Главная  Материалы 

 

Свойства цементного камня

 

Специфика производственной технологии заключается в ее конкретном предназначении и регламентации.

 

Производственные технологии подразделяются по характеру выпускаемой продукции. Поскольку разновидностей строительных материалов и изделжй насчитывается множество, то и количество соответствующих им специфических технологий также составляет весьма значительною величину. Некоторые виды продукции изготовляют по нескольким технологиям и за счет этого возможно превышение числа технологий над количеством этой продукции. Но на практике возможно и уменьшение числа технологий в связи с выпуском по одной технологии нескольких разновидностей продукции.

 

Более широкое обобщение производственных технологий позволяет разделить их всего на две группы. К одной группе относятся технологии, в которых четко представлена физико-механическая переработка сырья. К другой группе относятся технологии в промышленности строительных материалов с четко выраженной химической переработкой сырья; чаще их называют химическими технологиями.

 

Еще более полно обобщение производственных технологий с объединением их как бы в единую технологическую систему возможно на базе ограниченного числа основополагающих элементов. К последним могут быть отнесены три главных: сырье; энергия; оборудование (аппаратура). Поэтому, когда, например, оценивается степень прогрессивности той или иной технологии (см. 6. , то эти элементы выступают в качестве главных критериев. По ним проводят сравнения с соответствующими показателями мировых достижений в аналогичных отраслях промышленности строительных материалов. Присутствуя во всех технологиях, они отличаются в каждой из них своими специфическими особенностями.

 

Сырье может быть: минеральным и органическим; природным и искусственным; жидким, твердым или газообразным. Для каждой разновидности строительных материалов и изделий имеются и свои традиционные или наиболее эффективные новые виды сырья, своя степень их готовности к участию в технологии переработки, свой рациональный технологический регламент и ему соответствующий технический контроль качества как на стадии прохождения сырья, так и при оценке готовых материалов и изделий.

 

Энергия на предприятиях применяется механическая, тепловая, электромагнитная, гравитационная, ядерная и др. Наибольшим расходом отличаются электрическая и тепловая; пока слабо используются на предприятиях строительных материалов атомная и нетрадиционные виды энергии — солнечная, ветровая, гравитационная и др. Основным источником энергии служит топливо — горючие вещества, при сжигании которых возникает тепловая энергия. По происхождению топливо делится на природное (нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, торф, древесина) и искусственное (кокс, моторные топлива, генераторные газы и др.). В настоящее время понятию «топливо» придается более широкое значение. Оно распространяется на все материалы, которые в состоянии быть источниками энергии, например ядерное топливо, ракетное топливо и др. Тепловая энергия преобразуется на ТЭЦ в электрическую. В свою очередь электроцентраль вырабатывает также теплоту, отпускаемую потребителям в виде пара и горячей воды. Теплота преобразуется и в механическую энергию. Последняя генерируется в теплосиловых установках и используется для привода в движение механических машин, используемых, в частности, для производства строительных материалов и изделий;

 

Оборудование (аппаратура) в технологиях отличается многообразием. О нем обычно судят по наиболее значимым конструктивным узлам и деталям, а также по производительности в единицу времени, степени автоматизации, металлоемкости, безотказности и другим показателям надежности, качеству выпускаемой продукции (полуфабриката). Следует выделить оборудование, используемое на основных переделах. На стадии подготовительных работ используют механические дробильные машины и мельницы как непрерывного, так и периодического действия. Среди них — центробежные, шахтные, струйные, вибрационные, конусные инерционные, шаровые, вальцевые, дезинтеграторные, стружечные (дисковые, барабанные, роторные и другого типа станки), дереводробилки молоткового и других типов, голлендеры и бегуны для распушки асбеста, гасители для распушки извести. Эти машины переводят сырье в дисперсное состояние разного масштабного уровня.

 

На стадии фракционирования сырья или измельченной массы применяют грохота и вибрационные сита, установки барабанного типа. При выполнении подготовительных работ обычно требуются вращающиеся сушильные барабаны или другие виды нагревательной аппаратуры, затем по технологической цепочке — дозаторы для порошкообразных, зернистых и жидких компонентов автоматические периодического и непрерывного действия, в том числе с фотоэлектрической системой управления.

