 %.