Что такое активность цемента при пропаривании

Ускоренные методы определения активности цемента

Сообщение, сделанное на 5-й международной специализированной конференции BaltiMix “Сухие строительные смеси для XXI века: технологии и бизнес” к.т.н. Ириной Медведевой, доцентом кафедры строительных и специальных вяжущих веществ СПбГТУ

Одним из важнейших преимуществ применения сухих строительных смесей по сравнению с традиционными растворными и бетонными смесями является постоянство состава и соответствие свойств, заявляемых производителями. Качество работ, выполняемых с использованием ССС, определяется совокупностью свойств, придаваемых каждым компонентом сухой смеси. Прочностные же характеристики материалов определяются в основном качеством минеральных вяжущих — портландцемента, глиноземистого цемента.

Производители сухих строительных смесей сталкиваются со значительными колебаниями прочностных свойств цементов, особенно в ранние сроки твердения.
В соответствии с ГОСТ 10178 марка цемента определяется по результатам испытания стандартных образцов через 28 суток твердения. Испытание прочности через 3 суток твердения предусмотрено только для быстротвердеющих цементов. Введенный в 2003 г. ГОСТ 31108 подразделяет цементы по классу прочности и устанавливает дополнительные сроки испытаний в возрасте 2 и 7 суток. Однако к настоящему времени не все цементные заводы испытывают цементы на класс прочности по ГОСТ 30744. Отпускная прочность цемента на заводах-изготовителях оценивается по результатам испытаний предыдущих партий цемента, а также по результатам ускоренного испытания методом пропаривания образцов. Материалы, приготовленные с использованием сухих строительных смесей, твердеют преимущественно в атмосферных условиях, то есть при температуре от +30°С до -20°С, поэтому корреляция с результатами испытаний цементов при пропаривании отсутствует.

Работа З. Энтина и Л. Нефедовой «Прогнозирование перехода от марок по ГОСТ 10178-85 к классам прочности по ГОСТ 31108-2003», опубликованная в №2 журнала «Цемент и его применение» (2004 г.), посвящена параллельному испытанию физико-механических свойств цементов по ГОСТ 310.4 и ГОСТ 30744. Из этой работы видно, что при примерно равных показателях в 28-суточном возрасте цементы отстают по темпу твердения (недостаточная прочность в ранние сроки твердения), а также характеризуются нестабильностью показателей качества.

При разработке же рецептур ССС (ремонтные составы, составы для устройства полов, гидроизоляционные составы), для которых важнейшей характеристикой является прочность в ранние сроки твердения (часы, сутки), необходимо контролировать именно раннюю прочность цемента. Экспресс-метод оценки активности цементов, основанный на кондуктометрических измерениях, не дает воспроизводимых результатов, что связано с различиями в химических и вещественных составах цементов.

Поэтому для экспресс-оценки активности цементов на кафедре химической технологии строительных и специальных вяжущих веществ СПбГТУ применяется следующая методика. Испытания проводятся на стандартных образцах-балочках (40х40х160 мм) или на образцах-кубиках (30х30х30 мм). Образцы готовятся из цементного теста нормальной густоты по ГОСТ 310.3. Формы заполняются цементным тестом, встряхиваются, избыток теста срезается ножом. Образцы в формах выдерживаются над водой в течение 24 часов при t=(20±2)°С и относительной влажности воздуха (95±5)%. Через 24 часа после затворения образцы освобождаются из форм и не позднее чем через 20 минут испытываются на прочность при сжатии. Активность цементов через 24 часа твердения оценивается по формуле: R24ч=P / S • 98 (МПа), где R24ч — прочность при сжатии, МПа; P — усилие (кгс), S — площадь образца (см2).

По результатам испытаний активности портландцементов и глиноземистых цементов различных производителей цементы условно разделены на три группы. Активность малоактивных цементов меньше 20 МПа. У цементов средней активности эта характеристика лежит в пределах от 20 до 30 МПа. А у высокоактивных она превышает 30 МПа.

В I группу входят портландцементы ПЦ 600-Д0 (Санкт-Петербург), ШПЦ 400 (Липецкцемент), ПЦ 400 (Кузнецкцемент), а также глиноземистые цементы ГЦ- 40 (Пашийский завод), ВГЦ II 250 и 350 (Осколцемент, Санкт-Петербург), ВГКЦ-75 (Челябинский завод).

