Какие существуют основные показатели качества цемента?

cementК основным показателям качества цементов, которыми определяется их химико-минералогический и вещественный состав, относятся прежде всего его активность, водопотребность, сроки схватывания, равномерность изменения объема. Учитывая решающее влияние на качество цемента его активности, этот показатель рассматривается отдельно в следующем вопросе. Характеристиками цементного порошка является его действительная (истинная) и насыпная плотность, а также тонкость помола.

Истинная плотность портландцемента колеблется в диапазоне 3...3,2 г/см3. Насыпная плотность цемента зависит от степени уплотнения порошка: в рыхлом состоянии она составляет 960...1300, в уплотненном достигает 1600...1840 кг/м3.

Высокая тонкость помола цементного клинкера является необходимым условием проявления его вяжущих свойств. При просеивании цемента через сито с сеткой № 008 должно проходить не менее 85% массы пробы. Ряд свойств цемента и прежде всего прочность в ранние сроки твердения зависят от удельной поверхности, что для заводских цемента равна 2500...3500 см2/г при определении ее по скорости прохождения воздуха через слой цементного порошка.

Цемент, замешан водой, образует пластичное цементное тесто. Водопотребность цемента оценивают количеством воды замеса в процентах массы цемента, необходимой для образования теста нормальной густоты. Понятие нормальной густоты является условным и определяется погружением в цементное тесто пестика прибора Вика (толкачик не должен доходить на 5...7 мм до пластинки, на которой установлено кольцо, заполненное цементным тестом). Портландцемент характеризуется сравнительно невысокой водопотребностью. Нормальная плотность его колеблется от 24 до 29%. Увеличивают водопотребность цемента повышенное содержание алюминатов, минеральные добавки осадочного происхождения (опока, трепел, диатомит и др.), большая тонкость помола. Снижают водопотребность цемента добавки-пластификаторы. Повышение водопотребности неблагоприятно отражается на свойствах цемента: прочности, усадочных деформациях, морозостойкости и др. Это объясняется увеличением избытка воды по сравнению с теоретически необходимым для его твердения и, как следствие, ростом пористости цементного камня.

kachestvo-cementa 2 kachestvo-cementa 3

Рис. 1. Кристаллы алита
в клинкере. Зб. 315.

Рис. 2. Кристаллы белита
в клинкере. Зб. 440.

Как видно из рис. 3, с увеличением нормальной густоты цементного теста при одинаковом значении В/Ц прочность бетонной смеси резко возрастает, поэтому для достижения одинаковой прочности при использовании цемента с высокой нормальной плотности необходимо увеличивать расход цемента. Влияние нормальной густоты на зручновкладальнисть бетонных смесей особенно часто наблюдается при использовании бетонных смесей на основе пуццоланового цемента характеризуется повышенной нормальной плотности.

kachestvo-cementa 4

Рис. 3. Зависимость жесткости бетонной смеси от нормальной густоты цементного теста:
1 - В / Ц = 0,25; 2 - В / Ц = 0,30;
3 - В / Ц = 0,35.

Первой стадией твердения цементного камня является схватывания. Весь период схватывания условно делится на начало и конец. Началом схватывания цементного теста считается время, прошедшее с момента затворения до того момента, когда игла прибора Вика не будет доходить до пластинки, на которой установлено кольцо на 2 ... 4 мм. Концом схватывания считается время от начала затворения до момента, когда игла будет погружаться в тесто не более чем на 1 ... 2 мм. Начало и конец схватывания цемента нормируются в пределах удобных для изготовления растворов и бетонов. Начало схватывания должно наступать не ранее чем через 60 мин. для цементов марок 300, 400 и 500 и 45 мин. для марок 550 и 600. Обычно он наблюдается через 2 ... 4 ч. с момента затворения. Конец схватывания для цемента должно наступать не позднее 10 ч. Указанные требования обеспечивают за счет введения в портландцемент добавки гипса.

Двуводный гипс замедляет схватывание портландцемента. Действие гипса связана с образованием на поверхности зерен С3А (наиболее быстротвердеющий фазы цемента) защитных оболочек новой соединения - гидросульфоалюмината. Это соединение является продуктом взаимодействия гипса, трехкальциевого алюмината и воды.

Добавки - регуляторы сроков схватывания цемента - разделяют на две группы: замедлители и ускорители. Замедлителями сроков схватывания портландцемента является борная кислота, фосфаты и нитраты калия, натрия и аммония, увеличивают концентрацию ионов кальция в системе и замедляют процесс гидролиза C3S. Замедляют схватывания цемента также органические поверхностно вещества, адсорбируются на частицах цемента и тормозят гидратацию. Ускорить схватывание портландцемента можно введением добавок - электролитов, а также веществ, которые являются центрами кристаллизации гидратных новообразований.

kachestvo-cementa 5

Рис. 4. Влияние содержания алита на прочность цемента

Механизм действия добавок - ускорителей схватывания определяется их природой. Так, ускорение схватывания при наличии СаСl2 объясняется его взаимодействием с алюминатных и ферритных фазами цемента с образованием гидрохлоралюмината кальция, а также поверхностной адсорбции ионов Сl-, что вызывает повышение растворимости клинкерных минералов.

Вследствие взаимодействия карбонатов и сульфатов щелочных металлов с Са(ОН)2 в цементе образуется малорастворимый карбонат кальция, гидроксид кальция выводится из сферы реакции, и процесс гидролиза С3S ускоряется.

На практике нужно различать, наряду с обычным, и ненастоящее (ложное) схватывания. Оно проявляется в преждевременном сгущении цементного теста, который можно предотвратить дополнительные перемешиванием, увеличением водопотребности цементного теста, а также за счет введения указанных добавок. Ненастоящее схватывания приводит к уменьшению прочности и дополнительных сложностей при бетонировании конструкций. Часто, в результате ложного схватывания, цементное тесто сгущается непосредственно в бетоносмесителях.

Одной из причин такого аномального схватывания цемента может быть присутствие свободного оксида кальция. Карбонизация щелочей в цементе во время его хранения, может вызвать мгновенное схватывание цемента.

Метод испытания цемента на ложное схватывание представляет собой видоизмененное стандартное определение нормальной густоты цементного теста - после 5-минутного интервала глубина погружения стандартного толкачика не должна уменьшиться более определенной величины.

Кольцо прибора Вика заполняют цементным тестом нормальной густоты и устанавливают под толкачик прибора, оставляя в покое 5 мин. с момента окончания перемешивания. Затем освобождают стержень и толкачик свободно опускается в тесто. Через 10 сек. с момента освобождения стержня делают отсчет глубины погружения по шкале. Если за 10 сек. толкачик погрузился в тесто на глубину меньшую 10 мм, признается, что цемент имеет ложное схватывание.

Равномерность изменения объема при стандартных испытаниях цемента оценивают визуально по деформации образцов - лепешек (диаметром 70...80 и толщиной 10 мм) из цементного теста нормальной густоты, подверженных кипячению после 24 часов. твердения в нормальных влажностных условиях. Основной причиной неравномерной изменения объема цементного камня является гашения в нем свободной извести и гидратация периклаза. В некоторых случаях такая неравномерность связана с образованием в уже затвердевшей структуре цементного камня гидросульфоалюмината кальция при повышенном количестве добавки гипса.