Активность цемента это предел прочности при сжатии

Прочность цемента

Цемент – вяжущий компонент, широко используемый при производстве строительных смесей и растворов. Он представляет собой тонкомолотый порошок, образующий после затворения водой пластичную массу, которая после твердения превращается в прочный цементный камень. Цемент – это гидравлическое вяжущее, способное набирать требуемые характеристики не только на воздухе, но и в воде.

Одним из его основных свойств является прочность, которая определяется классом (по новому ГОСТу) или маркой (по старому ГОСТу 19178-85). Строители пользуются и старыми, и новыми обозначениями.

Марки прочности в соответствии с ГОСТом 10178-85

По ГОСТу 10178-85 марка цемента соответствует пределу прочности при сжатии, определяемому на образцах в 28-суточном возрасте, изготовленных в соответствии с нормативом.

Испытания цемента на прочность при сжатии осуществляются согласно ГОСТам и СНиПам в лабораториях следующим образом:

1. Готовят цементно-песчаный раствор из одной части цемента и трех частей песка.
2. Изготавливают три образца заливкой раствора в разъемные металлические формы.
3. Формы размещают на вибростоле и уплотняют их в течение трех минут.
4. Через двое суток образцы извлекают из форм и помещают в воду температурой +20 °C на 28 суток (это время, которое в стандартном варианте необходимо цементно-песчаному раствору или строительной смеси для набора марочной прочности). Для специальных цементов устанавливается собственный период твердения.
5. Образцы извлекают из воды, вытирают насухо, устанавливают под пресс. Давление, выраженное в кгс/см 2 , при котором образец начинает разрушаться, характеризует его марку.

Для получения точного результата испытывают 6 образцов, из которых выбирают 4 лучших и находят среднее арифметическое.

В соответствии с этим ГОСТом в маркировке указывают тип цемента, самые распространенные виды – ПЦ (портландцемент) и ШПЦ (шлакопортландцемент). Далее указывают марку прочности цемента, наиболее популярные – М400, М500, для сооружения объектов с особыми требованиями к прочности применяют марку М600 и выше. В маркировке также указывается наличие (буква Д) и процентное содержание минеральных добавок. Например, маркировка ПЦ М500 Д0 означает, что данный материал – это портландцемент марки М500 без добавок (0 % добавок).

Класс прочности цемента в соответствии с ГОСТом 31108-2016

В 2003 году был принят ГОСТ 31108-2003, сейчас действует его новая версия – ГОСТ 31108-2016. Правила маркировки в них определены согласно стандарту Евросоюза EN 197-1. В соответствии с последними нормативами для определения прочности цемента используется понятие «класс», соответствующий пределу прочности на сжатие в МПа. Согласно этому нормативу, цементу присваивается класс, которому соответствует 95 % испытанных образцов.

Таблица соответствия марок и классов прочности цемента

Для ускорения получения результатов образцы подвергают пропариванию. Для этого:

1. В специальную камеру помещают формы с образцами и выдерживают в течение пяти часов.
2. В течение трех часов температуру плавно доводят до +80 °C.
3. Образцы выдерживают в таких условиях в течение 8 часов, а затем оставляют их для остывания на 2-3 часа.

Готовые балки сначала испытывают на прочность при изгибающих нагрузках. Для этого на площадку пресса устанавливается конструкция, специально предназначенная для этой цели, и на нее опускается верхняя плита. В результате испытаний на изгиб образцы переламываются на две части. На полученных шести образцах проверяют прочность на сжатие.

Таблица прочности на сжатие и изгиб нормально твердеющего цемента различных марок

Из таблицы видно, что чем выше класс материала, тем больше разница между характеристиками прочности на сжатие и изгиб.

Таблица условного разделения цемента на группы прочности

В новой маркировке в соответствии с ГОСТом 31108-2016 указывают наименование цемента, его сокращенное обозначение, которое содержит информацию о типе, подтипе материала и добавках, класс прочности, обозначение подкласса, стандарт, в соответствии с которым производится продукт.

Различают следующие сокращенные обозначения:

• ЦЕМ I – портландцемент, в том числе с минеральными добавками до 5 %;
• ЦЕМ II – портландцемент с минеральными добавками в количестве 5-35 %;
• ЦЕМ III – шлакопортландцемент;
• ЦЕМ IV – пуццолановый;
• ЦЕМ V – композиционный.

По скорости твердения каждый класс (кроме 22,5) делится на два подкласса: Н – нормально твердеющий и Б – быстротвердеющий.

Пример обозначения нормально твердеющего цемента класса 32,5 с количеством минеральных добавок до 5 %: ЦЕМ I 32,5Н ГОСТ 31108-2016.