Во II — портландцементы ПЦ 500-Д0 (Осколцемент, Белгородцемент), ПЦ 400-Д20 (Михайловцемент), ПЦ 400-Д0 («Цесла», Сланцы), глиноземистый цемент ГЦ-50 (Осколцемент, Санкт-Петербург).

В III — портландцементы ПЦ 600-Д0 (Осколцемент, Санкт-Петербург), ПЦ 500-Д0 (Мордовцемент, Сухоложскцемент, Искитимцемент, Ангарскцемент), ПЦ 400-Д20 (Искитимцемент), глиноземистые цементы ГМЦ-60 («Цемдекор», Подольск), ГЦ-60 (Пашийский завод), Fondu, Secar 51, Secar 71 (Lafarge, Франция), Isidac-40 (Турция), Istra-40 (Германия).

Следует отметить, что представленное разделение цементов по активности условно, так как для ряда цементов колебания абсолютных величин прочности различных партий составляло от 10 до 40 МПа. С учетом характеристики активности цементов возможно проектирование рецептур сухих строительных смесей оптимального состава. Так, для проектирования стяжек для полов необходимо использовать портландцемент как минимум II группы. Для разработки самовыравнивающихся полов с минимальным (до 4 часов) сроком начала хождения оптимальным является сочетание глиноземистого цемента III группы и портландцемента II или III группы. Составы для мгновенной (в течение 60 секунд) остановки водных протечек — это сочетание цементов III группы. Для составления сухих смесей для упрочнения промышленных полов используется портландцемент III группы. А для ремонтных составов — портландцемент II или III группы, глиноземистый цемент III группы.

Применение цементов высокой активности позволяет снизить содержание вяжущих в рецептуре сухих смесей, ускорить введение в эксплуатацию затвердевших растворов, снизить усадочные деформации в процессе эксплуатации.

1. Энтин З.Б., Нефедова Л.С. Прогнозирование перехода от марок по ГОСТ 10178-85 к классам прочности по ГОСТ 31108-2003.//Цемент и его применение.-2004.-№ 2.-С.27-30.

2. Корнеев В.И., Медведева И.Н. Вяжущие свойства композиций на основе портландского и алюминатного цементов.//3-я международная конференция «Современные технологии сухих смесей в строительстве», СПБ, 2001, С.115-121.

Источник

Зависимость прочностных и контракционных характеристик цементов различных групп по эффективности при пропаривании

В условиях тепловлажностной об­работки (ТВО) наиболее эффектив­ными являются цементы, обеспечи­вающие получение наибольшей прочности бетона при минимально возможном их расходе и при наи­более коротких режимах тепловой обработки.

В настоящее время в роли каче­ственной характеристики эффек­тивности цемента в условиях ТВО используется коэффициент при пропаривании. В зависимости от величины коэффициента при про­паривании цементы разделены на три группы [1]:

— высокоэффективные (I группа, Кп = 0,68);

— среднеэффективные (И группа, Кп = 0,57-0,67);

— низкоэффективные (III Группа, Кп = 0,56);

Как известно, прочность и дефор — мативность бетона определяется, главным образом, структурой и свойствами цементного камня. Ха­рактеристики структуры бетона в процессе его твердения невозмож­но рассматривать без данных о кинетике гидратации цемента.

Во ВНИИФТРИ была разработана методика и аппаратура [2 для из­мерения кинетики изменения контракции бетона, т. е. изменения суммарного объема цемента и воды в процессе гидратации.

Прямая связь между степенью гидратации цЬмента и контракцией бетона позволяет исследовать про­цесс формирования структуры и оценить эффективность режима твердения бетона при различной температуре.

Были проведены исследования по определению контракционного объ­ема твердеющей системы на цемен­тах разных групп по эффективности при пропаривании.

Исследования проводились на дифференциальном контрактометре КД-02, который позволяет опреде­лять изменения контракционного объема при твердении бетона в условиях, моделирующих пропари-

Вание. Прибор обеспечивает скоро­сть подъема и снижения температу­ры от 5 до 50 °С/ч, имеет автоном­ную связь с лабораторной тепловой камерой для задания и воспроизве­дения заданного теплового режима.

Определение изменения кон­тракционного объема дифференци­альным методом состоит в непрерыв­ном определении разности давлений между исследуемым и модельным ма­териалами и построении зависимости,

Д V =/г, где т — время (ч, сут.).

