Структура и свойства цементного теста и цементного камня способы их регулирования

Способы формирования структуру и свойств цементного камня

При изучении особенностей гидратации клинкерных составляющих цемента было установлено, что все минералы, составляющие портландцемент, при взаимодействии с водой выделяют тепловую энергию.

О.П. Мчедловым-Петросяном и А.В. Ушеровым-Маршаком было предложено определять особенности гидратации цементов по тепловыделению в начальные сроки твердения – до 2–7 суток и более.

В результате проводимых исследований характера процессов тепловыделения в начальные сроки гидратации цементного теста можно оценивать активность цемента и связывать полученные данные по тепловыделению с тонкостью помола и активностью входящих минералов, устанавливать индукционный период и его длительность, а также объяснять особенности твердения цементного камня. Такой подход позволяет в каждом случае быстро и четко определять возможность наиболее эффективного использования цемента в производстве бетонов разного назначения и свойств.

Кроме того, используя калориметрию можно выбрать наиболее эффективные добавки-ускорители и -замедлители твердения, оценить эффективность применения модификаторов структуры и т. д.

Портландцемент. Свойства и особенности портландцемента. Главный параметр цемента.

Изучение процесса гидратации портландцементов методом калориметрии позволяет:

• выявить особенности тепловыделения в начальный период, связанный с процессами смачивания и гидратации в поверхностном слое;
• выделить индукционный период и объяснить процессы, протекающие внутри цементных частиц, блокированных друг от друга первичными гидратами;
• объяснить активное тепловыделение в постиндукционный период и причины возникающих всплесков тепловыделения в поздние сроки твердения (на 3-и, 7-е, 28-е сутки и т. д.).

А.А. Пащенко, рассматривая получаемое при гидратации тепловыделение, предложил объяснение последовательности процессов, протекающих в цементном тесте сразу после затворения водой.

Индукционный период устанавливается в результате блокировки зереналита мембранами из первичного гидросиликата, образовавшегося в начальный период смешивания цемента с водой. В дальнейшем через мембрану происходит ограниченное поступление воды в алитовые зерна, что вызывает гидролиз алита с выделением в жидкую фазу ионов кальция.

В результате гидролиза С3S из закрытых мембранами зерен выделяются ионы Са2+, которые, перемещаясь через мембрану в жидкую фазу раствора, повышают рН. Кремнеземистая составляющая, оставаясь под пленкой, гидратирует, то есть присоединяет ионы ОН– и образует под пленкой первичного гидрата кремнеземистый гель – Si(OH)2.

Кремнеземистый гель за счет поглощения поступающей воды постепенно накапливается под мембраной и увеличивается в объеме. В итоге значительно увеличившийся в объеме гидросиликатный гель разрушает мембрану и выходит в свободное

Нормальная густота цементного теста

пространство между гидратирующимися зернами цемента.

Это пространство заполнено водным раствором, содержащим в некотором количестве алюминаты и алюмоферриты, но в большей степени раствор пересыщается ионами Са2+, в результате рН раствора достигает значений выше 12. В такой среде аморфный гель кремнезема, имея значительный отрицательный заряд, активно поглощает ионы кальция из жидкой фазы, образуя пересыщенные кальцием гидросиликаты. Этот процесс одновременно вызывает снижение рН жидкой фазы цементного теста и способствует формированию стабильных в сформировавшейся среде гидросиликатов кальция и установлению постоянного рН в системе.

Продолжающийся процесс гидратации цементных минералов, в первую очередь алита, а в дальнейшем и белита, способствует дополнительному выделению ионов кальция в жидкую фазу и образованию в поровом пространстве гидросиликатов кальция, а также свободного гидроксида кальция (Са (ОН)2) в виде кристаллов пластинчатого строения.

