Robototehnika-info.ru

Робототехника Инфо
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

ГЛАВА 1. Портландцемент

ГЛАВА 1. Портландцемент

меньше капиллярных, их размер 15—20 А в диаметре, лишь на один порядок больше размера молекул воды. Поэтому давление водяного пара и подвижность адсорбированной воды отличаются от соответствующих свойств свободной воды. Количество обратимой воды указывает непосредственно на пористость геля.

Поры геля занимают объем, составляющий около 28% общего объема геля. Фактическое значение пористости геля является характерным для данного цемента и в основном не зависит от ВЩ смеси и степени гидратации. 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 пор геля. С другой стороны, объем капиллярных пор уменьшается с развитием гидратации. Величина пористости, равная 28%, означает, что поры геля занимают пространство, эквивалентное около 1/3 объема твердой фазы геля. Отношение поверхности твердой фазы геля к ее объему равно соответствующему отношению для сферы диаметром около 90 А. Это не должно истолковываться таким образом, что гель состоит из сферических элементов; его частицы в основном имеют вид волокон. Связки таких волокон образуют сетку, содержащую более или менее аморфное промежуточное вещество.

Пористость геля можно выразить и другим способом, считая, что объем пор превышает примерно в три раза объем воды, достаточный для образования мономолекулярного слоя на всей поверхности твердой фазы геля.

Определение адсорбции воды позволяет установить, что удельная поверхность геля равна примерно 5,5X10 6 см2/см3, или около 2 млн. см2/г. Для сравнения напомним, что удельная поверхность негидратированного цемента находится в пределах 2000—5000 см2/г. В связи с рассмотрением пористой структуры уместно заметить, что цементный камень, полученный при автоклавной обработке при высоком давлении, имеет удельную поверхность лишь около 70 000 см2/г. Это указывает на совершенно различный размер частиц продуктов гидратации при высоком давлении и высокой температуре. Представляется, что пропаривание приводит к образованию почти полностью микрокристаллического вещества.

Удельная поверхность цемента, твердевшего в нормальных условиях, зависит от температуры твердения и химического состава цемента. Было показано, что отношение удельной поверхности к весу неиспаряющейся воды (которая пропорциональна величине, определяемой уравнением 0,23(C3S) +0,32 (C2S) +0,317(C3A) + 0,368(C4AF), где символы в скобках обозначают процентное содержание соответствующих клинкерных минералов в цементе. Как видно, имеются небольшие различия в величинах коэффициентов для трех последних минералов, и это указывает на то, что удельная поверхность цементного камня мало меняется при изменении состава цемента. Сравнительно низкий коэффициент для C3S есть следствие того, что C3S образует большое количество микрокристаллов Са(ОН)2, которые имеют удельную поверхность намного ниже, чем гель.

Пропорциональная зависимость между весом воды, образующей мономолекулярный слой на поверхности геля, и весом неиспаряющейся воды в тесте для данного цемента означает, что гель с примерно одинаковой удельной поверхностью образуется в течение всего процесса гидратации, т. е. происходит постоянное образование частиц одинакового размера. При этом размеры уже образовавшихся гелевых частиц не изменяются. Однако это не характерно для цемента с высоким содержанием C2S.

Читайте так же:
Цемент лафарж м500 д20

Неорганические материалы, 2019, T. 55, № 10, стр. 1141-1148

Иследованно формирование структуры цементного камня с использованием кремнеземсодержащих и инертных добавок, а также механохимической активации. Методами РФА, ДТА, микроструктурного анализа определены рациональные составы и гранулометрический состав композиционных вяжущих, что позволяет получить заданные физико-механические характеристики цементного камня и бетона на его основе. Показано, что синергетическое действие пуццолановых и инертных добавок интенсифицирует процессы гидратации, уплотняя микроструктуру новообразований.

