Повышению прочности цементного камня

Повышению прочности цементного камня

Прочность цементного камня при нормальных условиях (теплая и влажная среда) продолжает нарастать многие годы. Опыты показали, что прочность его в воденарастает в течение 30 лет (дальнейшие систематические исследования не производились).

Твердению предшествует схватывание, т. е. процесс, в течение которого цементное тесто постепенно теряет пластичность, загустевает, но еще не приобретает прочности.

В соответствии с теорией твердения цемента, созданной академиком А. А. Байковым и развитой в дальнейшем другими советскими учеными (профессорами В. Н. Юнгом, Ю. М. Буттом, А. Е. Шейниным), процесс твердения представляет собой сложное физико-химическое явление: в составе цементного камня образуются новые соединения, которых не было в цементном клинкере.

Основное химическое соединение, входящее в состав цементного клинкера трехкальциевый силикат —- подвергается гидролизу разложению водой) и гидратации (соединению с водой) с образованием двух новых соединений: двухкальциевого гидросиликата 2СаО • SiO2 ад и гидрата окиси кальция.

Разложение идет по следующей реакции:

Таким образом, при твердении цемента выделяется свободный гидрат окиси кальция Са(ОН)2. Это легко установить при помощи фенолфталеина, при действии которого получается яркомалиновое окрашивание.
Другое соединение в цементном клинкере — двухкальциевый силикат—гидратируется очень медленно и образует

2СаО • SiO2 •mH2O.

Трехкальциевый алюминат подвергается быстрой гидратации по реакции:

ЗСаО • А12О3+6Н2О=ЗСаО • А12О3 • 6Н2О.

Под воздействием воды на поверхности цементных частиц образуются двухкальциевый гидросиликат, гидрат окиси кальция и трехкальциевый гидроалюминат. Гидросиликат кальция почти нерастворим в воде и выделяется в коллоидальном состоянии, в виде студенистых оболочек, на поверхности црментных частиц.

Гидроокись кальция и трехкальциевый гидроалюминат растворяются в воде, но в небольшом количестве, и раствор быстро становится насыщенным, а в дальнейшем пересыщенным. Вследствие этого при продолжающейся химической реакции новые порции гидроокиси кальция и трехкальциевого гидроалюмината выделяются также в коллоидальном состоянии. Все указанные вещества образуют вокруг частиц цемента оболочку так называемого геля (студня).

Гель обладает склеивающей способностью, которая тем больше, чем меньше он разжижен водой, т. е. чем меньше водоцементное отношение ; -гель склеивает частицы цемента, а в цементно-песчаном растворе и зерна песка. В результате цементное тесто начинает густеть и терять пластичность — оно схватывается.

В дальнейшем гидроокись кальция и трехкальциевый гидроалюминат из коллоидального состояния переходят в более устойчивое мелкокристаллическое; выделяющиеся микрокристаллы пронизывают гель и срастаются. Одновременно гель, состоящий теперь главным образом из гидросиликата кальция, уплотняется, отчасти потому, что высыхает (если цемент твердеет на воздухе), отчасти из-за что внутрь цементных частиц отсасывается вода. Вода проникает в глубь частиц цемента постепенно, и в результате все и новые его порции вступают в химическую реакцию.

Гидросиликат кальция может в дальнейшем частично выкристаллизоваться. Соотношение между объемами гелеобразной и кристаллической частей твердеющего цементного камня в каждый данный момент влияет на его прочность, усадку, ползучесть и другие свойства, как это доказано проф. А. Е. Шейкиным.
Если цемент твердеет на воздухе (всегда содержащем углекислый газ), то имеет место еще карбонизация гидроокиси кальция:

Она происходит главным образом с поверхности цементного камня или бетона. Это доказывается тем, что при действии фенолфталеина на поверхность затвердевшего цементного камня он не окрашивается в малиновый дает; если же разломать этот камень и подействовать фенолфталеином на место свежего излома, то легко обнаружить, что свободная гидроокись кальция содержится в середине образца, а по краям ее нет.

Процессы образования геля, его кристаллизации и уплотнения, а также карбонизации приводят к превращению цементного теста в искусственный высокопрочный каменный материал. Эти процессы протекают сначала быстро, затем медленнее; в особенности медленно гель уплотняется. В соответствии с этим прочность цементного камня в первые 3—7 дней нарастает быстро, затем медленнее, а спустя 3 месяца — очень мало. Прочность цемента обычно испытывают через 3, 7 и 28 дней.
Даже через несколько месяцев твердения цемента внутренняя часть его зерен, наиболее крупных, еще не успевает вступить в реакцию с водой. При повторном помоле затвердевшего цемента и смешивании с водой он может снова твердеть, но прочность получается уже невысокой.

