цементний камінь

Як уже зазначалося, портландцемент навіть при повній гідратації при звичайній температурі хімічно пов'язує до 5-27% за масою. Зазвичай і при тривалому твердінні протягом десятків років ступінь гідратації звичайних цементів не перевищує 80-90%, тому 30-50% води, що вводиться в цементне тісто, лише частково хімічно взаємодіє з цементом і входить в тверду фазу. Кількість хімічно зв'язаної води, не видаляється при висушуванні матеріалу при 105 ° С, досягає 10-15% маси цементу через місяць твердіння при 15-20 ° С. При цьому чим більше вихідне ВЩ і чим вище дисперсність цементу, тим більше кількість зв'язаної води.

Численні дослідження свідчать про те, що основна маса новоутворень при взаємодії цементу з водою виникає у вигляді гельовідниє мас, що складаються переважно з субмикроскопических кри-сталлітних частинок гідросилікатів кальцію. У загальній гельовідниє масі розміщуються також іепрореагіровав-шие залишки цементних зерен і відносно великі кристали гідроксиду кальцію і деяких інших новоутворень, видимі в оптичний мікроскоп.

Розрахунки показують, що при повній гідратації трехкальциевого силікату утворюється близько 60% гідросилікатів типу CSH (B) і до 40% Са (ОН) 2, при гідратації ж C2S тих же сполук утворюється відповідно 82 і 18% по масі. Ці цифри дають відоме уявлення про співвідношення в затверділої маси гельовідниє і крупнокристаллической фаз. Разом з тим слід ще раз підкреслити, що і ті частинки, які складають гель, характеризуються напівкристалічних структурою, проте виключно висока дисперсність обумовлює їх колоїдні властивості.

Таким чином, тісто, що представляє собою спочатку пластичну суміш клінкерних частинок, води і невеликої кількості залученого повітря, в результаті твердіння перетворюється в міцний цементний камінь, який є трифазною системою (тверда фаза - вода - повітря) і характеризується капілярно-пористою будовою.

Цементний камінь включає:

гель, що складається з частинок гідратних новоутворень розміром 5-20-Ю-3 мкм і більше і гелевих пір діаметром від 1-3 10-3 мкм до МО-1 мкм. Обсяг гелевих пір при твердінні цементу в нормальних умовах, по Т. Пауерсу, становить 0,28 загального обсягу гелю з порами. Це становить 0,28 / (1-0,28) = 0,39 обсягу твердої фази гелю. При твердінні цементу при підвищених температурах під тиском обсяг гелевих пір, за даними Д. Рой, може зменшуватися до 0,22. Обсяг пір між частинками гідратних новоутворень інших в'яжучих може значно відрізнятися від тих, які властиві цементному каменю. Так, мінімальний об'ем.пор в гіпсовому камені, що утворюється при взаємодії полуводного гіпсу з водою, становить 0,15-0,17 обсягу твердої фази двугидрата з порами (за умови твердіння системи без набухання);

відносно великі кристали таких новоутворень, як Са (ОН) 2, видимі в мікроскоп і не мають властивості колоїдів;

капілярні пори розміром в поперечнику від 0,1 до 20 мкм;

сферичні повітряні пори розміром від 50 100 мкм до 2 мм; вони утворюються в невеликій кількості (2-5%) внаслідок залучення повітря при виготовленні тесту.

Така структура цементного каменю дозволила В. Н. Юнгом образно назвати його «мікробетоном». За уявленнями І. А. Рибьева, подібні структури є конгломератного.

Обсяги прореагувала частини цементу, гелевих та капілярних пір в значних межах змінюються під час твердіння цементу. Так, зерна цементу розміром до 5 мкм майже повністю гидратируются протягом 1-3 діб, а через місяць повна гідратація настає і у частинок до 10 мкм. При цьому, природно, зростає обсяг самого гелю і гелевих пір.

При виготовленні цементного тесту, розчину або бетону води береться зазвичай 40-? Г0% маси цементу, т. Е. Значно більше, ніж хімічно зв'язується. Надлишкова вода розміщується в гелевих порах, а також в проміжках між прореагувала частиною цементних зерен. Після випаровування вільної, що не увійшла в реакцію з цементом води утворюються пори, звані капілярними. Зі збільшенням тривалості твердіння цементу обсяг капілярних пір зменшується, так як вони заповнюються гідратний новоутвореннями. Залежно від кількості води, введеної в тісто або в бетон при їх виготовленні (В / Ц), а також від тривалості твердіння обсяг капілярних пір в цементному камені коливається в широких межах - від 0 до 40% і більше. Таким чином, цементний камінь характеризується складної тонкопорістой структурою, що надає вирішальний вплив на багато його властивості (міцність, проникність, стійкість проти дії агресивних чинників, пружнов'язкопластичних властивості і т. Д.).

Розгляд капілярних і інших пор за розміром дозволяє класифікувати їх наступним чином: мікропори, діаметр яких не перевищує 0,01 мкм, перехідні пори діаметром від 0,01 до 0,1-0,2 мкм, макропори діаметром більше 0,2 мкм.

Пори відносяться до капілярних, якщо їх діаметр не перевищує 20-30 мкм. У них вода утримується силами поверхневого натягу, причому поверхня меніска має увігнуту форму. Порожнечі в цементному камені діаметром більше 20-40 мкм не є капілярними і заповнюються водою під дією гідростатичного тиску.

Обсяг пір визначають різними прийомами -насищеніем рідинами, відсмоктування повітря з пор і ін. Розподіл пор за розмірами встановлюють методами капілярної конденсації водяної пари, ртутної по-рометрні при високому (до 130 МПа) і низькому (до 0,1 МПа) тиску, витісненням газом рідини з капілярів, оптичної мікроскопії.

Основний обсяг пір (70-80%) в цементному камені місячного віку зазвичай займають капіляри діаметром менше 1 мкм. Диференціальні криві розподілу пор за розмірами характеризуються наявністю максимумів в межах 0,01-0,1 мкм.

Вже згадана структура цементного каменю обумовлює його виключно високу водонепроникність. Так, цементний камінь, отриманий з тіста з В / Ц 0,4. 0,45, характеризується приблизно такий же водонепроникністю, що і щільний природний камінь з об'ємом пустот до 2-3%. Це пояснюється величезним опором проходженню молекул води через найтонші мікрокапіляри. Збільшення В / Ц до 60% і більше призводить до різкого зростання водопроникності затверділого цементу. У десятки разів підвищується водопроникність каменю і після його висихання. Подальше ж водонасичення не забезпечує повного відновлення початкової непроникності, мабуть, внаслідок незворотних усадочних процесів, що порушують тонку капілярну структуру цементного каменю.

Бетони і розчини характеризуються більш високою водопроникністю, ніж цементний камінь, що пояснюється їх меншою однорідністю і наявністю великих нещільності, тріщин і пір, що виникають в місцях контакту цементу з наповнювачами внаслідок седиментаційних явищ, а також відмінності показників усадки і т. П. Введення в цемент хлоридів кальцію, натрію і заліза (2-5%) і деяких інших речовин, за даними Ю. В. Чеховського, сприяє значному зменшенню як обсягів і розмірів макропор, так і проникності цементного каменю.

Важливо відзначити великий вплив на властивості цементного каменю сферичних пір, утворюються в результаті залучення повітря при виготовленні тесту і розміщуються в загальній масі новоутворень. Вони є або замкнутими, або сполученими з капілярами. Внаслідок значних розмірів цих пір водяні пари в них не конденсуються. Розчленовуючи капіляри, пори перешкоджають переміщенню по ним води.