Изменяя водоцементное отношение, тонкость помола цемента, условия твердения, включающие изменение температуры и времени твердения, а также вводя добавки-активаторы твердения и модификаторы структуры, можно влиять на скорость и направленность процессов формирования требуемой структуры цементного камня, а также на состав в ней гидратных фаз, то есть формировать обычную структуру из высокоосновных ГСК с низкой стойкостью к химически агрессивным средам, или же из низкоосновных ГСК, обеспечивающих более высокие механические показатели и увеличение долговечности.

Получение структуры цементного камня с пониженной пористостью обеспечивают добавки-суперпластификаторы, позволяющие снизить В/Ц на 25–45 %. Сформировать структуру гидратных фаз предпочтительно из низкоосновных и стабильных гидратных фаз можно введением в цементное тесто добавок-модификаторов. Такими добавками являются в основном вещества, содержащие активный кремнезем: микрокремнезем, зола рисовой шелухи, золу сопропелей, доменные гранулированные шлаки и другими приемами.

Управлять скоростью твердения цементного камня и бетона можно разными способами, включающими использование добавок-ускорителей твердения, воздействие повышенных температур, введение суперпласти-фикаторов и, соответственно, снижение В/Ц, использование тонкомолотых цементов и других приемов.

Статьи по теме

• Пластифицирующие добавки
• Эфиры целлюлозы
• Вяжущие, заполнители и минеральные добавки
• Параметры для жаростойкого бетона
• Особенности формирования структуры жаростойкого бетона
• Заполнители для жаростойкого бетона
• Тонкомолотые добавки
• Вяжущие для жаростойкого бетона
• Принципы получения жаростойкого бетона и особенности структуры и состава

Источник: student-servis.ru

Свойства цементного камня и приемы получения цементного камня оптимальной структуры.

гель, состоящий из частичек гидратных новообразований размером 50—200 А и более и гелевых пор диаметром от 10— 30 до 1000А. Объем гелевых пор при твердении цементав нормальных условиях по Пауэрсу составляет 0,28 общего0 28 объема геля с порами 0,39объема

твердой фазы геля. При твердении цемента при повышенных температурах под давлением объем гелевых пор, по данным Рой, может уменьшаться до 0,22. Объем пор между части­цами гидратных новообразований других вяжущих можег значительно отличаться от тех, какие свойственны цемент­ному камню. Так, минимальный объем пор в гипсовом кам­не, образующемся при взаимодействии полуводного гипса с водой, составляет 0,15—0,17 объема твердой фазы дву гид­рата с порами (при условии твердения системы без набу­хания);

относительно крупные кристаллы таких новообразова­ний, как Са (ОН)- и др., видимые в микроскоп и не обла­дающие свойствами коллоидов;

капиллярные поры размером в поперечнике от 0,1 до 20 мкм;

сферические воздушные поры размером от 50—100 мкм до 2 мм; они образуются в небольшом количестве (2—5%) вследствие вовлечения воздуха при изготовлении теста.

Рассматриваемая структура цементного камня обуслов­ливает его исключительно высокую водонепроницаемость. Так, цементный камень, полученный из теста с В/Ц, рав­ным приблизительно 0,4—0,45, характеризуется примерно такой же водонепроницаемостью, что и плотным естествен­ен! камень с объемом пустот до 2—3%.

Это объясняется огромным сопротивлением прохождению молекул воды через тончайшие микрокапилляры. Увеличение водоцемент­ного фактора до Г>0% и более приводит к резкому росту водо­проницаемости затвердевшего цемента. В десятки раз по­вышается водопроницаемость камня и после его высыхания. Последующее же водонасыщение не обеспечивает полного восстановления начальной непроницаемости, по-видимому, вследствие необратимых усадочных процессов, нарушающих тонкую капиллярную структуру цементного камня.

Бетоны и растворы характеризуются более высокой водопроницаемостью, чем цементный камень, что объяс­няется их меньшей однородностью и наличием крупных неплотностей, трещин и пор, возникающих в местах контакта цемента с заполнителями вследствие седиментацнониых явлений, а также различия показателен усадки и т. п. Введение в цемент хлоридов кальция, натрия и железа (2—5°6) и некоторых других веществ, по данным Ю. В. Чеховского способствует значительному уменьшению как объемов и размеров макропор, так и проницаемости цементного камня.