В экспериментах использовались цементы Пикалевского, Воскресен­ского, Старооскольского, Перво­майского цементных заводов, отно­сящиеся к различным группам эф­фективности цементов при пропа­ривании. Характеристики цементов приведены в табл. 1. В качестве крупного заполнителя использовали гранитный щебень фракции 5—20 мм, в качестве мелкого заполнителя

— песок кварцевый с модулем крупности 2. В опытах использовали составы бетона при двух значениях водоцементного отношения. Соста­вы бетона приведены в табл. 2.

Определение изменения конт­ракционного объема и прочности изучали на бетонах в условиях ускоренного твердения по режиму

2 + 3 + 19 при температуре изотер­мического прогрева 50, 65 и 80 °С. Контракцию (Д Кпр) определяли с момента приготовления бетона до возраста 24 ч в условиях ТВО. Кроме этого, определяли контрак­цию бетона нормального твердения (Д Vis) (табл. 3).

Одновременно определяли проч­ность в возрасте 4, 6, 9, 12, 18, 24 ч (Кбпр) и в 28 сут нормального твердения (R628ht). По результатам испытаний рассчитывали коэффи­циенты прочности Кпр = Re»v/ Яб28т И коэффициенты контракции К АV =aV„p/aV2В и были построе­ны кривые изменения этих коэффи-

Источник

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящие Рекомендации предназначены для ускоренной оценки активности цемента в бетоне и прогнозирования ее соответствия гарантированной марке.

1.2. Рекомендации следует применять в лабораториях заводов строительной индустрии и в других строительных лабораториях с использованием оборудования для изготовления, пропаривания и испытания стандартных образцов бетона по ГОСТ 10180-78.

1.3. Методика ускоренной оценки активности цемента предусматривает два этапа: подготовительный и основной.

2.4. В подготовительном этапе устанавливают средний статистический переходный коэффициент эффективности цемента в пропаренном бетоне.

Одновременно на втором этапе по результатам определения прочности бетона рекомендуется назначать водоцементное отношение, обеспечивающее получение бетона с заданной отпускной или передаточной прочностью, например, в соответствии с «Рекомендациями по ускоренной оценке качества цемента в бетоне и назначению его состава» (М., Стройиздат, 1975) * .

* Следует обратить внимание на то, что указанные «Рекомендации» должны быть использованы только для назначения водоцементного отношения, но не для проверки активности цемента.

2. УСТАНОВЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦЕМЕНТА ПРИ ПРОПАРИВАНИИ (подготовительный этап)

2.1. Для установления коэффициента эффективности цемента при пропаривании необходимо знать активность цемента в возрасте 28 сут нормального твердения по ГОСТ 310.4-81 и прочность пропаренного бетона эталонного состава, приготовленного на этом цементе.

2.2. Активность цемента принимают по данным, полученным при испытании цемента на заводе-поставщике или в арбитражном лаборатории по государственным испытаниям.

В подготовительном этапе данные об активности цемента необходимо запросить у цементного завода-поставщика, который в соответствии с ГОСТ 22236-85 обязан выслать их потребителю.

С целью повышения надежности прогнозирования рекомендуется в этот же период направить не менее 5 проб цемента на арбитражные испытания.

2.3. В качестве эталонного состава следует принимать состав бетона, соответствующий наиболее массовому виду бетона, выпускаемому на данном предприятии.

Бетон эталонного состава приготавливают на испытываемом цементе и заполнителях, характерных для данного предприятия, и подвергают пропариванию по принятому на данном предприятии режиму. Образцы испытывают через 4 ч после окончания тепловой обработки.

Для повышения точности прогнозирования активности цемента и снижения вариации прочности бетона при экспериментальных определениях прочности эталонного состава необходимо иметь определенное количество заранее заготовленных заполнителей, характерных для данного предприятия. Кроме того, погрешность дозирования состава всех составляющих в лабораторных замесах при этом должна быть не выше 1 %, погрешность поддерживания режима тепловой обработки — не выше ± 2 °С по температуре и ± 5 мин по длительности отдельных этапов и времени испытания образцов после окончания тепловой обработки.

2.4. Коэффициент эффективности цемента при пропаривании К_{э i} для каждой из испытанных партий цемента рассчитывают по формуле (1), а средний коэффициент эффективности при пропаривании для всех испытанных партий — по формуле (2).

где — активность цемента в возрасте 28 сут по данным завода-поставщика или арбитражной лаборатории, МПа; R _{в i} — прочность эталонного состава, приготовленного на цементе той же партии, определяемая по ГОСТ 10180-78, МПа; п — количество испытанных партий цемента.

