Курс лекций для студентов специальности 5В073000 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»

Тепловыделение при твердении. Поскольку гидратация клинкерных минералов - экзотермический процесс, то при формировании цементного камня или бетона на его основе происходит выделение тепла. Тепловыделение приводит к разогреву всей массы бетона, что в зависимости от условий строительства может играть как положительную, так и отрицательную роль. При зимнем бетонировании высокое тепловыделение замедляет охлаждение уложенного бетона, способствует развитию процессов гидратации и твердения и таким образом, полезно. В других условиях тепловыделение приводит к появлению термонапряжений в массе бетона, в результате чего могут возникнуть и развиться трещины, приводящие к разрушению. Тепловыделение зависит в основном от минералогического состава цемента. Эта зависимость связана, во- первых, с суммарным термохимическим эффектом различных клинкерных минералов при гидратации и, во-вторых, со скоростью взаимодействия этих минералов с водой. Установлено, что алит и трехкальциевый алюминат отличаются не только большим суммарным, но и быстрым тепловыделением, в то время как белит и четырехкальциевый алюмоферрит низкотермичны и выделяют тепло медленно. Увеличивают тепловыделение повышение содержания в клинкере стеклофазы, увеличение тонкости помола, различные добавки, ускоряющие гидратацию и твердение [3].
Плотность портландцемента в зависимости от его состава составляет 3000...3200 кг/м³. Другой технической характеристикой цемента служит его насыпная плотность, которая в рыхлом состоянии колеблется от 900 до 1000 кг/м³, в уплотненном - от 1400 до 1700 кг/м³. В практических расчетах чаще всего используют усредненное значение насыпной плотности - 1200 кг/м³. Цементы с пониженной плотностью при прочих равных условиях более экономичны. Цементы с повышенной плотностью применяются для тампонирования нефтяных скважин, для сооружения защитных устройств от ядерных излучений. Повышения плотности добиваются увеличением
железистых составляющих, а также введением оксида бария. Пониженной плотностью обладают шлаковые и пуццолановые цементы.
Усадка и набухание цементного камня. Если цементный или бетонный образец поместить в среду, относительная влажность которой ниже равновесной влажности образца, то последний со временем уменьшит свои линейные размеры - даст усадку. Это явление происходит вследствие высыхания изделия - испарения свободной воды из пор и капилляров. С высыханием воды связано проявление капиллярных сил - сил сжатия, которые могут быть столь значительны, что вызывают появление напряжений в материале и образование трещин. Если же влажность окружающей среды выше равновесной влажности материала, то его водосодержание начинает расти и сопровождается увеличением объема образца - его набуханием. Набухание тоже вызывает появление внутренних напряжений, но менее интенсивных, чем при усадке.
На величину усадки цементного камня влияет много факторов. Так, алитовые и более грубомолотые цементы меньше склонны к усадке. Снижение В/Ц, при прочих равных условиях, ввод порошкообразных заполнителей также приводят к снижению усадки. Повышают усадку добавка хлорида кальция, обработка цементного камня или бетона паром под давлением в автоклавах.
Трещиностойкость. Трещины возникают в результате напряжений и деформаций в цементном камне или бетоне под действием механических нагрузок, температурных, влажностных и объемных перепадов. Трещиностойкость бетонов можно повысить, снижая усадку, ползучесть цементного камня, а также вводя добавки поверхностно-активных веществ.
Ползучесть цементного камня или изделий из него - способность необратимо деформироваться под действием механических и других факторов. Ползучесть зависит от достигнутой прочности цементного камня или бетона перед нагрузкой и она тем меньше, чем больше прочность перед нагружением. Она практически затухает к двум годам после нагружения конструкции. Оказывает влияние на ползучесть также и минералогический состав.

