Р.Е. Свихтаридзе, канд. тех. наук, Химия цемента и методы ускоренного прогнозирования прочности на сжатие (активности) цементов с минеральными добавками и бетонов
Известные [1] ускоренные способы определения прочности на сжатие (активности) цемента, длящиеся 1-3 сут, а бетона — до 28 сут [2], являются недостаточно быстрыми, а их результаты во многих случаях неточные. Это затрудняет работу заводских и строительных лабораторий и неприемлемо для рынка, так как часто требуется ускоренное тестирование. Все эти методы разработаны в 50-е годы XX века эмпирическим путем и не учитывают химизма процесса гидратации цемента.
На основе современного уровня знаний силикатных материалов, процессов, происходящих при твердении цемента и бетона, а также использования давно известных математических формул нами разработаны и применяются на практике методы ускоренного определения и прогнозирования прочности на сжатие (активности) цементов с минеральными добавками и бетонов.
Рассмотрим метод определения активности портландцементов и минеральных добавок в зависимости от их внутренней химической энергии с применением уравнения гиперболы.
По [3], прочность цементного камня есть функция водоцементного отношения В/Ц, минералогического и вещественного составов, а также тонкости цемента. В итоге
Активность цемента - это скорость набора прочности цементным камнем (раствором) и прочность, достигаемая к 28 суткам твердения. В таком случае, если разные цементы готовят и испытывают в одинаковых условиях
Активность минеральной добавки (аа) зависит от многих факторов, но основным считаем ее химико-минералогический состав [4], определяющий внутреннюю химическую энергию и отсюда - способность взаимодействия с Са(ОН)2, выделяющейся при гидратации и твердении минералов цементного клинкера. Назовем его коэффициентом гидратационной активности добавки Гаа.
Активность минеральной добавки, определенная по поглощению ею извести (аСа0,мг/г) из известкового раствора, дает возможность рассчитать коэффициент гидратационной активности добавки
Для активных минеральных добавок осадочного, вулканического происхождения и зол, а также добавок-наполнителей, кроме карбонатосодержащих.
В табл. 1 отражены результаты расчета активности минеральных добавок. Из нее видно, что коэффициенты гидратационной активности, определенные как по (4), так и по (5), отличаются незначительно.
На основе многолетних исследований мы убедились в том, что при введении в состав цемента минеральной добавки любого типа и происхождения в количестве до 10% его активность возрастает, а выше этого предела - понижается. Графически эта зависимость изображается гиперболическими кривыми разной конфигурации для различных типов добавки и цемента (рис. 1). На графике пунктиром показано изменение активности цемента при введении и увеличении количества минеральной добавки туфа или шлака в пределах до 5- 7%: после повышения и достижения
Как известно, начало схватывания - это момент, когда игла прибора Вика не доходит до дна цементного теста на 1 мм, а конец - когда опускается на 1 мм. Таким образом, между началом и концом схватывания сопротивление цементного теста проникновению иглы возрастает на 38 мм, так как общая высота теста в кольце равна 40 мм. Если мы эти 38 мм разделим на время между началом и концом схватывания, то получим скорость схватывания. Обозначим ее через Ссх. Тогда
С момента затворения цемента (бетонной смеси) в цементном тесте (бетонной смеси) параллельно (одновременно) протекает ряд сложных химических, физико-химических, физико-механических превращений, тесно связанных друг с другом и оказывающих непосредственное влияние на формирование фазового состава и структуры цементного камня (бетона), которые определяют прочность и долговечность. При этом схватывание и нарастание прочности с момента затворения определяются динамической сменой лидерства возникающих новообразований и структур.
На начальной стадии уже через 30 с после затворения до наступления начала схватывания (45 мин-3 ч) ведущим процессом является образование из раствора ГСАК-3 и Са(ОН)2. Условия образования первого, его количество и соотношение с Са(ОН)2 определяет начало схватывания цемента. Чем меньше значение соотношения (ГСАК-3)/ Са(ОН)2, тем позднее наступает начало схватывания цементного теста, и наоборот [4].
В стадии интервала схватывания (30 мин-2 ч) “ведущим процессом является начало образования C-S-H и рост кристаллов ГСАК-3. Чем быстрее происходят эти процессы, тем меньше интервал схватывания цементного теста [3,4].
В период наступления конца схватывания (3-5 ч) и после него “ведущими” процессами становятся образование C-S-H и переход ГСАК-3 в ГСАК-1. Чем интенсивнее протекают эти процессы, тем быстрее наращивается прочность цемента [3, 4].
Самым распространенным способом интенсификации процесса твердения цемента и бетона является тепловлажностная обработка (пропарка) в интервале температур 60...95 °С. Доказано [3], что при нагреве в интервале 75...100°С ГСАК- 3 разрушается; ускоряется переход его в ГСАК-1; C-S-H более закристаллизован, чем образующийся при обычной температуре, и в нем уменьшается отношение Ca/Si (рентгеновский микроанализ C-S-H цементных паст дает отношение Са/ Si равное 2,00; 1,89; 1,70 и 1,45 для паст, выдержанных при 20,45,70 и 95°С соответственно). В начале процесса тепловлажностной обработки именно сроки схватывания цемента играют огромную роль.
На основе проведенных раннее исследований [4] нами доказано, что после ТВО большую прочность цементы показывают в тех случаях, когда абсолютная величина скорости нагрева (подъема температуры), выраженная в °С/ч, не превышает абсолютную величину скорости его схватывания, выраженную в мм/ч. При быстром нагреве цементного камня или бетона, когда скорость нагрева превышает скорость схватывания (твердения), CaS04-2H20, находящийся в составе цемента,не успевает полностью среагировать с С3А цемента, и начиная с 60°С превращается в CaS040,5H20. Образование ГСАК-3 из полуведного гипса происходит интенсивнее, чем из двуводного гипса, так как его растворимость выше, и цементный камень (бетон) расширяется - набухает.
При нормальном нагреве, когда его скорость не превышает скорость схватывания, ТВО ускоряет все процессы заро>кдения новообразований, и конечная прочность цементного камня (бетона) высокая. На этом основан разработанный нами метод прогнозирования прочности цемента и бетона. Найдена закономерность- полное выявление прочностных свойств цемента (активность) и бетона в процессе тепловлажностной обработки должно соответствовать по времени интенсивности схватывания цемента и тепловлажностной обработки:
начало схватывания цемента - начало разогрева бетона;
интервал схватывания цемента - продолжительность подъема температуры;
конец схватывания цемента - конец подъема температура до 85 ±5°С.
При этом скорость разогрева не должна опережать скорость схватывания или тепловыделения цемента (рис. 3).
В процессе ТВО наступает период, когда потеря влажности и рост прочности бетона замедляются (приостанавливаются), дальнейшая тепловлажностная обработка становится неэффективной в части повышения прочности, и ее необходимо прекратить, так как она вызывает спад прочности бетона. Этот период мы назвали моментом прекращения изотермического прогрева. Последний наступает тем быстрее, чем больше цемента в растворе или бетоне. При удвоении количества цемента в смеси, по сравнению со смесью 1:3, или при составе смеси 1:1 экспериментально доказано, что необходимость изотермического прогрева исключается вовсе, и для полного выявления прочностных свойств цемента достаточно равномерно нагревать образец (до 85 ± 5°С) со скоростью, не превышающей скорость схватывания.
Вышеизложенное дает возможность определить прочность (активность) цемента и бетона за период 6-7 ч, что очень важно в процессе тестирования материалов (рис. 4).
Бетон и железобетон, 2005 №3