Цементный камень бетона и его свойства

Цементный камень является минеральным клеем, скрепляющим зер­на заполнителя в единый монолит. Для достижения требуемой прочности бетона он сам должен обладать достаточной собственной прочностью и хорошо сцепляться с зернами заполнителя. Этот элемент, кроме того, об­ладает наибольшей химической активностью, наиболее легко подвергает­ся опасности разрушения в результате химического воздействия агрессив­ной окружающей среды, температурно-влажностных воздействий.

 

 

21

 

Глава 2. Железобетонные опоры

Цементный камень образуется в результате твердения цемента при замешивании его с водой. Направление процессов твердения и конеч­ный состав цементного камня определяются минералогическим соста­вом цементного клинкера, видом и количеством добавок к нему. В на­стоящее время наиболее распространенным и наиболее используемым для производства цементов является портландцементный клинкер, из которого в результате помола приготавливается портландцемент. По­следний является основным видом цемента, идущим на изготовление бетона для железобетонных опор контактной сети всех типов.

В свете современных представлений клинкер портландцемента со­стоит из сложной системы минералов-силикатов кальция, алюминатов кальция, алюмоферритов кальция, находящихся в клинкере в кристал­лической форме, и стекловидной фазы, включающей твердые растворы различных материалов. Доминирующими в составе клинкера, по име­ющимся данным [2], являются следующие минералы: трехкальциевый силикат, называемый алитом (химическая формула 3СаОSiO₂ —С₃S), двухкальцисвый силикат, называемый белитом (химическая формула 2СаОSiO₂ — С₂S), трехкальциевый алюминат (ЗСаО*А₂O₃ — С₃А),                            четырехкальциевый алюмоферрит (4СаО*Аl₂O₃Fе₂O₃—С₄АlF). Силикаты кальция в цементном клинкере составляют 75 — 80% веса клинкера, а алюминат и алюмоферрит — в сумме 20 — 25%. Кроме того, в клинкере содержатся также различные минералы. В решетке трехкальциевого си­ликата присутствуют атомы алюминия и магния, а в составе двухкальциевого силиката имеются атомы калия. Из приведенных минералов наи­большее значение в формировании свойств цементного камня и, соот­ветственно, бетона играют силикаты кальция. Содержание алюмината в цементе нежелательно. Его роль в обеспечении прочности цементного камня незначительна, за исключением прочности в раннем возрасте. В то же время при воздействии сульфатов на цементный камень расши­рение, обусловленное образованием гидросульфоалюмината кальция из трехкальциевого алюмината, может привести к разрушению цементно­го камня. Вследствие этого содержание трехкальциевого алюмината в портландцементе, идущем на изготовление опор контактной сети, огра­ничивается величиной 8%. Однако трехкальциевый алюминат необхо­дим при обжиге цементного клинкера. Он действует как плавень, пони­жая температуру обжига, что содействует соединению окиси кальция и кремнезема при более низких температурах. Поэтому этот минерал не­обходим в процессе производства цемента. В этой же роли выступает и четырехкальциевый алюмоферрит.

При соединении цемента с водой проходят процессы гидролиза и ги­дратации перечисленных минералов цементного клинкера, и в резуль­тате образуются сложные гидратированные соединения. Установлено, что основными продуктами гидратации портландцемента являются ги-

 

22

 

Глава 2. Железобетонные опоры

дросиликаты, гидроокись кальция, гидроалюминаты и гидросульфоалюминаты. Наиболее важным продуктом гидратации являются каль­циевые гидросиликаты, образующиеся в результате действия воды на трехкальциевый и двухкальциевый силикаты кальция. Эти гидросили­каты оказывают наибольшее влияние на механические свойства, про­ницаемость и морозостойкость цементного камня. Гидроокись кальция (известь) выделяется в значительном количестве при взаимодействии с водой кальциевых силикатов и оказывает существенное влияние на интенсивность гидратации этих силикатов и на прочность цементного камня. Кроме того, гидроокись кальция создает щелочную среду в це­ментном камне, обеспечивающую пассивацию стальной арматуры. Это новообразование реагирует с углекислотой воздуха, в результате чего образуются вторичные новообразования в виде карбонатов, увеличи­вающих прочность цементного камня. Известь является хорошо рас­творимым веществом и при фильтрации воды через бетон выносится из цементного камня, уменьшая его прочность.

Гидроалюминаты и гидросульфоалюминаты оказывают неоднознач­ное влияние на свойства цементного камня. Считается, например, что гидроалюминат на начальной стадии твердения цемента несколько уве­личивает прочность цементного камня, но в более позднем возрасте оказывает противоположное действие. В отношении гидросульфато-алюминатов также существует мнение, что это новообразование замед­ляет процесс гидратации.