ВВЕДЕНИЕ

Формирование структуры цементного камня в процессе гидратации цемента изучалось рядом исследователей [1–6]. Однако, несмотря на это, до настоящего времени отсутствует единая теория фазообразования гидросиликатов кальция в процессе затворения цемента водой. Существующие теории – кристаллизационная (А. Ле-Шателье), коллоидная (В. Михаэлис) и кристаллизационно-коллоидная (А. Байков) – объясняют механизмы гидратации цемента с различных позиций.

В целом, все эти теории соглашаются с тем, что в ходе твердения цементного камня образуются коагуляционные, условно-коагуляционные и кристаллизационно-конденсационные структуры, вклад каждой из которых в прочность композита зависит от водоцементного отношения, химического и минерального состава гидратирующего материала, условий и продолжительности твердения [7–11]. На формирование высокопрочной структуры цементного камня также влияет контактная зона между гидратами и остатками зерен исходных цементов. Исходя из этого структурообразование цементного камня зависит от ряда факторов, на которые можно влиять с помощью различных технологических приемов и подбора состава вяжущего.

Таким образом, представляется необходимым управление структурообразованием цементного камня за счет применения кремнеземсодержащих и органических добавок, активации вяжущего, снижения водоцементного отношения.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Тот факт, что вклад цементной промышленности в глобальную эмиссию парниковых газов, особенно CO2, составляет 7–10%, и признание того, что это третья наиболее энергоемкая отрасль [12, 13], вызывают серьезную экологическую озабоченность в индустриальной окружающей среде. В частности, при производстве 1 т клинкера в атмосферу выбрасывается 0.97 т углекислого газа [14]. Замена части цемента различными добавками позволяет снизить выброс парниковых газов в атмосферу.

Композиционные вяжущие (КВ) представляют собой смесь гидравлического вяжущего, кремнеземсодержащего компонента и различных модификаторов, способствующих оптимизации заданных характеристик конечных изделий. К текущему времени разработан и испытан довольно значительный ряд различных КВ, уникальных с позиции защиты окружающей среды, выгодных по капитальным вложениям, а также изготовленных и апробированных в промышленных масштабах. В то же время в силу действия различных факторов эти композиты не имеют заслуженного объема производственных мощностей на цементных и бетонных заводах и рынках сбыта [15].

Увеличение прочностных характеристик композиционных материалов происходит в первую очередь в результате механохимической активации их вяжущей системы. Существует целый ряд способов активации вяжущего, самый простой из которых – измельчение. Кроме того, с экологической точки зрения механохимическая активация дает возможность получить наиболее устойчивый материал, не производя при этом выбросов углекислого газа в атмосферу. Устойчивость свойств активированного материала достигается за счет высвобождения свободной внутренней энергии, которая определяется дефектностью кристаллической решетки.

Читайте так же:
Технологические исследования сырьевых материалов для производства цемента

Также повышение технических характеристик получаемого цементного камня может быть обусловлено формированием дополнительных центров кристаллизации за счет мелких зерен добавок, располагающихся в контактной зоне цемента [16–18]. В то же время, данный “эффект микронаполнителя” нельзя объяснить только появлением добавочных центров кристаллизации, в первую очередь потому, что их непосредственное действие проявляется в увеличении скорости первого этапа химического твердения. В основе “эффекта микронаполнителя” лежат как химические процессы взаимодействия цемента с продуктами гидратации, так и физико-химические явления, в частности, влияние поверхностной энергии нанодисперсных частиц вяжущего.

При использовании КВ в бетонах возникает процесс упрочнения контактной зоны между цементным камнем и заполнителем. В традиционных бетонах на основе портландцемента без активных минеральных добавок зона контакта в основном менее плотная по сравнению с цементным тестом и включает большое количество пластинчатых кристаллов Сa(OH)2, у которых продольная ось перпендикулярна поверхности заполнителя. Соответственно, она более подвержена возникновению микротрещин при растяжении, которое проявляется в случае изменения температурно-влажностных условий. Исходя из вышеизложенного контактная зона по своему строению является наиболее слабой в бетоне и поэтому оказывает наибольшее влияние на его прочностные характеристики. Измельчение вяжущего в решающей степени уменьшает капиллярную пористость контактной зоны в результате значительного снижения общей концентрации гидроксида кальция.