Добавки в цемент для повышения прочности

Для повышения прочностных характеристик затвердевших растворов и смесей, приготовленных на базе цемента, используют специальные добавки. Применение добавок, часто существенно повышающих стоимость продукта, экономически целесообразно в следующих случаях:

• ведение работ в зимних условиях;
• применение в качестве заполнителя материала, не соответствующего нормативным требованиям, например, очень мелкофракционного песка;
• повышенные требования по водонепроницаемости и морозостойкости к бетонным конструкциям;
• изготовление высоконагружаемых бетонных и железобетонных изделий (фундаментных блоков, тротуарной плитки);
• приготовление бетонных смесей на мелкофракционных заполнителях;
• сооружение зданий по монолитной технологии с применением расширяющих присадок.

Что можно добавить в цемент для повышения его прочности:

• Пластификаторы. Это наиболее популярная группа упрочняющих добавок. Применение пластификаторов повышает подвижность растворов, увеличивает водонепроницаемость, морозостойкость, позволяет снизить расход вяжущего компонента почти на четверть. В частном строительстве в качестве пластификаторов обычно используют стиральный порошок или жидкое мыло.
• Ускоритель набора прочностных характеристик. Функции – ускорение схватывания и твердение бетона, повышение показателей на сжатие и изгиб. Наиболее популярный ускоритель – хлористый кальций, часто применяемый при изготовлении пенобетона и полистиролбетона, брусчатки.
• Комплексные присадки. Служат для ускорения твердения, увеличения водонепроницаемости, морозостойкости, прочностных характеристик, снижения усадки. Тип присадок выбирают в соответствии с эксплуатационными особенностями строящихся объектов.

Автор: Андрей Васильев

• Строитель с 20-летним стажем
• Эксперт завода «Молодой Ударник»

В 1998 году окончил СПбГПУ, учился на кафедре гражданского строительства и прикладной экологии.

Занимается разработкой и внедрением мероприятий по предупреждению выпуска низкокачественной продукции.

Разрабатывает предложения по совершенствованию производства бетона и строительных растворов.

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

ЗАВИСИМОСТЬ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ БЕТОНА ПРИ СЖАТИИ ОТ АКТИВНОСТИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

Предел прочности бетона при сжатии принято выра­жать в функции от активности портландцемента, кото­рую определяют по прочности растворных образцов, из­готовленных и испытанных по юстированным методикам. Исходя из этого активность цемента можно считать кос­венной характеристикой прочности цементного камня в образцах из раствора условно принятого состава.

В соответствии с самим термином, активность порт­ландцемента должна была выражать его потенциальную реакционную способность, предопределяемую химичес­кой энергией составляющих его минералов при макси­мальной плотности упаковки частиц твердой фазы в це­ментном камне. Под активностью цемента следовало бы подразумевать предельную прочность цементного камня на разрыв, так как она непосредственно зависит от проч­ности связей в его кристаллогидратной структуре.

Допустим, что структура цементного камня состоит из кристаллогидратных образований шарообразной фор­мы с точечными контактами между ними площадью в один ион. Полагаем, что избыточная вода равномерно распределена по объему и образует на кристаллогидрат­ных частицах адсорбционный слой определенной толщи­ны. Если исходить из такого предположения, то струк­турная прочность цементного камня на разрыв будет зависеть от сил взаимодействия между частицами крис­таллогидратов, которые в первом приближении равны средней силе связи двух взаимодействующих ионов на поверхности кристаллогидратов и могут быть определе­ны по формуле Кулона[20]:

Лф- Qiq , (ИЛ)

Если Г и Г2— радиусы поверхностных ионов в месте их контактного взаимодействия; H — толщина прослоек жидкой фазы между ними, тогда

R0 = ri + r«+ft. (11.2)

Толщину прослойки H можно рассчитать по зависи­мости

/ Уотн M „

Где VB и Vr — объемы воды затворения и химически связанной с продуктами гидратации цемента соответственно; У0тн — относитель­ное количество воды, образующей сферические гидратные слои тол­щиной H/2 от общего

Ее количества в цементном геле: котн — 0,876; &=1,02—1,10 — поправочный коэффициент на сферичность слоя во­ды; SH — удельная поверхность кристаллогидратных образований.

Прочность связей на разрыв в структуре цементного камня, зависящую от его плотности и химической актив­ности цемента, можно выразить в виде

Где N — количество частиц и соответственно контактов между ними, приходящееся на единицу площади по­перечного сечения образца. Оно может быть определено по зависимости

Где гср — средний радиус кристаллогидратных образований.

Внося в (11.3) значения из (11.1) и (11.2), а также принимая k= 1,06 и FOTh=0,876, получим аналитическое выражение для активности портландцемента при растя­жении [68]:

4яе Ej

Энергию взаимодействия между двумя ионами опре­деляют по формуле

Подставив (11.7) в формулу (11.6) и полагая, что Т 1 ~г2=гср и ri+r2=2rCp, получим окончательно:

4яе0 11,65 ———— — + 2гср

Яцр = F ‘ Vr ~’ (l 1 ‘8)

Зависимости энергии взаимодействия между двумя ио­нами (Ei_i — однозарядными, Е2-2 — двухзарядными и EI_2 — однозарядного с двухзарядным) от их значения и средней диэлектрической проницаемости ei = sCp, по данным работы [68], приведены в табл. 11.1.