2.5. Коэффициент вариации коэффициента эффективности цемента при пропаривании определяют по формуле

2.6. Коэффициент эффективности цемента при пропаривании следует рассчитывать по каждым последовательно поступающим на завод 15 партиям данной видо-марки цемента, что обеспечивает необходимую надежность прогнозирования.

При изменении качества заполнителей, условий твердения или испытаний эталонного состава бетона необходимо вновь определять переходный коэффициент.

В табл. 1 приведены результаты определения прочности после пропаривания бетона проектной марки М300 с отпускной прочностью, равной 24 МПа. Бетон изготовлен на 15-ти последовательно поступивших партиях портландцемента с минеральными добавками марки М400 одного завода-поставщика. В табл. 1 приведены также полученные от завода-поставщика результаты определения активности цемента по ГОСТ 310.4-81 и рассчитанный по этим данным по формуле (1) коэффициент эффективности цемента при пропаривании для каждой партии цемента, а также средний коэффициент , рассчитанный по формуле (2), и коэффициент вариации , рассчитанный по формуле (3).

Таблица 1. Определение коэффициентов эффективности цементов при пропаривании

Источник

Прочность Цемента

Согласно ГОСТ 10178-85, прочность цемента характеризуют пределами прочности при сжатии и изгибе. Марку цемента устанавливают по пределу прочности при изгибе образцов балочек 40x40x160 мм и при сжатии их половинок, изготовленных из раствора состава 1:3 (по массе) с нормальным песком при водоцементном отношении 0,4 и испытанных через 28 сут; образцы в течение этого времени хранят во влажных условиях при температуре (20±2)°C. Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут называется активностью цемента.

Для приготовления образцов применяют чистый кварцевый песок постоянного зернового и химического составов, что позволяет исключить влияние качества песка на прочность цемента и получить сравнимые результаты. При отнесении портландцемента к той или другой марке предел прочности образцов при изгибе и сжатии в возрасте 28 сут должен быть не ниже значений, приведенных на рис. 1.

Рис. 1. Гарантированная марка цементов по пределу прочности

Прочность портландцемента нарастает неравномерно: на третий день она достигает примерно 40. 50% марки цемента, а на седьмой — 60. 70%. В последующий период рост прочности цемента еще более замедляется, и на 28-день цемент набирает марочную прочность. Однако при благоприятных условиях твердение портландцемента может продолжаться месяцы и даже годы, в 2. 3 раза превысив марочную (28-суточную) прочность. Можно считать, что в среднем портландцемент набирая прочность подчиняется логарифмическому закону (рис. 2).

Теоретический предел прочности, который имеет цементный камень при сжатии очень велик, составляет более 240. 340 МПа. Практически при формовании бетонов прессованием была получена прочность 280 МПа и более.

Прочность цементного камня и скорость его твердения зависят от минералогического состава клинкера, тонкости помола цемента, содержания воды, влажности, температуры среды и продолжительности хранения.

Рис. 2. График прочности цемента

Влияние минералогического состава на прочность портландцемента

Процесс нарастания прочности клинкерных минералов портландцемента различен. Наиболее быстро набирает прочность трехкальциевый силикат: за 7 сут твердения он набирает около 70% от 28-суточной прочности (рис. 3), дальнейшее нарастание прочности у C3S значительно замедляется (рис. 4).

Рис. 3. Нарастание прочности минералов клинкера портландцемента: 1 — C3S; 2 — C4AF; 3 — C2S; 4 — C3A

Другая картина твердения духкальциевого силиката. В начальный период твердения (до 28-суточного возраста) C2S набирает всего до 15% прочности C3S, но и в последующий период твердения двухкальциевый силикат начинает повышать свою прочность и в какой-то период достигает и даже может превысить прочность C3S. Это явление объясняется тем, что трехкальциевый силикат гидратирует быстрее, чем двухкальциевый. К 28-суточному возрасту гидратации C3S почти заканчивается, а гидратация C2S к этому времени начинает развиваться. Поэтому при необходимости получить бетон высокой прочности в короткие сроки применяют цемент с большим содержанием трехкальциевого силиката — так называемый алитовый цемент, и, наоборот, если требуется высокая прочность в более позднее время (например, в гидротехнических сооружениях), то можно применять белитовый цемент. Трехкальциевый алюминат сам по себе имеет низкую прочность, однако значительно ускоряет твердение цемента в начальный период. Этим свойством С3А пользуются, получая быстротвердеющий портландцемент. По минералогическому составу он отличается высоким содержанием C3A и C3S (около 60. 70%, в том числе до 10% C3A).