Важно отметить большое влияние на свойства цемент­ного камня сферических пор, образующихся в результате вовлечения воздуха при изготовлении теста и размещающихся в общей массе новообразовании. Он и являются или замкнутыми, или сообщающимися с капиллярами. Вследствие значительных размеров этих пор водяные пары в них не конденсируются. Расчленяя капилляры, поры препятствуют перемещению по ним воды

Свойства цементного камня:

1) Долговечность – это способность ЦК сохранять достаточный уровень строительно-технических и механических свойств при продолжительной эксплуатации.

2) Морозостойкость – способность ЦК находится в состоянии насыщенным водой, противостоять многократным периодическим замораживаниям и оттаиваниям.

4) Усадка ЦК – свойство ЦК уменьшать его объём и массу.

Химическая коррозия цементного камня. Коррозия выщелачивания ,кислотная, сульфатная, сульфатно-альминастная, магнезиальная, сульфатно-магнезиальная, карбонатная коррозия. Коррозия под действием орган.веществ.

1. Коррозия выщелачивания

Ca(OH)2 может вымываться из цементного камня водой

PH=12,8 при удалении Ca(OH)2 , PH уменьшается, если PH=10,8 начнётся коррозия арматуры. Коррозия может привести к 40% уменьшению прочности.

2.Связать Ca(OH)2 в нерастворимое соединение, использовать активные минеральные добавки:

Для предотвращения коррозии закладывают марку по водонепроницаемости.

Если PH меньше 4 с коррозией не справимся. Обязательно гидроизоляционные плёнки.

3. Углекислая коррозия

4. Сульфатная коррозия протекает по разным механизмам

4.1 Сульфоаллюминатная коррозия – концентрация сульфат ионов 250-1000 мг/л

4.2 Гипсовая коррозия

4.5 Магнезиальная коррозия.

Газовая коррозия имеет химический вариант разновидности. Сорбция газов выше, чем водонепроницаемость. Растворимые газы проникают в поры цементного камня образуя кислую среду. За счёт паров воды или прямого воздействия воды газы растворяются и в порах цементного камня образуется агрессивная кислая среда,сульфат ион, азотные соединения.

1. Вид коррозии – коррозия выщелачивания, связана с вымыванием из цементного камня Са(ОН)2.

Данный вид коррозии протекает практически всегда.

Изучение последствий процесса коррозии выщелачивания показывает, что вымывание из цементного камня 15-30% имеющегося Са(ОН)2, приводит к снижению прочности камня на 40-50%. Если в воде присутствуют растворенные соли NaCl, Na2SO4, то растворимость Са(ОН)2 увеличивается и процесс идет с большей скоростью. Т.е. главнейшие компоненты цементного камня – гидросиликаты кальция (ГСК), гидроалюминаты, гидроферриты и гидросульфоалюминаты кальция (ГСАК), гидрооксид кальция устойчиво существуют в твердой фазе в контакте с поровой жидкостью цементного камня при определенной концентрации в ней оксидов. При смывании или фильтрации мягкой воды через бетон происходит уменьшение концентрации растворимого соединения Са(ОН)2 в поровой жидкости, затем начинается перекристаллизация других гидратов. Наименее устойчивыми являются высокоосновные гидросиликаты кальция, которые растворяются инконгруентно, выделяя в раствор новую партию Са(ОН)2.

В результате снижения концентрации Са(ОН)2 происходит примерно такой ряд превращений:

C2S ad → C3S2 ad → 2CSH → 2SiO2·H2O

CaO в раствор CaO в раствор 2CaO в раствор

Вымывание из цементного камня Са(ОН)2 приводит к понижению щелочности цементного камня, пассивирующая способность цемента по отношению к стальной арматуре снижается и начинается процесс коррозии арматуры.