 

На стадии приготовления смеси (массы) функционируют смесители гравитационные периодического или непрерывного действия; принудительного действия с включением при необходимости системы нагрева смеси; мельницы-мешалки; оборудование для дистанционной или полной автоматизации операций по приготовлению смеси с поточным или противопоточным нагревом смеси, с принудительным или свободным перемешиванием; оборудование для формования изделий, полотен или покрытий вибрационными и невибрационными методами, в частности, ленточные, шнековые, вакуумные и безвакуумные прессы, экструдеры, центрифуги, торкретные установки, прессующие штампы, трамбовки, машины листо-формующие и стеклоформующие, моторные катки обычные и вибрационные, а также комбинированные; установки для обработки отформованных изделий, в том числе камерные туннельные сушилки, другие тепловые камеры периодического и непрерывного действия, горизонтальные и вертикальные сушилки, автоклавы. Используют установки для электропрогрева горячим формованием; обогрева в электромагнитном поле и пр!и различных иных источниках теплоты — электрических, газовых, лучистой энергии, солнечной и др.; химической обработки с помощью введения химически активных порошков в формуемые смеси, инъекцией химически активного газа или жидкости; комбинированных методов обработки— физико-химических, окрасочно-адсорбционных и др.

 

Прочность цементного камня. Элементарное представление о возникновении прочности цементного камня можно составить по нашим воспоминаниям об игре с песком в детстве: чем мельче песок, смешанный с определенным количеством воды, тем прочнее изготовленные из смеси образцы ( 2 .

 

Существует однозначная связь между концентрацией гелевидных составляющих и прочностью цементного камня. Эта связь настолько сильна, что даже при различных значениях ВЩ в цементном клее она не нарушается ( 2 . Необходимо, однако, учитывать, что цементный клей с большими значениями В/Ц, т. е. с более высоким содержанием воды, исчерпывает свою гидратацион-ную способность при меньшей концентрации гелевых составляющих, чем цементный клей с малым В/Ц. Обратите внимание на то, что на горизонтальной оси отложена концентрация гелевых составляющих, а не время, как на 26, в основе которого лежат значения, взятые из 2 Здесь одинаковая концентрация гелевых составляющих и, следовательно, одинаковая прочность, которая из-за различных значений В/Ц наблюдается в различное время (представлена пунктиром).

 

До сих пор мы рассматривали основы гидратации и некоторые специальные свойства продуктов гидратации отдельных клинкерных минералов. Теперь предстоит обсудить вопрос об изменении свойств цементного камня, образующегося в результате накопления продуктов гидратации клинкерных минералов. Рассмотрим важнейшие: прочность, водонепроницаемость, морозостойкость, устойчивость, против действия химически вредных веществ, усадку и ползучесть, тепловыделение.

 

2 Зависимость предела прочности при сжатии цементного камня от концентрации гелевидных составляющих

 

Степень влияния тонких слоев на прочность сцепления может быть определена по трудности отделения друг от друга двух сложенных влажных стеклянных пластин. И в цементном геле пленки воды на поверхности гелевых частичек играют аналогичную роль, причем благодаря огромной удельной поверхности гелевых частиц (200—300 м2/г, а песок имеет поверхность 20—30 см/г) цементный камень достигает прочности 100 МПа и выше. Помимо действия водных пленок другие поверхностные силы также участвуют в создании прочности. Не последнюю роль играет и сцепление гелевых частиц друг с другом.

 

2 Зависимость предела прочности при сжатии цементного камня и концентрации гелевидных составляющих (К\, /Сг, Кз) от времени твердения

 

Возникает вопрос, каким образом все же достигается такая высокая прочность ( 25, 26, 4 при В/Ц

 

2 Нарастание прочности при различных марках цемента

 

Действие этих двух факторов легче всего представить на модели концентрации гелевидной составляющей: тонкомолотый цемент со своей намного большей реакционной поверхностью и высоким содержанием высококачественного C3S ( 2 должен давать более быстрое нарастание концентрации гелевидных новообразований, чем цемент с более грубым зерном и малым содержанием C3S. Так происходит представленное на 27 нарастание прочности цементов различных прочностных классов. В связи с этим возвратимся еще раз к 22, из которого видно, что минералы C3S и C2S обеспечивают различное нарастание прочности, но что приблизительно через год они имеют одинаковую прочность. Это подтверждается и 27: через 28 сут твердения прочность образцов резко различается, через год эта разница уменьшается наполовину, а в дальнейшем — еще больше. Шлакопорт-ландцементы (обозначение ZZ см. разд. 2. по тонине помола и скорости взаимодействия нельзя непосредственно сравнивать с портландцементом, так как из-за присутствия шлака они реагируют медленнее. Последующее твердение этих цементов весьма эффективно. Известны результаты длительных испытаний, которые свидетельствуют о том, что шлакопорт-ландцемент низкого класса прочности после трех лет имел существенно более высокую прочность, чем портландцемент высокого класса прочности.