Цель настоящей работы – изучение особенностей структурообразования цементного камня при использовании различных добавок, а также механохимической активации.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для подтверждения теоретических положений были запроектированы КВ с различным соотношением компонентов: портландцемент (55–100%), зола уноса (0–45%), известняк (0–10%).

Для образцов применялся Спасский товарный цемент марки ЦЕМ I 42.5 Н, химический состав которого приведен в табл. 1. В качестве активной добавки в КВ использовали золы уноса крупнейших угольных ТЭС Приморского края: Артемовской ТЭЦ, Приморской ГРЭС и Партизанской ГРЭС (табл. 2).

Публикации

Известно, что микрокремнезем (МК) в сочетании с водоредуцирующей добавкой. повышает; прочность, водонепроницаемость, сульфатостойкость и другие свойства бетонов [1]. Особенности структуры цементного камня с МК заключаются в характере распределения пор [2]. Они свойственны цементному камню и бетонам с добавкой МК, содержащей диоксид кремния не менее 85%. Так как MК является отходом производства, его физико-химические свойства, в частности дисперсность и содержание диоксида кремния, во многом зависят от качества сплавов [3].
В НИИЖБе, исследовали особенности структуры цементного камня, прочность и проницаемость бетонов в зависимости от вида и количества МК, а также водоредуцирующей добавки. При этом рассмотрели три вида МК, отличающихся содержанием диоксида кремния и дисперсностью. Образцы МК являлись отходами производства кристаллического кремния Братского алюминиевого завода, низкомарочного ферросилиция Ермаковского и ферросиликохрома Актюбинского ферросплавных заводов (марки Бкр, Ефс, Афсх). Основные физико-химические свойства МК приведены в табл.1.

Читайте так же:
Цементный раствор для покраски

Таблица 1

ПРИМЕЧАНИЯ: S –удельная поверхность, r — истинная плотность, W – водопотребность.

Для экспериментов применяли портландцемент марки 400 Подольского завода без минеральных добавок, соответствующий ГОСТ 10178, кварцевый песок фракции 0. 5 мм с Мкр=2,1, а также гранитный щебень фракций 5. 20 мм. В качестве водоредуцирующей добавки служил суперпластификатор С-З.
Исследования цементного камня проводили на образцах, составы которых приведены в табл. 2. Особенность составов заключалась в одинаковом, содержании воды [В/(Ц+МК) = 0,28] и равной дозировке трех разных видов МК. Дозировку С-3 подбирали для обеспечения одинаковой пластичности суспензий, соответствующей нормальной густоте цементного теста. В одном случае дозировку С-3 увеличили для определения влияния ее количества на свойства цементного камня.

Таблица 2

Состав цементного камня, кг

ПРИМЕЧЕНИЯ: 1). Перед чертой – Ц, после черты – МК. 2). В=0,575 л.