Рис. 4. Степень гидратации клинкерных минералов во времени от полной гидратации, %

Влияние тонкости помола цемента на прочность

С увеличением тонкости помола прочность цемента возрастает. Средний размер зерен портландцемента, выпускаемого отечественными заводами, составляет примерно 40 мкм. Толщина гидратации зерен через 6. 12 мес твердения обычно не превышает 10. 15 мкм (рис. 5). Таким образом, при обычном помоле портландцемента 30. 40% клинкерной части его не участвует в твердении и формировании структуры камня. С увеличением тонкости помола цемента увеличивается степень гидратации цемента, возрастает содержание клеящих веществ гидратов минералов — и повышается прочность цементного камня. Заводские цементы должны иметь тонкость помола, характеризуемую остатком на сите № 008 (размер ячейки в 0,08 мм) не более 15%. Обычно она равна 8. 12%.

Тонкость помола цемента характеризуется также величиной удельной поверхности (м2/кг), суммарной поверхностью зерен (м2) в 1 кг цемента. Удельная поверхность заводских цементов составляет 250. 300 м2/кг. В ряде случаев с целью повышения активности заводского цемента и для получения быстротвердеющего цемента тонкость помола повышают. Условно считают, что прирост удельной поверхности цемента на каждые 100 м2/кг повышает его активность на 20. 25%.

Увеличение удельной поверхности цемента более 300…350 м2/ кг связано со значительным снижением производительности мельниц; кроме того, такие цементы увеличивают водопотребность, растет тепловыделение, возрастают усадочные деформации.

Рис. 5. Глубина гидратации клинкерных минералов

Водопотребность цемента

Водопотребность цемента определяется количеством воды (% от массы цемента), необходимым для получения теста нормальной густоты. Водопотребность портландцемента 24. 28%, при введении активных минеральных добавок осадочного происхождения (диатомита, трепела, опоки) водопотребность повышается до 32. 37%.

Влияние влажности и температуры среды на прочность цемента

Твердение цементного камня и повышение его прочности могут продолжаться только при наличии в нем воды, так как твердение есть в первую очередь процесс гидратации.

Большое влияние на рост прочности цементного камня оказывают влажность и температура среды. Скорость химических реакций между клинкерными минералами и водой увеличивается также значительно возрастает с повышением температуры, а скорость уплотнения продуктов гидратации цемента. Твердение цементного камня на практике может происходить в широком при температуре диапазоне температур: нормальное твердение — 15. 20°С, пропаривание — 80. 90°C, автоклавная обработка — до 170. 200°C, давление пара — до 0,8. 1,2 МПа и твердение — при отрицательной температуре. Наиболее быстрый рост прочности цементного камня происходит при пропаривании под давлением в автоклавах, при этом бетон через 4. 6 ч приобретает марочную прочность.

В условиях пропаривания при нормальном давлении твердение бетона происходит примерно в 2 раза медленнее, чем в автоклавах. Бетоны, подвергнутые тепловлажностной обработке при температуре до 100°С, в большинстве случаев приобретают только 70% проектной прочности и лишь иногда достигают 100%. Дальнейший рост их прочности, как правило, не наблюдается.

Твердения портландцементного камня при отрицательных температурах не происходит, так как вода превращается в лед. Однако за счет добавки CaCl2, NaCl или их смеси бетон все же набирает прочность. Добавление к цементу электролитов CaCl2, NaCl в количестве 5% и более от массы цемента повышает концентрацию растворенных веществ в воде и понижает температуру ее замерзания. Кроме того, хлористые соли являются ускорителями твердения цемента. Однако применение этих солей в количестве более 2% в железобетонных конструкциях не рекомендуется из-за возможной коррозии арматуры. Также в качестве противоморозной добавки используют нитрит натрия NaNO2.

Продолжительность хранения цемента и его прочность

Длительное хранение цемента даже в самых благоприятных условиях влечет за собой некоторую потерю его активности. После 3 мес хранения потеря активности цемента может достигать 20%, а через год — 40%. Цементы более тонкого помола теряют больший процент активности, так как влага воздуха, соприкасаясь с цементом, вызывает преждевременную гидратацию цемента. Восстанавливать активность лежалого цемента можно вторичным помолом. Наиболее эффективен вибродомол цемента, в процессе которого повышается тонкость помола цемента, а также происходит обдирка гидратных и инертных оболочек с цементных зерен. Наиболее целесообразным методом предотвращения потери активности цемента является гидрофобизация.

Источник