 

Наивысшая возможная концентрация гелевых составляющих соответствует значению, которое достигается при полной гидратации цементного камня с ВЩ— = 0, И при меньших ВЩ максимально достижима только эта концентрация гелевых составляющих. При этом видно, что значения ВЩ

 

Существуют цементы с различной прочностью, которая достигается в зависимости от различного количества клинкерных минералов и их характеристик, тонины помола. Цементы высоких классов прочности получают обычно при высоком содержании C3S (и соответственно малом содержании C2S) в клинкере и очень тонком помоле. Часто из одного и того же клинкера получают цементы различных классов прочности только из-за того, что их по-разному измельчают.

 

При температурах ниже 5° С гидратация практически не происходит. С повышением температуры она протекает быстрее, и это обстоятельство используют на заводах по изготовлению бетона. Бетонную смесь нагревают различными методами, чаще всего паром. За счет ускоренного твердения бетона производительность увеличивается. Однако важно следить, чтобы при высоких температурах вода не удалялась из бетона, так как иначе гидратация прекращается. Напротив, низкие температуры замедляют твердение, что удлиняет сроки распалубки в зимний период строительства. В этом случае целесообразно использовать добавки, ускоряющие твердение (см. разд. 2. . Влияние температуры на твердение бетона на портландцементе видно из 2 Следующими выводами можно завершить этот важный раздел.

 

Еще один фактор влияет на скорость роста концентрации гелевидных составляющих — температура. При этом не имеет значения, произошло ли повышение температуры за счет поступления тепла- извне или за счет собственного тепловыделения при гидратации.

 

В цементных клеях с различным водосодержанием концентрация ге-леобразных составляющих нарастает с неодинаковой скоростью (более высокое значение В/Ц замедляет скорость).

 

2 Влияние температуры на скорость твердения бетона, приготовленного на портландцементе

 

ф Максимально возможная концентрация гелевидных составляющих наблюдается у полностью гидратиро-ванного цементного камня с В/Ц— =94

 

Прочность цементного камня зависит от концентрации гелевидных составляющих.

 

Водонепроницаемость, морозостойкость и морозосолестойкость (сопротивляемость действию противогололедных реагентов). Эти свойства цементного камня определяются плотностью бетона, от которого зависит его водонепроницаемость и малая степень насыщения водой. И здесь концентрация гелевых новообразований дает ключ к пониманию стойкости бетона, но еще больше открывает возможность к пониманию зависимостей для пор, представленных соответственно на 2 Размеры гелевых пор очень незначительны. Поэтому находящаяся в них вода оказывается под большим влиянием поля сил, действующих на поверхности стенок этих пор. Отсюда следует, что вряд ли вода может через них протекать. При обычных температурах замораживания вода в порах также не может замерзать, так как точка ее замерзания зависит от давления пор. Поэтому играют роль только капиллярные поры, которые, правда, достаточно велики, чтобы принимать и пропускать воду. Из 21 следует, что капиллярные поры при завершенной гидратации образуются только при Я/Д0, Таким образом, чисто теоретически можно заключить, что всякий цементный камень водонепроницаем и морозостоек, если он образовался из цементного клея со значением В/Ц^: s^0, Проведенные опыты, однако, показали, что эти свойства наблюдаются и при более высоком В/Ц; таким образом, ограниченное количество капиллярных пор еще безвредно.

 

При одинаковой длительности твердения достигается более высокая концентрация гелевых новообразований и тем самым большая прочность при меньших В/Ц.

 

Более строгие требования к В/Ц предъявляют морозостойкость и морозосолестойкость — сопротивляемость противоморозным химическим реагентам (обычно неорганическим солям). 29 показывает, как противогололедные реагенты способствуют разрушению бетона при замораживании. При воздействии мороза,

 

При значениях Б/Д- При В/Ц0,4 в случае полной гидратации (цемент использован полностью) прочность, которая может быть достигнута, будет тем ниже, чем выше значение В/Ц Путем повышения температуры твердение цементного камня может быть сильно ускорено, низкие температуры замедляют твердение.

 

Слева показан бетон, подвергавшийся около 10 лет кроме мороза действию реагентов. Справа на рисунке показан бетон достаточно морозостойкий, не подвергавшийся действию таких реагентов без одновременного использования противогололедных реагентов, цементный камень без искусственных воздушных пор при В/Ц=0,50 достаточно устойчив. Если использованы воздухововлекающне добавки, допустимо значение В/Ц=0,6.

 

Водонепроницаемость бетонного изделия в зависимости от его толщины наблюдается уже при В/Ц — = 0,60—0,7 При использовании уплотняющих веществ в отдельных случаях возможны и более высокие значения водоцементного отношения.

 

Суммируя сказанное, следует отметить, что

 

Сопротивляемость химически вредным веществам. Вещества, оказывающие любое действие на бетон, попадают в поровую систему цементного камня главным образом в растворенном виде с водой — с агрессивными грунтовыми и поверхностными водами или с выпадающими осадками. Структура цементного камня может разрушаться вследствие увеличения объема продуктов взаимодействия, выщелачивания твердых составляющих или возникновения гелеобразных не связанных друг с другом продуктов.

 

Этот вопрос в настоящей работе мы не можем рассмотреть очень подробно. Как уже указывалось в предыдущем разделе, в данном случае одним из основных условий возникновения коррозии является то, что агрессивная жидкая среда проникает в цементный камень до того, как она начнет свое разрушающее действие.

 

Более низкие значения В/Ц необходимы, если на замерзшие бетонные поверхности нанесены противогололедные реагенты (например хлористый магний). Они хотя и вызывают таяние льда на поверхности бетона, но при этом отнимают необходимое для этого тепло от бетона, который в нижележащих слоях, куда соль не поступает, замерзает еще сильнее («морозный шок»). По этой причине (см. 2 в строительстве бетонных дорог приходится назначать В/Ц = 0,42 (без воздухововлекающих добавок) или 5/Я=0,45 (с воздухо-вовлекающими добавками).

 

Вторым условием может быть меньшее содержание в цементном камне веществ, с которыми реагирует агрессивная жидкая среда. Поэтому, например, при сульфатной коррозии выбирают цемент, содержащий по возможности минимальное количество С3А.

 

Наиболее частая причина разрушений— действие сульфатов. Взаи-х модействие последних с С3А цемента уже рассматривалось в разд. Помимо этого, вредное действие оказывает большое количество кислот и солей, особенно агрессивная углекислота (СОг), ионы магния и алюминия.

 

Водонепроницаемость и морозостойкость бетона снижаются с повышена: ем ВЩ, поэтому необходимо учитывать верхние пределы В/Ц.

 

С увеличением плотности цементного камня уменьшается проникание агрессивнои среды.

 

Усадка и ползучесть. Под усадкой понимают изменение объема, вызванное высыханием, а под ползучестью — изменение формы цементного камня, вызванное внешними силами.

 

Значение В/Ц, при котором обеспечивается стойкость цементного камня к агрессии, зависит от концентрации агрессивных веществ (степень агрессивности воды) и колеблется максимально между 0,45 и 0,65 (см. с. 7 .

 

Усадка. 30 возвращает вас на урок физики в среднюю школу. В сосуде с водой стоят открытые снизу трубочки различного диаметра. Вода в них поднимается на разную высоту. Для рассматриваемого случая важно подчеркнуть, что здесь действует сила, поддерживающая воду в таком положении. Ее называют капиллярной силой. Она тем больше, чем тоньше капилляры. Этот пример, хотя и в сильно искаженном виде, можно отнести к цементному камню. В результате сухого хранения цементного камня вода уходит из пор, и сила, которая задерживала воду, теперь действует в обратном направлении, — она создает в цементном камне ., напряжение, вызывающее уменьшение объема.

 

Цементный камень сопротивляется химически агрессивной о/сидкой среде тогда, когда он обладает достаточной плотностью вследствие низкого значения В/Ц и содержит минимальное количество того соединения, с которым реагирует агрессивное вещество.