Нарастание прочности цементного камня

Нарастание прочности цементного камня имеет большое значение для строительства, так как позволяет постепенно увеличивать нагрузки на сооружения. Однако такое непрерывное повышение прочности может происходить только при твердении цементного камня в теплой и влажной среде. Если цементный камень будет находиться в сухой среде, то после испарения воды и уплотнения геля твердение приостановится.
При твердении в течение длительного срока в воде цементный камень получается более прочным, чем при твердении на воздухе.

Нормальными условиями для твердения бетона считаются: температура 15—20° и относительная влажность окружающего воздуха 90—100%, создаваемая в специальной камере или путем засыпки бетона песком либо опилками, которые постоянно увлажняют.

ПРОНИЦАЕМОСТЬ И КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ С ГИДРОФОБНЫМИ ДОБАВКАМИ

Сивков С.П., Косинов Е.А., Демидов Д.В.
Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева

Коррозионная стойкость цементного камня зависит, с одной стороны, от химической стойкости его составляющих по отношению к корродирующему агенту (например, иону SO₄ 2- ), а с другой — от скорости проникновения раствора корродирующего агента в цементный камень. Чтобы различить эти два процесса Ф. Лохером предложено использовать понятия «химическая» и «физическая» коррозионная стойкость цементного камня.

Пути повышения «химической» коррозионной стойкости цементного камня глубоко изучены и широко применяются на практике. Это, прежде всего ограничение содержания в исходном цементе оксида алюминия, образующего минерал С₃А и соответственно гидроалюминаты кальция, а также трехкальциевого силиката C₃S, дающего при гидратации гидроксид кальция — соединения, наименее стойкие в отношении различных видов коррозии.

Что касается повышения «физической» коррозионной стойкости цементного камня, то в этом направлении получены менее однозначные результаты. В ряде работ отмечено повышение непроницаемости цементного камня при введении в состав цемента доменного гранулированного шлака, золы-уноса или микрокремнезема; при этом подчеркивается, что последние два компонента повышают непроницаемость цементного камня только в том случае, если они не приводят к заметному росту водопотребности цементов.

Факторы, влияющие на скорость проникновения коррозионно-активного раствора в цементный камень

Корродирующий агент проникает в цементный камень по системе капиллярных пор в виде водного раствора. Движущей силой этого процесса является так называемое капиллярное давление, достигающее для пор малого размера чрезвычайно высоких значений. Величина давления для капилляра цилиндрической формы рассчитывается по формуле:

Уменьшение скорости проникновения корродирующих водных растворов в цементный камень и повышение его «физической» коррозионной стойкости может быть достигнуто как снижением пористости цементного камня при одновременном уменьшении среднего радиуса пор (т.е. его уплотнением), так и гидрофобизацией поверхности пор.

В нашей работе рассматривается возможность повышения коррозионной стойкости цементов путем уменьшения гидрофильности поверхности пор цементного при введении в состав цементов добавок-гидрофобизаторов.

Материалы и методы исследования

Гидрофобные цементы были получены путем помола портландцементного клинкера (C₃S — 59 мас. %; C₃A — 6,8 мас. %) и гипса (3,0 мас. % по SO₃) в лабораторной шаровой мельнице. Гидрофобизатор — стеарат кальция (СК) вводили в состав цемента при помоле в количестве 0,5 мас.%. Помол всех цементов осуществлялся в строго одинаковых условиях.

Исследование скорости проникновения различных жидкостей в цементный камень проводили на образцах-балочках размером 4´4´16 см, приготовленных из цементного теста нормальной густоты и твердевших 28 суток в воздушно-влажных условиях. Перед проведением исследований образцы высушивались до постоянной массы при температуре 105 ± 5 о С.

В качестве жидкостей использовались вода, ацетон (чда) и н-гексан (хч).

Исследование строительно-технических характеристик цементов проводили в соответствии с ГОСТ 310.2-76 — ГОСТ 310.3-76 и ГОСТ 310.4-81.

Исследование коррозионной стойкости проводили на образцах-кубах с ребром 1,41 см, приготовленных из цементного теста нормальной густоты. Образцы предварительно твердели в течение 28 суток в воздушно-влажных условиях, а затем часть из них помещалась в 3 % раствор MgSO₄, а другая часть — в воду. По истечении 28, 60, 90, 120 и 180 суток определяли прочность при сжатии и рассчитывали коэффициент коррозионной стойкости как отношение прочности образца, твердевшего в растворе MgSO₄, к прочности образца, твердевшего в воде.

