Особенности кинетики твердения цементов

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Особенности кинетики твердения цементов

Рахимбаев Ш.М., д-р техн. наук,

профессор, Акиева Е.А., инженер

В настоящее время при проектировании состава и свойств бетонов на основе портландцемента используют численное значение марки или класса прочности цемента, основанные на результатах испытаний не данной партии цемента, а предыдущих, предполагая их равенство. Однако это предположение далеко не всегда соответствует действительности, что обусловлено целым рядом объективных причин. В связи с этим в России и за рубежом ведутся исследования по разработке ускоренных методов расчета величины марочной прочности цементов. К ним относятся:

- способ расчета прочности цементного камня в возрасте 1-28 суток на основе модульных характеристик цемента [1];

- расчет активности цемента по величине его прочности в ранние сроки [2,3,4,5];

- способ расчета марочной прочности цемента по величине его 7-суточной прочности и содержания в нем алита [6].

Первый их этих способов является наиболее простым и быстрым, так как не предусматривает никаких физико-механических испытаний. К сожалению, он весьма неточен, о чем свидетельствует коэффициент корреляции для 28-суточной прочности, равный 0,89. Это и неудивительно, если учесть, что процессы твердения портландцемента исследованы слабо, пока неясны многие факторы, определяющие активность цементов при твердении.

В связи с этим представляют интерес способы расчета марочной прочности цементного камня по результатам испытаний образцов в возрасте 1-7 суток. Достоинство этих методов состоит в том, что они основаны на фактических результатах физико-механических испытаний образцов цементного камня. Для прогнозирования предела прочности цементного камня в возрасте 28 суток по результатам краткосрочных испытаний используются либо формулы, основанные на теории переноса, либо полулогарифмическое уравнение. Исследования [6] показали, что они описывают кинетику твердения камня из портландцемента с коэффициентом корреляции 0,95-0,999. Однако, для получения адекватных результатов прогноза к качеству исходных данных по прочности камня в ранние сроки предъявляются повышенные требования. Они выполняются при испытаниях цементов на цементных заводах и предприятиях ЖБИ, большинство которых достаточно хорошо обеспечено как испытательным оборудованием, так и опытными кадрами. Результаты испытаний образцов цементов, выполненные в лабораториях отраслевых НИИ и вузов, отличаются переменным качеством. В связи с этим необходим тщательный анализ экспериментальных данных по кинетике твердения цементного камня и бетонов. Это необходимо не только для качественного прогноза прочности камня через 28 суток твердения по результатам краткосрочных испытаний, но и с точки зрения повышения надежности и достоверности тех выводов, которые предполагается сделать на основе выполненных физико-механических исследований.

Анализ литературных источников показывает, что в большинстве случаев авторы, выполнив подчас весьма трудоемкие экспериментальные исследования по кинетике твердения цементных систем, потратив на это от 1 до 12 и более месяцев, ограничиваются тем, что сводят полученные результаты в таблицы, данные которых и рассматриваются. Между тем, в большинстве случаев качество и информативность экспериментальных данных лучше видны при их графическом изображении.

Как известно, кривая роста прочности цементного камня во времени соответствует закону кинетики гетерогенных реакций с внутренним диффузионным контролем [7]. В соответствии с ним скорость процесса имеет максимальное значение в первые сутки и в последующем плавно уменьшается.

Строго говоря, в первые часы после схватывания вяжущего, образцы цементного камня твердеют по экспоненциальному закону с показателем степени больше 1, однако в нормальных условиях уже через 1-2 суток процесс переходит в стадию замедления во времени, так что на кинетической кривой, где сроки твердения составляет 28-360 суток, участок ускоренного твердения практически не заметен (рис.1).

Рис.1 Кривые кинетики твердения цементных систем в первые 10 час и в течение 28 суток и более

Причины замедления твердения цементного камня во времени известны: это, прежде всего, уменьшение содержания негидратированных частиц вяжущего и увеличение толщины гидратных оболочек на них, что затрудняет диффузию молекул воды к ним и отток продуктов гидратации от них.

Из изложенного следует, что если на кривой кинетики гидратации вяжущих встречается участок ускорения твердения после 1-360 суток твердения, то приходится признать эти данные недостоверными (рис. 2).