2. 
   Разновидности портландцемента
   

Описанные в этой главе разновидности отличаются от обычного портландцемента специальными свойствами, химическим составом, особенностями применяемого сырья и технологии производства.
Быстротвердеющий и высокопрочный цементы. Для ряда строительных нужд и, в частности, для изготовления сборных железобетонных конструкций и деталей, а также для скоростного строительства необходим быстротвердеющий цемент для которого характерно более интенсивное, чем для обычного портландцемента, нарастание прочности в начальный период твердения. В отдаленные сроки нарастание прочности в нем замедляется и через длительный период может достигнуть прочности обычного портландцемента.
Прочность при сжатии быстротвердеющего цемента марок М400 и М500 через 3 сут должна быть, согласно ГОСТ 10178-85 соответственно не менее 25 и 28 МПа, а через 28 сут - 40 и 50 МПа, т.е. за первые трое суток такой цемент набирает более половины прочности от 28-суточного твердения.
На предприятиях по производству сборных железобетонных конструкций и деталей применение быстротвердеющего цемента значительно ускоряет производственный процесс. Использование его для монолитного бетона сокращает сроки распалубки и снижает массу сооружения, так как высокая прочность получаемого при этом бетона позволяет уменьшить сечение конструкции.
Для получения предварительного напряжения бетона высоких марок необходим высокопрочный портландцемент. Прочность при сжатии этого цемента в 28-мисуточном возрасте (ГОСТ 10178) должна быть не менее 60 МПа. Этот цемент не должен обладать признаками «ложного схватывания».
И. В. Кравченко, М. Т. Власовой и Б. Э. Юдовичем был предложен особо быстротвердеющий портландцемент, обладающий не только быстрым нарастанием прочности в начальной стадии твердения, но и высокой прочностью через 28 сут. Его применение позволяет отказаться от пропаривания изделий или уменьшить длительность, пропаривания, а также сократить расход цемента.
Содержание алита в быстротвердеющем цементе должно быть не менее 50 %, а в высокопрочном - не менее 60 %. К
быстротвердеющему цементу можно добавлять до 10 % (от массы цемента) активных минеральных добавок и до 15 % доменных гранулированных шлаков. Эти добавки связывают выделяющийся при гидролизе алита Са(ОН)2, тем самым ускоряя взаимодействие C3S с водой. Особо быстротвердеющий цемент должен содержать не менее 55 % C₃S. В высокопрочном цементе допускается ввод до 5 % активных минеральных добавок. Тонкость помола обоих цементов должна быть не ниже 350 м²/кг, а особо быстротвердеющего - не менее 400 м²/кг. Положительное влияние более тонкого помола заключается в ускорении процессов гидратации зерен цемента за счет их более тонкой дисперсности, а следовательно, и в повышении прочности в начальные сроки после затворения водой. При более тонком помоле цемента необходимо вводить в его состав повышенное количество гипса. Нужно не допускать при помоле повышенной температуры цемента во избежание ложного схватывания. Быстротвердеющий и высокопрочный цементы вследствие тонкого измельчения и повышенного содержания C₃S сравнительно быстро теряют свою активность при длительном хранении и дальних перевозках.
Скорость нарастания прочности можно повысить также путем различных химических добавок (хлоридов кальция, магния, натрия), а также введением кристаллических затравок из предварительно гидратированного цемента.
Мощным средством ускорения процесса твердения изделий из цемента является тепловлажностная обработка (пропарка), которая осуществляется в пропарочных камерах паром при атмосферном давлении. При этом прочность быстротвердеющего цемента при сжатии после пропаривания через 1 сут достигает 70...90 % от прочности цемента, твердеющего 28 сут при обычных температурах.
Портландцементы с поверхностно-активными добавками. Для улучшения свойств портландцемента к нему добавляют органические поверхностно-активные вещества (ПАВ). Эти добавки в малых дозах вводят в состав вяжущих при их помоле или при затворении водой в процессе приготовления растворных и бетонных смесей.
Портландцементы с ПАВ-добавками делят на две группы: 1) цементы с гидрофилизирующими добавками, повышающими или не уменьшающими степень смачивания цементов водой и 2) цементы с гидрофобизирующими добавками, понижающими смачивание цементов водой. К первой группе относится пластифицированный портландцемент, представляющий собой продукт тонкого измельчения клинкера и гипса совместно с лигносульфонатом техническим (ЛСТ) - отходом целлюлозно-бумажного производства. Во вторую группу входит гидрофобный портландцемент, в состав которого при помоле вводят добавки, гидрофобизирующие зерна цемента (мылонафт, асидол-мылонафт, олеиновая кислота и др.). К этой же группе относятся цементы с воздухововлекающими добавками, вводимыми при затворении водой в процессе приготовления растворных и бетонных смесей. К таким добавкам относятся, например, омыленный древесный пек и абиетат натрия.