Пористость и прочность цементного камня определяли на образцах размерами 1?1?3 и 3?3?3 см. Структуру цементного камня исследовали в возрасте 28 сут, прочность — после 3, 7, 14 и 28 сут.
Пористость определяли взаимно дополняющими методами протонного магнитного резонанса с диапазоном измерений пор диаметром 1?10-3…1?10-1 мкм [4]; малоугловой рентгеновской дифракцией с диапазоном измерений 2?10-3…3?10-1 мкм; ртутной порометрией с диапазоном измерений 1?10-1…4?10 мкм; оптической микроскопией шлифов с диапазоном измерений 4?10…1?103 мкм.
Метод определения пористости цементного камня с помощью npoтонного магнитного резонанса, разработанный в Санкт-Петербургском физико-техническом институте, основан на размерном эффекте температуры плавления льда, содержащегося в порах материала — температура плавления понижается при уменьшении их размера.
С помощью рентгенофазового анализа определяли степень гидратации цемента и содержание низкоосновных гидросиликатов кальция — CSН (I) . Идентификацию фаз проводили по международной таблице JCPDS. Степень гидратации определяли по интенсивности основного рефлекса C3S. Количество CSH (I) устанавливали в результате сравнения интенсивности основного рефлекса b-CS, полученного на обожженных при 1000оС образцах цементного камня, с эталоном (кварцем).
Результаты определения пористости исследуемых образцов цементного камня приведены в табл. 3. Из нее следует, что при несущественной (менее 2 %) разнице в общей пористости образцы отличаются характером распределения пор разного диаметра.

Таблица 3

П о р и с т о с т ь, %

технологическая (макроскопический уровень)

гелевая (надмолекулярный уровень)

*) Перед чертой – микроскопический уровень, после черты – субмикроскопический уровень

Используя одну из известных классификаций структуры цементного камня по уровню дисперсности [5] условно разделили поровое пространство исследованных образцов на поры надмолекулярного (1?10-3<d?5?10-3 мкм), субмикроскопического (5?10-3<d?1?10-1 мкм), микроскопического (1?10-1<d?4?10 мкм) и макроскопического (4?10<d? 2?103 мкм) уровней.
В надмолекулярный уровень вписываются поры геля; образованные наиболее дисперсными новообразованиями, которые, в основном, и определяют прочность цементного камня [6]. Во второй уровень попадает основная часть гидратных новообразований и микрокапилляры, которые преимущественно определяют водо- и газонепроницаемость цементного камня. Микроскопический уровень включает некоторые новообразования, например Са(ОН)2, дефекты структуры в виде микротрещин и макрокапилляры, также влияющие на прочность и проницаемость цементного камня. Макроскоnический уровень характеризуется дефектами и порами технологического свойства — вовлеченным воздухом, раковинами и т. д.

Читайте так же:
Цементный раствор м200 расход

При введении в состав смесей МК объем пор геля изменяется в зависимости от вида и дозировок МК и С-3. При увеличении дозировок МК с 10 до 30.% массы цемента, гелевая пористость по сравнению с контрольным образцом возрастает на 3,5. 6,4 %. Повышенное количество С-3 способствует увеличению гелевой пористости на 3,3 %. В меньшей степени на гелевую пористость влияет вид МК. Разница между крайними значениями пористости при одинаковых дозировках микрокремнезема и пластичности смесей всего 1,9 %. Однако, в образцах с Бкр, содержащего повышенное количество диоксида кремния, и Ефс, имеющего наибольшую дисперсность, гелевая пористость все-таки выше.

С увеличением дозировки МК возрастают, степень гидратации цемента,содержание низкоосновных гидросиликатов кальция, прочность цементного камня (рис.1). Повышение дозировки суперпластификатора также способствует росту степени гидратации, содержанию

CSH (I) и прочности (рис. 2). Некоторые замедление степени гидратации с повышенной дозировкой С-3 в возрасте до 14 сут связано с экранирующим эффектом избыточного количества органической добавки в ранние сроки (см. рис. 2).

Сравнение фазового состава цементного камня с разными образцами МК показало, что наиболее благоприятным с точки зрения повышения степени гидратации, образования CSH (I) и прочности цементного камня является образец Бкр (рис. 3).

Объем капиллярных пор цементного камня с МК меньше, чем в контрольном образце. Пористость, особенно субмикроскопнческого уровня, уменьшается с увеличением дозировки МК и С-З. Наименьшая капиллярная пористость зафиксирована. в образцах с Ефс, что по-видимому, объясняется более высокой дисперсностью этого образца МК.