Рис. 2 Кривые кинетики твердения цементных систем, не соответствующие известным законам твердения

На рис. 2 точка 5 не согласуется с предыдущими четырьмя либо точка 4 не соответствует расположению точек 3 и 5.

Не обсуждая банальные причины - ошибки при формовке, хранении и испытании образцов, отметим, что возможно точка 4 должна располагаться выше. Заниженное значение прочности камня в данном случае может быть обусловлено сбросом прочности в срок, соответствующий точке 4. Такие аномалии при твердении наблюдаются при сроках хранения образцов между 7 и 14 сутками. Вероятность таких аномалий возрастает с увеличением содержания в цементах С3А (8-15%), щелочей (1-1,5%),использовании в качестве замедлителя схватывания ангидрита или полуводного сульфата кальция вместо гипса при снижении водоцементного отношения бетонных смесей до 0,30 и ниже. Одним из сопутствующих процессов при этом является большой интервал схватывания, когда коэффициент

>(4-5)

Более однозначно о сбросе прочности можно говорить в случае, изображенном на рис. 2б, где точка 4 должна располагаться выше. Можно утверждать, что либо при испытании допущены технические погрешности, либо произошел сброс прочности камня.

Признаком ошибки эксперимента либо скрытой аномалии при твердении является слабый прирост прочности образцов в интервале от 3 до 7 и от 7 до 28 суток твердения. Обычно для рядовых цементов у7/у3 составляет от 1,2 до 2, а у28/у7 - около 1,3-1,6 [8]. Эти отношения от 1,1 до 1,3 лишь у особо быстротвердеющих тонкомолотых цементов, а также вяжущих низкой водопотребности.

Интересные случаи несоответствия между пределами прочности цементного камня в различные сроки твердения имеют место в нормативно-технических требованиях GB-199 к цементам классов P-RH-5252, P-RH-575 и P-RH-625 Китая и JISR 5210 Японии [9]. Они видны лишь при графическом изображении нормативных кинетик твердения указанных цементов. Указанные цементы в интервале 1-3 суток имеют постоянную скорость твердения, что не соответствует действительности, т.к. именно в этот период времени скорость твердения падает в максимальной степени.

Изложенная процедура анализа качества цементов является обязательным условием для адекватного прогнозирования марочной прочности цементов по результатам краткосрочных испытаний.

Из сказанного следует также вывод, что все существующие способы расчета марочной прочности цементов пригодны лишь применительно к цементам с нормальным твердением. Цементы с аномальными свойствами твердеют по непредсказуемым кинетическим кривым.

Список литературы

твердение цемент бетон прочность

1. Труды 6-го Международного конгресса по химии цемента, Том 6. М.:Стройиздат,1975.-230с.

2. Рекомендации по ускоренной оценке качества цемента в бетоне - М.:Стройиздат, 1975-22с.

3. Калинин Б.А. Прогнозирование марочной прочности бетона по кинетике его твердения в раннем возрасте // Бетон и железобетон, 1984, №2, с.18-19.

4. Несветаев Г.В., Жильникова Т.Н. Прогнозирование марочной прочности бетона по кинетике твердения в ранний период // Вестник БГТУ, 2003, №5, с.341-343.

5. Каган М.З. Сравнение свойств цемента по линиям прочности // Бетон и железобетон, 1984, №2, С.18.

6. Рахимбаев Ш.М., Смирнова Е.А. Способ прогнозирования марочной прочности цементного камня // Вестник БГТУ, 2005, №9, С.293-296.

7. Рахимбаев Ш.М. Расчет кинетических констант некоторых процессов технологии строительных материалов // Проблемы строительного материаловедения и совершенствования технологии производства строительных изделий - Белгород: БТИСМ - МИСИ, 1990 - 184 с.

8. Бутт Ю.М., Тимашев В.В. Влияние фазового состава портландцементного клинкера на вяжущие свойства цементов // Труды НИИцемента, 1962, в. 17, с. 85-121.

9. Энтин З.Б., Нефедова Л.С., Зельванская И.И. Современное состояние в российском и зарубежных стандартах // Цемент, 2001, №2, с.8-12.

Размещено на Allbest.ru