Ресурсное обеспечение
городских строительных программ

Свойства цемента

Долговечность цементного камня

Долговечность цементного камня - способность цементного камня сохранять необходимый уровень строительно-технических свойств пои длительной эксплуатации. Исходя из термодинамической устойчивости продуктов твердения цемента, можно было бы сделать предположение о высокой (сотни и тысячи лет) долговечности цементного камня, однако прямых подтверждений такой стабильности цементного камня нет, поскольку портландцемент был изобретён лишь в 1824 г., а лабораторный прогноз долговечности ненадёжен. Кроме того, существует большое число трудноучитываемых факторов, способствующих разрушению цементного камня при длительной эксплуатации, обусловленных, прежде всего, его щелочной природой (рН>12), а также пористой структурой, проницаемостью её для газов, воды и растворов, т.е. цементный камень склонен к химическому взаимодействию с окружающей средой.

Можно выделить внутренние и внешние факторы риска разрушения (ограниченной долговечности) цементного камня.

К внутренним факторам, наряду со щелочной природой цементного камня, следует отнести возможность проявления цементным камнем "неравномерности изменения объёма", высокие усадочные деформации при высушивании и деформации набухания при увлажнении, а также формирование недостаточно плотной (проницаемой) поровой структуры.

Внешние факторы недолговечности определяются конкретными условиями эксплуатации (службы) цементного камня. Эти факторы могут быть причиной разрушения цементного камня при его многократном замораживании и оттаивании в насыщенном водой состоянии, а также в результате химической (сульфатной, углекислотной, щелочной) и биохимической коррозии (воздействие бактерий, грибков, мхов и т.п.). К факторам риска относятся также многократный нагрев (особенно выше 200°С) и охлаждение цементного камня, а также его попеременное увлажнение и высушивание, провоцирующие высолообразование.

Проектирование долговечных конструкций на портландцементе основывается на необходимости получения прочного камня с низкой проницаемостью и защищённой от агрессивных воздействий поверхностью. Гарантированный срок службы такого материала, в зависимости от условий эксплуатации, может составить 50-100 лет и более.

Морозостойкость цементного камня

Морозостойкость - способность цементного камня противостоять многократному попеременному замораживанию и оттаиванию в насыщенном водой состоянии.

Критерием морозостойкости цементного камня является сохранение им после определённого количества циклов замораживания-оттаивания (25, 50, до 500 и более) исходной прочности: потеря прочности при сжатии не должна превышать 5%, а потеря массы - 3% (при стандартных базовых испытаниях бетона по ГОСТ 10060.1). Для определения морозостойкости, кроме прямого замораживания при (-15+ -20)°С и оттаивания образцов в воде при (+15-и-20)"С, применяют также ускоренные методы, основанные на использовании вместо воды раствора Na2SO4 и NaCl, и замораживание при температуре -50°С (ГОСТ 10060.2, ГОСТ 10060.4). Основным фактором устойчивости к замораживанию является структура порового пространства. При проникновении воды в поры и понижении её температуры до точки замерзания образующийся лёд увеличивается в объёме примерно на 9%, что приводит к возникновению в структуре материала высоких механических напряжений и соответствующих им деформаций. Если все поры в материале будут заполнены водой, разрушение должно произойти уже после первого цикла замораживания. Повышение морозостойкости может быть обусловлено формированием в структуре определённого объёма пор, не заполняющихся водой, в которые отжимается часть воды при замораживании. В частности, при твердении цементного камня возникает система пор, заполненных паровоздушной смесью, так называемые «резервные поры», наличие которых и определяет морозостойкость цементного камня. Разрушение материала происходит тогда, когда объём «резервных пор», в которые может отжиматься вода, мал по сравнению с объёмом образующегося льда, или когда в результате многократно повторяющихся циклов замораживания все поры будут постепенно заполнены водой. Чем выше относительный объём «резервных пор» по сравнению с общим объёмом пор, заполненных водой, тем выше морозостойкость раствора, бетона. Основными источниками таких резервных пор являются поры C-S-H геля, а также контракционные поры, образовавшиеся в ходе гидратации и твердения цемента. Если объём этих пор оказывается недостаточным для достижения заданной морозостойкости бетонов и растворов, в их состав вводят специальные воздухововлекающие добавки, обеспечивающие дополнительное количество резервных пор.

