Влияние минералогического состава на свойства цемента.

В предшествующих разделах было показано, что тепловыделение цемента является аддитивной функцией его минералогического состава. По-видимому, различные гидраты сохраняют свою идентичность в цементном геле, который можно рассматривать как дисперсную физическую смесь, состоящую из сополимеров гидратов. Дальнейшие подтверждения этого были получены на основе измерения удельной поверхности гидратированных цементов, содержащих различные количества C3S и C2S. Результаты измерений согласуются с определениями удельной поверхности гидратированных C3S и C2S. Кроме того, количество воды для гидратации соответствует принципу аддитивности отдельных компонентов.

Этот аргумент, однако, не распространяется на все свойства цементного камня, а именно на усадку, ползучесть и прочность; тем не менее минералогический состав дает некоторое представление об изучаемых свойствах материала. В частности, минералогический состав цемента определяет скорость тепловыделения при гидратации и стойкости цемента к сульфатной коррозии.

Предельно допустимые значения содержания отдельных клинкерных минералов для различных видов цемента приводятся в технических условиях ASTM 150—56
О различии в скорости гидратации в раннем возрасте C3S и C2S— двухсиликатов, в основном обеспечивающих прочность цементного камня,— уже упоминалось ранее. Считают, что рост прочности в течение первых четырех недель обусловлен в основном C3S, а рост прочности в последующий период твердения обеспечивается преимущественно C2S. В возрасте около года оба эти клинкерных минерала примерно в равной степени оказывают влияние на величину конечной прочности. Было установлено, что прочность цементного камня из C3S и C2S в возрасте18 мес. составляет 703 кгс/см2, в возрасте 7 суток C2S имеет низкую прочность, в то время как прочность C3S — около 422 кгс/см2. Интенсивность роста прочности отдельных клинкерных минералов приведена на рис. 1.12.
Влияние других основных клинкерных минералов на рост прочности цемента недостаточно полно изучено. СзА способствует росту прочности цементного камня в возрасте 1—3 суток, но оказывает противоположное влияние в позднем возрасте, особенно в цементах с высоким содержанием С3А или (C3A+C4AF).

Влияние C4AF на рост прочности цемента также имеет спорный характер, хотя это влияние и является незначительным. Вероятно, коллоидное гидратированное соединение CaO-Fe203 осаждается на цементных зернах, что замедляет процесс гидратации других клинкерных минералов.
Зная влияние каждого клинкерного минерала на прочность цемента, можно предсказать прочность цемента на основе его минералогического состава. Это можно выразить в виде следующей формулы:прочность равна: a(C3S)+6(C2S)+ +c(C3A)+d(C4AF), где а, 6, с, d — постоянные параметры, характеризующие изменение прочности цементного камня при изменении содержания соответствующего клинкерного минерала на 1%.

Приведенная формула могла бы быть использована для предсказания прочнсти цемента в процессе его производства, что уменьшило бы потребность в стандартных испытаниях. Практически была изучена только роль силикатов. Влияние содержания C3S на прочность можно видеть из рис. 1.13, на котором приводится прочность стандартного раствора, приготовленного на цементах различного состава на различных заводах.

Оценка влияния других, несиликатных, клинкерных минералов на прочность весьма затруднительна. Согласно Ли, возможные несоответствия объясняются присутствием стекла в клинкере. Другими словами, наблюдаемые отклонения объясняются статистической природой явлений, в которых мы игнорируем влияние некоторых переменных. К тому же есть некоторые признаки, что аддитивность не может быть здесь достаточно полной.
Пауэре обнаружил, что некоторые продукты образуются на всех стадиях гидратации цементного камня; это следует из того, что для данного цемента поверхность гидратированного цемента пропорциональна количеству связанной воды независимо от В/Ц и возраста. Таким образом, степени гидратации каждого компонента в данном цементе одинаковы — это довольно неожиданный вывод, отличающийся от описанных ранее результатов испытаний по определению степени гидратации различных клинкерных минералов.

Если природа продуктов гидратации одинакова в любом возрасте, то тепловыделение на единицу веса гидратированного вещества должно быть постоянным в любом возрасте. Это положение выявлено Фербеком и Фостером. Хотя гипотеза о равных частичных скоростях гидратации еще противоречива, в настоящее время полагают, что в пределах лимитированного диапазона составов обычного и быстротвердеющего портландцементов эта гипотеза в основном может быть использована. Однако поведение других цементов с более высоким содержанием C2S, чем обычные или быстротвердеющие цементы, не соответствует этой гипотезе. Экспериментальное определение теплоты гидратации показывает, что C3S гидратируется раньше, а некоторое количество C2S начинает гидратироваться позже.

Первоначальный каркас цементного камня, возникший во время схватывания, влияет в значительной степени на дальнейшую структуру продуктов гидратации, в особенности на трещиностойкость и интенсивность роста прочности. Следовательно, не удивительно, что существует определенная зависимость между степенью гидратации и прочностью. На рис. 1.15 показана эмпирическая зависимость между прочностью бетона при сжатии и содержанием связанной воды в цементном камне при В/Ц = 0,25. Эти данные согласуются с наблюдениями Пауэрса за отношением гель: пространство, согласно которым повышение прочности цементного камня есть функция увеличения относительного объема геля независимо от возраста, В/Ц или минералогическогосостава цемента. Однако общая величина поверхности твердой фазы связана с минералогическим составом цемента, который влияет на фактическую величину конечной прочности.

Влияние второстепенных составляющих на прочность цементного камня пока недостаточно исследовано, так как считали, что эти составляющие не имеют важного значения для прочности бетона. Предполагают, что КгО замещает одну молекулу СаО в C2S с соответствующим повышением содержания C3S против расчетного.
Последние данные по изучению влияния щелочей на прочность показали, что рост прочности в возрасте свыше 28 суток зависит от содержания щелочей: чем больше щелочей содержится в цементе, тем меньше прирост прочности. Данных о влиянии щелочей на интенсивность роста прочности цемента в возрасте до 28 суток нет.
Известно, что щелочи взаимодействуют с так называемыми реакционноспособными заполнителями; в этих условиях ограничивают содержание щелочей в цементе до 0,6% (в расчете на Na20). Такие цементы иногда называют низкощелочными цементами.
Можно видеть, что щелочи — немаловажный компонент цемента, однако данные об их роли недостаточно полны.