Влияние добавок-гидрофобизаторов на проницаемость цементного камня

Свойства используемых жидкостей представлены в табл. 1, а результаты исследования скорости их проникновения в цементный камень на основе бездобавочного цемента и цемента с 0,5 мас.% СК — в табл.2.

При определении скорости проникновения жидкостей в цементный камень на основе бездобавочного цемента установлено, что произведения Ф_п×Ф_г для всех исследованных жидкостей довольно близки. Так как исследованию подвергались образцы одного состава с одинаковыми значениями фактора пористости, то можно сделать вывод о том, что гидрофильность стенок капиллярных пор цементного камня (значения фактора гидрофобности и соответственно угла Q) по отношению как к воде, так и н-гексану и ацетону, примерно одинакова.

С другой стороны, при исследовании скорости проникновения различных жидкостей в цементный камень на основе цемента с гидрофобизатором установлено, что произведение факторов Ф_п×Ф_г в случае использования воды значительно ниже, чем в случае применения н-гексана или ацетона. Так как значение фактора пористости всех образцов с добавкой 0,5 мас.% СК можно принять постоянным, то становится очевидным, что в случае воды уменьшение произведения Ф_п×Ф_г связано, прежде всего, с увеличением гидрофобности внутренней поверхности цементного камня (увеличением краевого угла смачивания Q).

Ранее было установлено, что н-гексан, как и ацетон, вполне удовлетворительно смачивает поверхность частиц порошка СК, тогда как для воды он является полностью гидрофобным.

Таким образом, введение в состав цемента относительно небольших количеств гидрофобизатора — СК — приводит к заметному снижению скорости проникновения водных растворов корродирующего агента в цементный камень. Это связано, прежде всего с внутренней гидрофобизацией капиллярной структуры цементного камня. При этом общие характеристики пористости практически не изменяются.

Снижение скорости проникновения коррозионно-активного раствора в цементный камень может привести к заметному увеличению его коррозионной стойкости.

Влияние добавок-гидрофобизаторов на коррозионную стойкость цементного камня.

Строительно-технические свойства цементов с добавками СК представлены в табл. 3.

Как видно из полученных результатов, добавка СК оказывает слабое интенсифицирующее действие на процесс измельчения портландцемента. Скорость гидратации цемента в ранние сроки твердения в присутствии СК несколько уменьшается, что связано, вероятно, с замедлением скорости диффузии воды в затвердевший цементный камень. Однако к 28 суткам твердения прочность цемента с добавкой СК не уступает прочности бездобавочного цемента.

Интересно отметить, что цемент с добавкой СК обладает меньшей усадкой, чем бездобавочный цемент при хранении в воздушно-сухих условиях. Согласно современным представлениям, усадка цемента связана с отсосом воды в глубину пор цементного камня вследствие явления контракции. Появление пор, частично заполненных воздухом, приводит, в соответствии с уравнением (1), к возникновению капиллярного давления, стремящегося сблизить стенки пор. Гидрофобизация пор СК приводит к уменьшению величины капиллярного давления и, как следствие, к снижению усадки цементного камня при твердении.

Исследование коррозионной стойкости цементов проводили с использованием малых образцов, обладающих повышенной проницаемостью с целью ускоренного получения результатов.

Зависимость коэффициента стойкости цементов от времени хранения в 3 % растворе MgSO₄, представлена на рис. 1.

Как видно из полученных результатов, коррозионная стойкость цемента с добавкой СК значительно превышает коррозионную стойкость бездобавочного цемента, даже при длительных сроках хранения образцов в коррозионно-активной среде. Коэффициент сульфатостойкости цемента с добавкой гидрофобизатора после 180 суток хранения в среде MgSO₄ составляет 0,905, хотя по своему химико-минералогическому составу данный тип цемента не относится к сульфатостойким.

Таким образом, результаты данной работы подтверждают предположение о том, что гидрофобизация капиллярно-пористой структуры цементного камня снижает скорость проникновения коррозионно-активных растворов в цементный камень и приводит к значительному увеличению его «физической» коррозионной стойкости. Применение подобных гидрофобных добавок в сочетании с сульфатостойкими портландцементными клинкерами может привести к созданию особокоррозионностойких цементов, обладающих, к тому же, пониженными усадочными деформациями при твердении.