Применительно к сухим строительным смесям морозостойкость составов, предназначенных для работы в атмосферных условиях, например, фасадных, обеспечивается путём минимизации капиллярной пористости и формирования дополнительного количества «резервных пор» за счет:
оптимизации гранулометрии заполнителя и наполнителя и соотношения цемент-заполнитель в составе смеси;
минимизации величины В/Ц;
применения высокоактивных быстротвердеющих цементов, обеспечивающих в ранние сроки твердения в цементном камне высокое содержание C-S-H геля;
применения воздухововлекающих добавок.

Пористость цементного камня

Модель структуры цементного камня можно упрощённо представить как состоящую из трёх составляющих: непрореагировавших с водой полиминеральных частиц клинкера, продуктов гидратации цементных минералов - цементного геля (CSH-геля) и пор разного размера: пор геля и капиллярных пор, а также контракционных пор, образовавшихся из-за уменьшения суммарного объёма твердеющей системы: цемент-вода. Структура цементного камня включает также воздушные поры (пустоты), образовавшиеся при перемешивании цементного теста.

Капиллярные поры различаются по форме и размеру, формируя на ранних стадиях гидратации взаимосвязанную систему, распределённую по объёму цементного камня. Капиллярные поры - это та часть общего объёма системы цемент-вода, которая не заполнена продуктами гидратации. Капиллярная пористость зависит от водоцементного отношения В/Ц) исходной смеси и от степени гидратации цемента. Поскольку абсолютный объём продуктов гидратации в 1,5-2 раза превышает объём входных негидратированных фаз, эти продукты занимают часть начального порового пространства, а по мере гидратации цемента объём капиллярных пор уменьшается. При достижении определённой степени гидратации цементный гель блокирует капиллярные поры в формируются структуре, поскольку средний размер микропор цементного геля 1,5-2,0 нм) на несколько порядков меньше размера капиллярных пор. Поры геля занимают около 28% общего объёма цементного геля. Размеp капиллярных пор находится в широких пределах - от десятков нанометров до 100 мкм и более, а объём капиллярных пор может достигать 40% и более в зависимости от В/Ц, характеристик цемента (фазового состава, дисперсности), степени гидратации цементных минералов, условий твердения и т.д.

Капиллярная пористость цементного камня тем больше, чем выше начальное значение В/Ц и чем меньше степень гидратации активных фазовых составляющих цемента. Во всех случаях, в ходе гидратации цемента значение общей и капиллярной пористости цементного камня снижается, а капиллярные поры замещаются микропорами геля и порами, образующимися вследствие химической усадки (контракции).

Усадка цементного камня

Усадка - это естественное свойство Цементного камня, выражающееся в уменьшении его объема и массы. При первичной потере влаги цементным образцом необратимые деформации усадки составляют 30-50% от общей усадки. При последующем переменном увлажнении и высыхании наблюдаются обратимые знакопеременные деформации усадки-набухания. При усадке в пределах до 0,2-0,6% в цементном камне нет видимых трещин, при больших деформациях наблюдаются характерные усадочные трещины, свидетельствующие о трещи но нестойкости цементного камня.

Усадку цементного камня связывают со следующими явлениями: при относительной влажности 45-90% преобладают вызывающие усадку напряжения, связанные с испарением воды из капилляров определённого размера, при относительной влажности менее 20% и удалении адсорбированной воды преобладает эффект поверхностного сжатия твёрдой фазы. Другой составляющей усадки при высыхании цементного камня является нарушение ион-дипольного взаимодействия при удалении молекул воды как из пространства между частицами, так и потеря межслоевой воды C-S-H гелем.

Основные факторы, влияющие на величину усадки цементносодержащих материалов при высыхании, следующие:

  • повышенное количество цемента в растворах и бетонах;
  • усадка в большей степени проявляется при твердении и службе изделий в условиях повышенных температур и низкой относительной влажности;
  • цементы особотонкомолотые (S>500 м2/кг) проявляют большую склонность к усадке;
  • увеличение значения В/Ц при прочих равных условиях приводит к росту усадочных деформаций;
  • минералогический состав клинкера незначительно влияет на усадочные деформации, хотя имеется тенденция к увеличению деформаций при переходе к высокоалюминатным цементам и особенно к цементам белитового состава;
  • увеличенные деформации раствора (бетона) наблюдаются при повышенном содержании в их составе тонкодисперсных наполнителей (зол, шлаков, минеральных наполнителей).

Усадка при высыхании может быть существенным недостатком и требует регулирования и контроля для многих видов сухих строительных смесей: шпатлёвок, затирок, смесей для устройства полов.