Технологическая пористость — с введением МК увеличивается. При этом образцы цементного камня с одинаковым количеством трех разновидностей МК имеют практически одинаковую пористость на макроскопическом уровне (3,7. 4,3), которая, очевидно, зависит от факторов, не связанных с химическими свойствами микронаполнителей.

Естественно ожидать влияния рассмотренных особенностей структуры цементного камня на свойства бетонов, которые исследовали на образцах, составы которых приведены в табл. 4. Смеси имели одинаковое водосодержание [В/(Ц+МК)=0,44] и пластичность (ОК=6. 8 см). Дозировки С-3 подбирали для обеспечения необходимой пластичности.

Структура цементного камня

Отвердевший цементный камень представляет собой микроскопически неоднородную систему, состоящую из кристаллических сростков и гелеобразных масс, имеющих частицы коллоидных размеров. Неоднородность структуры цементного камня усиливается и тем, что в нем содержатся зерна цемента, не полностью прореагировавшие с водой.

Существенно влияют на структуру цементного камня гипс и гидравлические добавки, так как в результате их реакции с клинкерными компонентами цементного камня образуются новые продукты. Подбирая минералогический состав клинкера и получая необходимый состав цемента, дающий при твердении то кристаллические сростки, то гелевую структурную составляющую, можно воздействовать на структуру и физико-механические свойства цементного камня и бетона.

Читайте так же:
Состав готовых цементных смесей для стяжки пола

Рис. 4.12. Структура цементного камня

Различие в физико-механических свойствах кристаллического и коллоидного гелеобразного вещества является одной из причин влияния минералогического состава клинкера на некоторые, основные строительные свойства цемента: деформативность, стойкость при переменном замораживании и оттаивании, увлажнении и высушивании. Путем рационального подбора минералогического состава клинкера можно регулировать свойства портландцемента и получить цемент, по качеству удовлетворяющий конкретным эксплуатационным условиям.

На структуру бетона оказывает значительное влияние пористость цементного камня, связанная с начальным содержанием воды в бетонной смеси. Для получения удобоукладываемой бетонной смеси в нее вводят в 2. 3 раза больше воды, чем требуется на реакцию с цементом. Таким образом, большая часть воды затворения оказывается в свободном состоянии и образует в затвердевшем камне множество мелких пор. Поэтому для получения плотной структуры цементного камня необходимо применять бетонные смеси с минимальным содержанием воды. В результате повышаются прочность и морозостойкость бетона.

Рис. 4.13. Схема процессов преобразований в структуре цементного теста и камня при гидратации цемента:

а – цементные зерна в начальный период гидратации; б – образование гелевой оболочки на цементных зернах – скрытый период гидратации; в – вторичный рост гелевой оболочки после осмотического разрушения первоначальной оболочки образование волокнистых и столбчатых структур на поверхности зерен и в порах цементного камня – третий период гидратации; г – уплотнение структуры цементного камня при последующей гидратации цемента

Структура цементного камня, а именно наличие в нем пор и гелеобразного вещества, обусловливает склонность его к влажностным деформациям. При увлажнении он разбухает, а при высушивании дает усадку. Знакопеременные сжимающие и растягивающие напряжения, вызываемые изменением влажности окружающей среды, расшатывают структуру цементного камня и понижают прочность бетона. Степень влажностных деформаций зависит от соотношения гелеобразных и кристаллических фаз в цементном камне. С увеличением последней стойкость камня в таких условиях, называемая воздухостойкостью, повышается. В отличие от рассмотренных далее пуццолановых портландцементов обыкновенный портландцемент отличается высокой воздухостойкостью.

Расширение и растрескивание цементного камня могут вызвать также свободные СаО и MgO, присутствующие в цементе при низком качестве обжига. Гашение их сопровождается значительным увеличением в объеме, и продукты этого гашения разрывают цементный камень. О таком цементе говорят, что он не отвечает требованиям стандарта в отношении равномерности изменения объема при твердении.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.001 с) .

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector