Часть их нормирована стандартами, другие — нет, но все они оказывают заметное влияние на свойства бетона.
В настоящее время в нашей стране действуют две системы стандартов, регламентирующих технические требования к цементам. Ниже рассматриваются свойства цемента с ориентацией на требования ГОСТ 10178-85.
Тонкость помола цемента характеризуется остатком на сите 0,08 мм (размер отверстий в свету 80 мкм), который должен быть, согласно ГОСТ, < 15%. Это требование сегодня в значительной степени утеряло смысл, так как фактически производятся цементы с остатком менее 10% (обычно 4-8%, а в тонкомолотых цементах — 2—4%). Кроме того, оно не дает информации о размерах основной части зерен цемента, меньших 80 мкм. Поэтому обычно используется другая характеристика: удельная поверхность1 цемента. Она составляет для рядовых цементов 2500—3000 см2/г, а для тонкомолотых цементов высоких марок — 4000—4500 см2/г.
Истинная плотность цемента составляет 3,1 г/см3. Она используется при расчете состава бетона, так как позволяет определить, какой объем займет цемент в бетонной смеси. При введении в цемент минеральных добавок его плотность снижается до 3-2,9 г/см3, шлаковый и пуццолановый портландцементы имеют плотность 2,7-2,9 г/см3. Поэтому по плотности цемента можно определить наличие в нем минеральных добавок.
Насыпная плотность цемента (рн) используется при его объемном дозировании, расчете емкостей или складов, для определения массы цемента по его известному объему. Она составляет 0,9-1,2 г/см3.
Водопотребностъ цемента — количество воды, необходимое для получения цементного теста нормальной густоты. Стандартом не нормируется. Колеблется в пределах 21-30%, увеличиваясь с ростом тонкости помола и при введении ряда минеральных добавок. Желательно применять цементы с пониженной нормальной густотой, так как при ее росте увеличивается водопотребность бетонной смеси. Цементное тесто нормальной густоты характеризуется определенной консистенцией.
Схватывание цемента можно определить как потерю пластичности цементным тестом (или иначе как состояние, когда пластичности уже нет, а прочности — еще нет). Определяется на тесте нормальной густоты. Характеризуется началом схватывания — не ранее 45 мин с момента затворения цемента водой и концом схватывания — не позднее 10 ч. Для практики более важно начало схватывания, определяющее «время жизни» смеси. Его можно упрощенно определить по отпечатку стержня (карандаш) в лепешке из теста нормальной густоты. Пока оно пластично — он правильный. При начале схватывания вокруг него появляются трещины.
Для бетонных смесей начало схватывания обычно заметно больше, чем для теста нормальной густоты, так как в них используются более высокие водоцементные отношения (0,4-0,7).
Ложное схватывание цемента выражается в быстром загустевании бетонной смеси после затворения водой. При помоле цемента для замедления схватывания вводится гипсовый камень CaS04- 2Н20. В процессе помола развиваются высокие температуры (до 150 °С и выше). Это может приводить к дегидратации с образованием строительного гипса CaS04 • 0,5Н20 (т. е. гипс фактически обжигается). При затворении цемента водой происходит быстрая гидратация полуводного гипса (начало схватывания его может наступать уже через несколько минут), что и приводит к резкому загустеванию бетонной смеси.
Проверить цемент на ложное схватывание можно повторными определениями нормальной густоты теста через короткие промежутки времени.
Меры борьбы с ложным схватыванием:
- замедление гидратации гипса введением пластифицирующих добавок;
- разрушение образовавшихся гипсовых структур путем более длительного перемешивания смеси.
Равномерность изменения объема. Равномерное изменение объема цемента при твердении (усадка и набухание) неизбежно, а вот неравномерное — недопустимо. Оно происходит при резко замедленном гашении пережженных свободных СаО и MgO (ограничения их содержания — см. выше). Продукты их гидратации увеличиваются в объеме, что приводит ктрещинообразованию в бетоне, причем иногда в значительном возрасте.
Равномерность изменения объема цемента определяется на лепешках из цементного теста нормальной густоты по ГОСТ 310.3-76.
Тепловыделение цемента. Реакции цемента с водой идут с выделением значительного количества тепла. При этом чем быстрее минерал реагирует с водой, тем больше тепла он выделяет.
Наибольшее тепловыделение имеет алюминат, второе место занимает алит. Величина тепловыделения зависит от минералогического состава цемента, тонкости помола. Минеральные добавки в цементе снижают тепловыделение.
Максимум тепловыделения наблюдается в первые сутки, в процессе схватывания и начального твердения цемента. За 3 суток цементы различного состава выделяют тепла 110—380 Дж/г цемента, что составляет 60—80% от его месячного количества.
Тепловыделение ведет к разогреву бетона. В массивных конструкциях температура в зависимости от вида и расхода цемента может за 3 суток подниматься до 60-70 °С. Вследствие охлаждения поверхностных слоев в них возникают растягивающие напряжения. Это может привести к трещинообразованию. Чтобы исключить его, применяют низкотермичные цементы: сульфатостойкий, пуццолановый, шлакопортландцемент.
При бетонировании в осенне-весенний период тепловыделение играет уже положительную роль, так как повышает температуру бетона и скорость его твердения. Полезно оно и при зимнем бетонировании. В этих случаях целесообразно использование цементов с повышенным тепловыделением (быстротвердеюшие цементы).
Контракция При твердении цемента происходит увеличение объема твердой фазы, так как вода, связываемая химически, встраивается в структуру гидратированных частиц. Но при этом она «упаковывается» более плотно, и ее объем уменьшается по сравнению с исходным. Уменьшается и суммарный объем вступивших в реакцию воды и цемента. Это явление и называется контракцией (стяжением).
Контракция начинается с момента затворения цемента водой, т. е. одновременно с химическими реакциями. Пока бетонная смесь пластична, контракция сопровождается уменьшением объема смеси, т. е. осадкой (что можно наблюдать визуально). Но при схватывании внешний объем смеси фиксируется, а контракция проявляется уже объемными изменениями внутри цементного камня. При уменьшении объема реагирующих воды и цемента в твердеющем бетоне возникает вакуум, что легко подтвердить экспериментально.
На последствия контракции существуют две точки зрения. Согласно первой из них, контракция ведет к образованию в цементном камне нового вида пор: «контракционных». Согласно второй — новых пор не образуется, так как вода, идущая на химические реакции и уменьшающая свой объем, уже находится в капиллярных порах. Вакуум, возникающий в них, гасится подсосок извне той среды, в которой бетон твердеет, т. е. воды или воздуха. Эта точка зрения представляется более обоснованной, так как при твердении пористость цементного камня уменьшается.
Вопрос: чем гасится контракционный вакуум, важен для морозостойкости бетона. Попадание воздуха в капиллярные поры способствует ее повышению, а поступление дополнительной воды — понижению.
Величина контракции зависит от минералогического состава цемента. В среднем она составляет 6-7 л на 100 кг цемента за 28 суток твердения. Для бетона с расходом цемента 300 кг/м3 это примерно 20 л/м3. Если бетон твердеет в воде, такое ее кс.~ ячество будет дополнительно поглощено извне, а при твердении на воздухе в капилярные поры поступит такое же количество воздуха.
Лежалость цемента. При хранении цемента происходит его медленная гидратация парами влаги, содержавшейся в воздухе, а также взаимодействие с СО2 Влага конденсируется в узких контактах между зернами и вступает в реакцию с минералами цемента. Активность его при этом снижается.
Изготовитель должен гарантировать соответствие цемента стандарту в течение не менее 45 суток для быстротвердеющих и 60 суток для остальных портландцементов.
Одной из характеристик, позволяющих оценить состояние цемента при хранении, являются потери массы цемента при прокаливании. Прокаливание предварительно высушенных проб производится при температуре порядка 1000 °С. При этом разлагаются гидратированные соединения, а химически связанная вода удаляется.
Некоторые стадии потери активности цемента можно наблюдать визуально: появление агрегатов зерен (комочков), их укрупнение, увеличение прочности. Решающим для сохранности цемента является его герметичное хранение. В реальных условиях снижение активности за 3 месяца может составить 10-20%.
Применение лежалых цементов еще в большей степени, чем на прочности, отражается на морозостойкости бетона.