Свойства и прочность цементного камня зависят от количества и качества новообразований и пористости. Количество этих новообразо­ваний прямо пропорционально степени гидратации цемента, численно равной отношению массы прореагировавших с водой минералов к об­щей массе цемента. Понятие степени гидратации свидетельствует о том, что в процессе гидратации и твердения цемента в реакцию образования новых соединений вступает не все количество минералов. Это объяс­няется особенностями процесса гидратации и твердения цемента. Они заключаются в том, что цемент состоит из множества мелких частиц и образование соединений начинается с поверхности частиц после их сма­чивания. Образующиеся на поверхности цемента частицы постепенно перекрывают доступ влаги к непрореагировавшему остатку частиц це­мента, и гидратация цемента прекращается. Это значит, что в цемент­ном камне сохраняется определенная часть негидратированного цемен­та, играющею значительную роль в дальнейшем нарастании прочности цементного камня и возможности «самозалечивания» цементного камня при образовании в нем трещин.

Полная гидратация цемента в нормальных условиях твердения не­возможна при водоцементных отношениях (В/Ц) менее 0,5, что харак­терно, в частности, для опор контактной сети. Для бетонов последних

 

23

 

Глава 2. Железобетонные опоры

водоцементное отношение находится в пределах 0,4—0,45, и, следова­тельно, полная гидратация цемента в них не произойдет. Теоретически максимальная степень гидратации приблизительно равна двум водоце-ментным отношениям (например, в цементном камне, изготовленном сВ/Ц = 0,4,а_макс = 0,8).

Степень гидратации цемента имеет большое технико-экономическое значение. При увеличении степени гидратации цемента возрастает объем новообразований, увеличивается прочность цементного камня, уменьшается пористость и улучшается его качество, при этом повыша­ется долговечность бетона. Однако полная гидратация цемента нецеле­сообразна, так как в этом случае исчезает возможность самозалечивания трещин в цементном камне и снижается долговечность бетона.

Пористость цементного камня является следствием применения для твердения цемента избыточного количества влаги и неполной ги­дратации зерен цемента. По современным воззрениям [3], в затвердев­шем цементном камне образуются две группы пор. Это, прежде всего, поры геля, под которыми понимаются продукты различных гидратных новообразований. Поры геля сохраняют внутренние простран­ства между гелевыми частицами и могут содержать большое количе­ство испаряющейся воды. Эти поры имеют размер 15 —20 А в диаме­тре, что лишь на один порядок больше размера молекул воды. Поэтому давление водяного пара и подвижность адсорбированной на стенках пор воды отличаются от соответствующих свойств свободной воды. Количество испаряемой воды свидетельствует непосредственно о по­ристости геля.

Поры геля занимают объем, составляющий около 28% общего объема геля. Фактическое значение пористости геля является характерным по­казателем для используемого вида цемента и не зависит от водоцементного отношения смеси и степени гидратации цемента. Следовательно, на всех стадиях гидратации образуется гель со сходными свойствами, и продолжающаяся гидратация не влияет на уже образовавшиеся продук­ты. При увеличении общего объема геля с развитием гидратации уве­личивается также и объем его пор. Однако такое представление о фор­мировании пористости геля является несколько упрощенным. Можно предположить, что строение цементного геля, в частности размеры гелевых пор и их строение, определяется и условиями гидратации цемента. Очевидно, что цементный гель, образовавшийся на начальной стадии формирования структуры (до появления на цементных зернах экраниру­ющих оболочек), имеет большую пористость и иное строение порового пространства, чем цементный гель, образовавшийся на более поздних стадиях гидратации цемента.

Поры цементного геля, присутствуя в его структуре, оказывают вли­яние на прочность. При этом следует отметить, что характер этого вли-

 

 

24

 

Глава 2. Железобетонные опоры

яния, как в целом и природа прочности геля, полностью не раскрыт. Можно предполагать, что прежде всего эти поры оказывают влияние на интенсивность притяжения между твердыми поверхностями частиц ге­ля. Это притяжение называется вандер-ваальсовыми силами и с умень­шением размера пор возрастает, способствуя получению высокой проч­ности цементного камня.

Вторую группу пор в цементном камне составляют капиллярные по­ры. Объем капиллярной пористости цементного камня зависит как от нодоцементного отношения, так и от степени гидратации. Скорость твердения цемента не оказывает влияния на объем капиллярной по­ристости, но вид цемента влияет на степень гидратации, достигаемую в определенном возрасте.

Капиллярные поры цементного камня имеют размер порядка 12-10^-5см, они различаются по форме и в цементном камне образуют систему, беспорядочно распределенную по его объему. Эти взаимосвя­занные капиллярные поры в основном и определяют проницаемость и морозостойкость затвердевшего цементного камня. В отношении проч­ности принято считать, что она определяется общей пористостью це­ментного камня. Нужно отметить, что в условиях продолжающейся ги­дратации цемента капиллярная пористость цементного камня умень­шается с течением времени (с увеличением возраста цементного камня). Образующийся в процессе твердения объем цементного геля с порами в 2,2 раза больше объема негидратированного цемента, а поэтому продук­ты гидратации цемента занимают и часть пространства, занятого водой чатворения, или часть объема капиллярных пор.