Свойства портландцемента

К основным строительно-техническим свойствам ПЦ относятся истинная и насыпная плотность, тонкость помола, водопотребность, сроки схватывания, равномерность изменения объема, тепловыделение при твердении, прочность и химическая стойкость.

Истинная плотность портландцемента составляет 3,05... 3,15 г/см3. Насыпная плотность в зависимости от степени уплотнения равняется: в рыхлонасыпном состоянии — 1,1 г/см3, в уплотненном — 1,5... 1,6 г/см3. В расчетах в среднем рн принимают равной 1,3 г/см3.

Тонкость помола оценивают просевом пробы через сито с сеткой № 008, что должно обеспечивать прохождение через сито не менее 85 % массы пробы. Это соответствует удельной поверхности цемента 250... 300 м2/кг. С повышением дисперсности цемента возрастает скорость твердения, полнота использования вяжущего, а также прочность искусственного камня.

Водопотребность портландцемента находится в пределах 22... 26% в зависимости от минерального состава и тонкости помола.

Сроки схватывания: начало и конец характеризуют быстроту нарастания пластической прочности цементного теста. В соответствии с требованиями стандарта, начало схватывания ПЦ должно наступать не ранее чем через 45 мин, а конец — не позднее 10 ч с момента затворения.

Равномерность изменения объема. Твердение цемента сопровождается объемными деформациями: на воздухе происходит усадка, в воде — набухание. Важно, чтобы изменения объема были равномерными. Причиной неравномерного изменения объема являются местные деформации, вызванные гидратацией с увеличением объема свободных СаО и MgO в виде пережога. Это свойство определяется на образцах-лепешках, которые не должны искривляться или растрескиваться после кипячения в воде. До испытания лепешки одни сутки твердеют во влажном воздухе. Цемент, не выдержавший испытание на равномерность изменения объема, нельзя применять в строительстве.

Тепловыделение при твердении. Взаимодействие цемента с водой сопровождается выделением большого количества теплоты. Так как теплота выделяется в течение длительного времени, то заметного повышения температуры твердеющей смеси обычно не происходит. Но при возведении массивных бетонных конструкций (фундаменты, толстые стены, плотины) потери теплоты в окружающее пространство незначительны по сравнению с общим количеством выделяющейся теплоты и возможен разогрев бетона внутренней части конструкции до 60°С и более, что может вызвать его растрескивание.

Однако не всегда тепловыделение играет отрицательную роль. Например, при бетонировании в холодное время года повышенное тепловыделение способствует поддержанию положительной температуры бетона.

Тепловыделение и его скорость зависят от минерального состава и тонкости помола цемента. Трехкальциевый алюминат и алит обладают высокой экзотермией и выделяют много теплоты в ранние сроки твердения. В свою очередь белит, характеризуется низкой экзотермией и выделяет теплоту крайне медленно. Тепловыделение ускоряется при повышении тонкости помола цемента.

Прочность является важнейшим свойством, характеризующим качество портландцемента. В зависимости от предела прочности при осевом сжатии и изгибе устанавливают активность и марку цемента.

Для испытания изготавливают образцы — балочки размером 4×4 × 16 см из цементно-песчаного раствора нормальной консистенции состава 1:3 (по массе) на стандартном песке. Первые сутки после изготовления образцы твердеют в форме во влажном воздухе, последующие 27 сут — без формы в воде комнатной температуры. Через 28 сут балочки испытывают на изгиб, а образовавшиеся половинки — на сжатие.

Фактическое значение предела прочности при сжатии (в МПа) называют активность цемента. По действующему стандарту портландцемент разделяют на четыре марки: 400, 500, 550 и 600.

Прочность ПЦ, твердеющего в благоприятных условиях, наиболее быстро увеличивается в первые 7 сут. Уже к 3 сут она составляет 30...40% от марочной прочности, а к 7 сут- 50...70%. Нарастание прочности в раннем возрасте зависит главным образом от содержания в клинкере наиболее активных минералов С3А и C3S и тонкости помола цемента. В дальнейшем рост прочности замедляется, но может продолжаться длительное время, подчиняясь зависимости, близкой к логарифмической.

Химическая стойкость цементного камня определяется скоростью и глубиной коррозионных процессов, вызванных действием агрессивных веществ на его составляющие, главным образом на Са(ОН)2 и гидроалюминат кальция. Коррозионному разрушению способствует развитая система сообщающихся капиллярных пор, из-за которой цементный камень относительно легко проницаем для агрессивных жидкостей и газов. В зависимости от механизма разрушения цементного камня с учетом природы агрессивного агента различают несколько основных видов коррозии.

Выщелачивание — растворение и вымывание из цементного камня гидроксида кальция, имеющего из всех составляющих наибольшую растворимость (около 1,5 г/л). После вымывания Са(ОН)2 начинают разлагаться гидросиликаты и гидроалюминаты кальция. Коррозия ускоряется при фильтрации через камень мягких вод, содержащих небольшое количество растворенных веществ (дождевые, талые воды). Выщелачивание заметно по белесым потекам на поверхности конструкций.

Вымывание веществ приводит к повышению пористости и снижению прочности материала. Для повышения стойкости против выщелачивания применяют плотный не пропускающий воду бетон, а в состав цемента вводят активные минеральные добавки, связывающие Са(ОН)2 в более стойкие трудно растворимые гидросиликаты кальция.

Цементный камень разрушается еще сильнее, если в него попадает минерализованная вода с растворенными кислотами и солями, которые вступают во взаимодействие со структурными составляющими камня. Образующиеся новые химические соединения или легкорастворимы в воде и вымываются, ослабляя камень (кислотная и магнезиальная коррозия), или кристаллизуются в порах с большим увеличением объема, вызывая внутренние напряжения и растрескивание камня (сульфоалюминатная коррозия).

Кислотная коррозия происходит при действии растворов любых кислот за исключением поликремниевой и кремнефтористоводородной. Свободные кислоты встречаются в сточных водах промышленных предприятий. Кислотная среда может возникнуть при конденсации влаги на поверхности конструкций, так как в атмосфере современных городов содержатся агрессивные газы: хлор, хлористый водород, сернистый ангидрит. Попадающая в цементный камень кислота взаимодействует с Са(ОН)2 с образованием легкорастворимого хлорида кальция. Кислоты также разрушают гидросиликаты кальция.

Бетон и раствор на портландцементе защищают от непосредственного действия кислот кислотоупорными материалами.

Магнезиальная коррозия возникает при взаимодействии Са(ОН)2 с магнезиальными солями, которые встречаются в растворенном виде в грунтовых водах и всегда в большом количестве содержатся в морской воде.

Сульфоалюминатная коррозия связана с взаимодействием гидроалюмината кальция цементного камня с растворами, содержащими сульфатные ионы. В результате образуется малорастворимый гидросульфоалюминат кальция. Объем этого соединения за счет химического связывания большого количества воды более чем в 2 раза превышает объем гидроалюмината кальция, что вызывает разрушение цементного камня. Из-за опасности быстрого его разрушения и внешнего сходства игольчатых кристаллов гидросульфоалюмината кальция с некоторыми бактериями цементный камень иногда называют «цементная бацилла». Возможность сульфоалюминатной коррозии необходимо учитывать при строительстве морских сооружений, возведении фундаментов и других подземных конструкций в районах с высоким содержанием сульфат-иона в грунтовых водах.

Для предотвращения коррозии цементных материалов нужно правильно выбирать вид цемента, изготавливать особо плотные растворы и бетоны и предохранять их от воздействия агрессивных жидкостей, устраивая гидроизоляционные покрытия.