При низкой щелочности камня становятся неустоичивыми образованные гидросиликаты кальция, камень начинает активно разрушаться.

2. Кислотная коррозия протекает по схеме:

CaO·2SiO2·H2O + HCl →CaCl2 + 2SiO2 ag + H2O

В результате данного вида коррозии разрушаются гидросиликаты кальция (основные цементирующее систему соединения), с образованием легко растворимого соединения CaCl2 и аморфного кремнезема — SiO2 ag, процесс кислотной коррозии сопровождается не только коррозией цементного камня, но и коррозией арматурных элементов. Нормами предусмотрено, что при среде с рН менее 4 бетонные конструкции должны быть изготовлены на другом виде цементов.

3. Углекислая коррозия

Са(ОН)2 + СО2 +Н2О→CaСО3 + H2O

4. Сульфатная коррозия

В зависимости от концентрации сульфат-ионов SO4-2 механизм коррозии может быть различен. Если концентрация сульфат-ионов в окружающей среде составляет 250-1000 мг/л, то процесс коррозии идет по следующей схеме:

В порах камня формируется вторичный ангидрит

Если в жидкой среде присутствуют не сульфаты кальция, а сульфат натрия NaSO4. Процесс протекает по схеме:

Ca(OH)2 + NaSO4→ CaSO4 + NaOН

CaSO4 + 3CaO·Al2O3·6H2O →3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

Гипсовая коррозия связана с образованием в порах цементного камня двуводного сульфата кальция и протекает по схеме:

Сульфатно-магнезиальная коррозия при концентрации сульфата магния в агрессивной среде 1.5-2%,

Ca(OH)2 + MgSO4+H2O→CaSO4·2H2O + Mg(OH)2

Гипс откладывается в порах камня, а т.к. Mg(OH)2 плохо растворим в воде, то процесс может протекать до полного расходования Ca(OH)2.

Особо агрессивной для цементного камня является среда, содержащая сульфат аммония (NH4)2SO4

5. Магнезиальная коррозия

Ca(OH)2 + MgCl2+H2O→CaCl2 + Mg(OH)2

На цементный камень оказывают негативное влияние органические кислоты (винная, молочная, уксусная идр.), высокомолекулярные кислоты жирного ряда (рыбий жир, льняное масло и др.)

Коррозия связана с омылением Ca(OH)2 в результате чего образуются многоатомные спирты а затем агрессивные соли.

Для повышения коррозионной стойкости при помоле портландцементного клинкера вводят активные минеральные добавки, содержащие аморфный кремнезем, с участие которого в системе протекает процесс связывания Ca(OH)2 аморфным кремнеземом в нерастворимый гидросиликат кальция по схеме:

Ca(OH)2 + SiO2 ag + H2O→3CaO·2SiO2·2H2O

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Источник: cyberpedia.su

Структура цементного теста и камня

Г ель из гидросиликатов кальция имеет слоистую структуру. Каждый слой образован несколькими параллельными элементарными слоями, которые разделены межслоевым пространством и содержит поры, количество которых с течением времени возрастает.

Цементный камень включает:

• — непрореагировавшие зерна клинкера;
• — продукты гидратации:

• а) гель, состоящий из частичек гидратных новообразований размером 50. 200 А и более и гелевых пор диаметром от 0,5 до 10 нм, объем

которых при твердении цемента в нормальных условиях по Пауэрсу со-

ставляет 0,28 общего объема геля с порами. Это составляет ^-^=0,39

объема твердой фазы геля. При повышенных температурах под давлением объем гелевых пор может уменьшаться до 0,22. В сформировавшемся цементном камне гидросиликатныи гель составляет примерно

• 50.. .60 % объема твердой фазы;
• б) крупные кристаллы Са(ОН)2, количество которого может достигать 20. 25 %;

• в) гидросульфоалюминаты кальция — 15. 20 %;
• г) капиллярные и контракционные поры;
• д) большие сферические поры, образованные в результате воздухо- вовлечения.