ТАБЛИЦА 11.1. ЭНЕРГИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИОНОВ (Ег Ю20 Дж) В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РАССТОЯНИЯ (г01010, м) И 8СП

ГQ • Ю10, м

Ei-i Е2-2 El—2

1,8 64 257 123

1,89 29,7 119 59,4

2,66 11,7 45,2 22,6

9,66 1,99 7,96 3,98

16,87 0,85 3,42 1,71

24,5 0,45 1,80 0,90

31,4 0,31 1,23 0,61

37,4 0,22 0,88 0,44

43 0,17 0,67 0,33

50,1 0,13 0,51 0,25

57,3 0,10 0,40 0,20

Формула (11.8) показывает, что количество воды за­творения влияет при прочих равных условиях не только на образование макроструктурных пор в цементном кам­не, но и на плотность упаковки кристаллогидратов в нем, диэлектрическую проницаемость жидкой фазы и на дру­гие микроструктурные характеристики, определяющие в совокупности прочность цементного камня — потенци­альную активность портландцемента.

Формула (11.8) отражает также кинетику твердения цементного камня, нарастания его прочности, так как со­держит параметры, зависящие от времени гидратации цемента, к которым относятся разность (Ув—VT), умень­шающаяся с увеличением объема связанной воды Уг, количества кристаллогидратных образований N и их удельных поверхностей Suo. Аналогичную закономерность выражает формула (5.12) для определения прочности цементного камня при сжатии, описывающая кинетику его упрочнения с изменением количества свободных мо­лекул воды и центров кристаллизации, т. е. количества кристаллогидратных образований.

Расчет по формуле (11.8) дает вполне реальные зна­чения активности портландцемента при растяжении. Так, например, при N— 1,1-1012, толщине водных прослоек

Л = 5,6 А и 2,8 А, соответствующих двум и одной молеку­ле воды (В/Ц=0,4 и 0,3), среднем расстоянии между однозарядными поверхностными ионами (в конце гидра — тационного твердения при В/Д=0,25), равном 1,2 А,

Гср= 1,4 А л 8СР = 3,36; 2,1 и 1,9 (по интерполяции дан­ных табл. 11.1), величина выражается значениями: 1,1; 3,8 и 8,5 МПа.

Максимальная активность портландцемента достига­ется при непосредственном контактном взаимодействии поверхностных ионов, т. е. —h—0 и ei = l. В этом слу-

Чае при среднем размере кристаллогидратов 95 А [163] ЯцР = 32 МПа.

При исследовании механических свойств горных по­род в работе [142] показано, что чем выше предел их прочности при сжатии, тем меньше отношение предела прочности на растяжение к пределу прочности при сжа­тии. Для большинства плотных каменных пород это от­ношение меняется в пределах от 0,1 до 0,05. Если /?цр= = 3,8 и 8,5 МПа, активность портландцемента при дефор­мации сжатия может быть ориентировочно определена по соотношениям /?ц=3,8 : 0,1 = 38 МПа и /?ц=8,5 : : 0,085=100 МПа. В предельном случае при /?цр = = 32 МПа величина /?ц»32 : 0,05=640 МПа, что согла­суется с данными, приведенными в работах [157, 159, 166, 167].

Такое значительное различие в величинах активности цемента при сжатии и растяжении объясняется тем, что силы связи между отдельными кристаллогидратами в последнем случае убывают с увеличением нагрузки, а при сжатии возрастают. Уменьшение сил взаимодейст­вия с увеличением нагрузки сопровождается постепен­ным снижением модуля упругости и соответствующим падением прочности на разрыв. При сжатии модуль уп­ругости увеличивается и вместе с этим должна расти и прочность.

Таким образом, можно заключить, что способы уплот­нения цементного геля влияют в равной мере как на прочность бетона, так и на функционально связанную с ней активность портландцемента, т. е. микро — и макро — структурную плотность упаковки твердой фазы в цемент­ном камне. Эта взаимозависимость лежит в основе всех формул прочности бетона, выражающих, по существу, прочность цементного камня в функции от Rn и В/Ц. По этой причине двухпараметровые аналитические зависи­мости не могут быть применены для легких бетонов, так
как кроме всего прочего значительное влияние на проч­ность бетона оказывают механические и деформацион­ные свойства пористых заполнителей.

• ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ БЕТОНА
• НЕКОТОРЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ
• Рекомендации по выбору бизнеса
• Строительное оборудование МСД
• Тепловые насосы

Источник