Какой толщины стен достаточно для дома летнего проживания

Перед строительством любого сооружения обязательно выполняются расчеты на показатели прочности. Самостоятельное выполнение подобных расчётов не всегда возможно, поэтому допускается исходить из примеров, учитывающих значения классов прочности, в соответствии с чем и подбирается толщина стены. Немаловажным фактором является также назначение возводимого строения.

В малоэтажном строительстве домов для летнего проживания целесообразно придерживаться основных несложных рекомендаций:

• одноэтажные дома в теплых климатических условиях, дачные и гаражные постройки требуют применения газобетона с толщиной не менее 200 мм;
• двух- и более этажные дома требуют применения газосиликата с толщиной от 300 мм;
• строительство подвальных помещений или цокольных этажей предполагает использование блоков толщиной 300-400 мм (здесь следует помнить, что газосиликат боится влаги, поэтому при риске её наличия лучше выбирать другие материалы);
• межквартирные и межкомнатные перегородки выполняются газобетоном толщиной в 200-300 мм и 150 мм соответственно.

Можно зайти на официальный сайт любого производителя блоков и посмотреть перечень размеров производимой продукции.

Здесь мы увидим, что блоки подразделяются на стеновые (для возведения стен) и перегородочные (для межкомнатных перегородок).

Особенности цемента

Наиболее распространенный цементный состав – материал, имеющий марку М400. Он отличается антикоррозионными характеристиками, повышенной прочностью, что позволяет его применять при производстве железобетонных изделий, гражданском строительстве, возведении промышленных объектов.

Технология изготовления, состав, плотность цемента М400 обеспечивают способность выдерживать усилия порядка 400 килограмм на 1 квадратный сантиметр. Состав с маркой М500 выигрывает по характеристикам и применяется, когда необходимо обеспечить увеличенную прочность.

Преимуществами цемента М400 являются:

• надежное твердение состава;
• возможность применения для строительства фундаментов, штукатурных работ, кладки;
• отсутствие растрескивания при соблюдении технологии;
• дешевизна, позволяющая достичь экономии финансовых ресурсов.

Ускорение затвердевания бетона

Состав и пропорции для приготовления бетона на основе гранита и цемента.

Чтобы получить быстротвердеющий бетон с высокими характеристиками прочности, достигаемыми в естественных условиях уже в первые дни после его заливки, можно использовать и обычный цемент. К способам ускорения застывания бетона относятся:

• уменьшение в растворе цементной и водной составляющих (тощий бетон);
• применение модификаторов, активирующих гидратацию;
• домалывание связующего компонента с добавлением в него гипса.

К тощему бетону относится и бетонный раствор марки 200, из которого уже могут изготавливаться конструкции перекрытий. Менее марочные растворы применяются в подготовке оснований перед дорожным строительством и возведением зданий. Ускорение застывания бетона достигается, благодаря меньшему количеству реагентов, из-за которых процесс гидратации проходит гораздо быстрее. При изготовлении так называемого жесткого бетона нельзя увеличивать дозировку воды, так как ее избыток приведет к ухудшению качества раствора.

Затвердевание бетона проходит быстрее, если при приготовлении в раствор добавлять хлористый кальций. Его содержание в бетоне не должно превышать 3%. Если изготавливается железобетонная конструкция, то количество CaCl₂ снижается до 2%. Этот модификатор нельзя закладывать в растворы, которыми будут заливаться железобетонные конструкции с арматурой сечением тоньше 4 мм, так как он станет причиной коррозии металла. Не рекомендуется его применять и для сооружения долговременных ЖБИ. Следует добавить, что хлористый кальций добавляется в смесь вместе с водой. Перед тем как залить жидкость в бетон, модификатор необходимо растворить в ней. Специалисты советуют добавлять CaCl₂ в пуццолановые цементы, шлакопортландцементы и цементы с длительным сроком затвердевания.

Быстротвердеющий бетон, набирающий за первые сутки застывания до 50-55% расчетной прочности, получается при домалывании и добавлении в него гипса, содержание которого в связующем компоненте доводится до 3%. Однако лабораторные опыты показали, что лучшие показатели затвердевания показал бетон на основе цемента с 8-процентным содержанием гипса. Специалисты, проводившие исследования отметили, что более эффективным отвердителем является высокопрочный гипс. Бетон, приготовленный с этим модификатором, по показателям прочности почти в 1,5 раза превысил раствор, в который добавлялся обычный строительный гипс.