Качество новообразований в цементном камне определяется их составом и дисперсностью. Количество новообразований прямо пропорционально степени гидратации цемента а, численно равной отношению прореагировавшей с водой части цемента к обшей массе цемента. Степень гидратации цемента к определенному моменту а с достаточной точностью может быть определено методом РФА или по содержанию химически связанной воды ш, неиспаряемой при высушивании. Степень гидратации определяют:

где 0)t — количество воды, связанное к определенному моменту; (л)тах — количество воды, связанное при полной гидратации цемента.

Установлено, что для цементного камня атах = 2 — .

Горчаков Г.И. предложил экспериментально-расчетный метод определения групповой пористости цементного камня, выделив три группы пор:

1. Капиллярные поры Пк, образуемые «капиллярной» испаряющейся водой, имеют с поверхностью физико-механическую связь, размер которых находится в пределах 1 * 10 -4 — 50-10 -4 см. Их можно определить, зная степень гидратации а:

2. Контракционные поры Пконтр образуются вследствие уменьшения абсолютного объема в системе цемент — вода, располагаются в цементном геле и имеют размер от 5 до 20 нм и рассчитываются по следующей формуле:

3. Поры геля Пг представляют собой промежутки между его частицами, образованные испаряющейся водой, адсорбционно связанной в

гидратных оболочках геля. Они имеют размеры от 15-10′ — 40-10″ см и рассчитываются по формуле:

Общая пористость П0бщ цементного камня представляет сумму всех трех видов пор:

При полной гидратации цемента пористость уменьшается при понижении В/Ц. При В/Ц = 0,38 относительная пористость приблизительно равна пористости цементного геля. При меньших В/Ц она уменьшается за счет включения частиц негидратированного цемента. При В/Ц > 0,38 к пористости геля добавляется контракционная пористость, а при В/Ц >0,5 еще и капиллярная пористость.

Источник: bstudy.net

42. Твердение цементного теста. Состав и строение цементного камня.

Цементное тесто, приготовленное путем смешивания цемента с водой, имеет три периода твердения.

1)Первый период (вначале1-3ч), который можно назвать периодом растворения или подготовительным периодом. Когда цемент приходит в соприкосновение с водой, тотчас начинается химическая реакция и протекает она на поверхности зерен. Продукты реакции переходят в раствор до тех пор, пока жидкость, окружающая зерня цемента, не превратится в насыщенный раствор продуктов реакций.

2)Потом начинается схватывание, заканчивающееся через 5-10ч после затворения. Во время второго периода (коллоидации) цементное тесто загустевает, утрачивает подвижность, но прочность еще не велика.

3)Третий период — кристаллизации или твердения (переход загустевшего теста в твердое состояние означает конец схватывания и начало твердения )При затворении цемента водой: сначала из алита при взаимодействии с водой образуется гидросиликат и гидроксид кальция: 2(3CaO*SiO2)+6H2O=3CaO*2SiO2*3H2O+3Ca(OH)2. Затем гидратируется белит: 2(2CaO*SiO2)+4H2O=3CaO*2SiO2*3H2O+Ca(OH)2. Взаимодействие трехкальциевого алюмината с водой приводит к образованию гидроалюмината кальция: 3СаО*Al2O3+6H2O=3CaO*Al2O3*6H2O.Четырехкальциевыйалюмоферрит при взаимодействии с водой расщепляется не гидроалюминат и гидроферрит: 4СаО*Al2O3*Fe2O3+mH2O=3CaO*Al2O3*6H2O+CaO*Fe2O3*nH2O. Гидроалюминат связывается добавкой природного гипса, а гидроферрит входит в состав цементного геля

43. Коррозия цементного камня и способы замедления процессов разрушения камня.