 

Наблюдаемое внутреннее напряжение тем больше, чем меньше поры, из которых ушла вода. Но поскольку при малых порах, т. е. большой концентрации гелевидных составляющих, наблюдается высокая прочность цементного камня, то сопротивление изменению формы будет также велико. Следовательно, не обязательно будет наблюдаться большая усадка. Таким образом, мы видим, что взаимоотношения весьма сложны. На 31 сделана попытка представить эту связь наглядно. Гелевые частицы, изображенные в виде шаров, в насыщенном водой состоянии окружены прочно удерживающейся водной оболочкой. Первоначально удаляется вода, находящаяся в пустотах, и только позже — вода оболочек.

 

И эти свойства цементного камня объясняются его строением.

 

Для практических целей в строительстве мы измеряем усадку по степени изменения длины (укорочение призмы).

 

Только после высыхания водных пленок наступает при высоких В/Ц более сильная усадка, так как менее плотно расположенные гелевые частички могут сильно уплотняться, что при низком В/Ц из-за исходной высокой плотности уже невозможно. Поэтому при более длительном хранении цементного камня с более высоким В/Ц обнаруживается значи тельная усадка.

 

Высыхание сравнительно большого количества воды пустот в цементном камне с различным В/Ц первоначально не вызывает существенного различия в усадке. Окруженные водной оболочкой гелевые составляющие несколько сближаются, но, в сущности, остаются в том же положении. Поэтому после 2 сут твердения размер усадки при различных значениях В/Ц, несмотря на сильно различающуюся потерю воды, все же почти одинаков.

 

-минеральный состав цемента (высокое содержание C3S приводит к малой усадке, а высокое содержание С3А к более сильной): тонина помола цемента (тонкомолотый цемент даст более сильную усадку, чем грубомолотый); карбонатизация, (превращение Са(ОН)г цементного камня в результате соединения с СС2 воздуха в СаСОз); внешние климатические воздействия (чем суше и теплее климат, тем больше усадка).

 

3 Схематическое изображение усадки

 

Это схематическое объяснение подтверждается результатами измерения усадки у цементного камня с различным В/Ц на 3 На усадку, кроме того, влияют:

 

Ползучесть. Намного легче объясняется ползучесть цементного камня, так как здесь существует однозначная связь. Соответственно цементный камень деформируется тем меньше, чем выше концентрация гелевых новообразований, т. е. чем он прочнее. Естественно, мера ползучести зависит и от прилагаемого извне усилия. При этом играют роль те же факторы, с которыми мы встречались при рассмотрении прочности цементного камня.

 

Важно знать, что усадка может снизиться при попадании влаги в цементный камень. Первоначальный объем цементного камня, однако, при этом набухании не достигается. Размеры усадки выражают как относительное изменение длины в мм/м или в . Максимальное значение ее для цементного камня равно примерно 4 мм/м или 0,4.

 

Тепловыделение твердеющего цементного камня. Известно, что в результате гидратации выделяется тепло, количество которого зависит от характеристики минералов клинкера. Вследствие этого неизбежного явления твердеющий цемент и изготовленный из него бетон нагреваются. Повышение температуры тем значительнее, чем крупнее бетонное изделие. В этом может убедиться каждый строитель при распалубке массивных фундаментных блоков. Тепловыделение может быть желательным, когда бетонирование ведется при низких температурах (зимнее строительство). Большей же частью оно нежелательно, так как вызывает в твердеющем бетоне температурные напряжения, ведущие к разрывам. В зависимости от области применения можно в определенных границах регулировать тепловыделение направленным подбором минерального состава клинкера. Для предупреждения разрывов на стройке обычно принимают специальные конструктивные и технологические решения, на которых в данной книге мы не имеем возможности останавливаться.

 

3 Усадка цементного камня в зависимости от потери воды и возраста при В/Ц, равном 0,26; 0,45; 0,55; 0,65

 

Усадка и ползучесть зависят от множества факторов, например от вида цемента, значения ВЩ, климата и действующих сил, влияние которых может быть противоположным. Поскольку здесь мы касаемся специальных проблем, то неясные практические вопросы следует разрешать экспериментально в лабораторных условиях.

 



Песколовки. Санитарно-химические показатели загрязнения сточных вод. "шлягер" каркаса. Систематизация факторов. Системы водоотведения на подтапливаемых территориях. Склады арматурной стали. Скользящая опалубка.

 

Главная  Материалы 



0.0111