Коррозию цементного камня и бетона подразделяют на три основных вида в зависимости от механизма разрушения структуры:

коррозия I вида обусловлена растворением и вымыванием некоторых его составных частей̆ (коррозия выщелачивания);

коррозия II вида обусловлена воздействием агрессивных веществ, которые, вступая во взаимодействие с составными частями цементного камня, образуют либо легкорастворимые и вымываемые водой̆ соли, либо аморфные массы, не обладающие связующими свойствами;

коррозия III вида объединяет процессы, при которых компоненты цементного камня, вступая во взаимодействиt с агрессивной̆ средой, образуют соединения, занимающие больший объем, чем исходные продукты реакции

После вымывания свободного гидроксида кальция и снижения его концентрации ниже 1,1 г/л начинается разложение гидросиликатов, а затем гидроалюминатов и гидроферритов кальция. В результате выщелачивания повышается пористость цементного камня и снижается его прочность.

Процесс коррозии первого вида ускоряется, если на цементный камень действует мягкая вода или вода под напором.

Для предупреждения коррозии I вида необходимо: 1.Создать бетоны повышенной плотности за счет интенсивного уплотнения цементного камня;

3.Вводить в цемент тонкомолотые минеральные добавки которые связывает гидроксид кальция в нерастворимые соединения

Са(ОН)2 + SiO2(аморф.) + mH2O = CaO·SiO2nН2О. 4.Использовать пуццолановый цемент;

5.Карбонизация поверстного слоя бетона, путем выдерживания его на воздухе; 6Гидроизоляция поверхности цементного камня в виде оклейки, облицовки или пропитки поверхностного слоя гидроизоляционными материалами.

II вид: К разновидностям коррозии второго относятся

кислотная, магнезиальная коррозия, коррозия под влиянием некоторых органических веществ и т. п.

Кислотная коррозия возникает при действии растворов любых кислот, за исключением поликремниевой и кремнефтористоводородной.

Кислота вступает в химическое взаимодействие с Ca(OH)2, образуя растворимые соли (например, СаСl2) и соли, увеличивающиеся в объеме (CaSO42H2O)

Меры защиты от кислотной коррозии: При слабой кислотной коррозии (рН=4-6) цементный камень защищают кислотостойкими материалами (окраской, пленочной изоляцией и т. п.). По стойкости к действию кислот слабой концентрации цементы можно расположить в таком порядке: глиноземистый цемент, пуццолановый ПЦ и обычный ПЦ.

Вредное влияние оказывают и масла, содержащие кислоты жирного ряда (льняное, хлопковое, рыбий жир и т. п.). Нефть и нефтяные продукты не опасны для цементного бетона, если в них нет остатков кислот, но они легко проникают через бетон.

Характерной коррозией III вида является сульфатная коррозия. Сульфаты, часто содержащиеся в природной и промышленных водах, вступают в обменную реакцию с гидроксидом кальция, образуя гипс CaSO42H2O.

При действии на бетон сернокислового натрия сульфат натрия вступает в реакцию с гидроксидом кальция цементного камня:

Разрушение цементного камня в этом случае вызывается кристаллизационным давлением кристаллов двуводного гипса.

Для защиты бетона от солевой коррозии необходимо:

-применять бетоны с низким В/Ц;

-тщательно уплотнять бетонную смесь;

-использовать воздухововлекающие и уплотняющие добавки;

-применять пористые заполнители, а также цементы, обеспечивающие высокую плотность цементного камня (портландцемент без минеральных добавок);

-отводить агрессивные солевые растворы от поверхности конструкции, либо изолировать их путем устройства защитных покрытий.

Борьбу с коррозией̆ III вида следует вести, принимая во внимании следующее:

— введение в бетонную смесь воздухововлекающих, пластифицирующих добавок, химических добавок (CaCl2), повышающих растворимость гидрата окиси кальция и гипса, кремнеорганических веществ, способствует повышению стойкости цементного камня и бетона к коррозии.

— эффективно создание защитных слоев на поверхности бетонной конструкции виде оклеечной, облицовочной или лакокрасочной изоляции

Источник: studfile.net