Влияние влажности воздуха на процессы твердения бетона
Твердение цемента в бетонах (растворах) в зависимости от относительной влажности воздуха протекает неодинаково. Учитывая продолжительность формирования структуры цементного камня, снизывающего рыхлые каменные материалы в технический камень— бетон (раствор), нельзя ограничивать длительность обеспечения оптимальных условий твердения цемента, как это рекомендуется различными техническими указаниями.
Рассмотрим причины, вызывающие необходимость обеспечения длительных сроков твердения бетона при высокой влажности воздуха. Идеальные условия твердения бетона — это сохранение в нем всей воды, с которой он был приготовлен, в момент окончания уплотнения. Бетонные (растворные) смеси приготавливают с избытком воды против того количества, которое необходимо для образования новых гидратированных соединений в зависимости от их водоудерживающей способности и необходимой для производства работ пластичности-жесткости смесей. Следовательно, в бетоне (растворе) всегда будет свободная вода, которая в силу разности давления паров воздуха в образцах или в конструкциях (сооружениях) будет переходить из жидкого состояния в парообразное и испаряться в окружающее пространство.
Уточним, что надо понимать под термином «водоудерживающая способность цемента» и каковы причины, обусловливающие эту особенность. Эта особенность в общем виде сводится к полимине-ральности цемента, полидисперсности, наличию или отсутствию в нем мелкомолотых минеральных порошков (из кварцевого песка, карбонатных пород, гранулированного доменного шлака, молотой золы и др.), соотношению в цементе количества, реагирующего с водой (условно в первые сутки твердения) минерала СзА и гипса, наличия электролитов и органических ПАВ.
Рассмотрим свойство цемента удерживать различное количество воды в связи с другими существенно важными свойствами бетонов (растворов): прочностью, деформативностью, физической стойкостью, например при многократном попеременном воздействии воды и мороза. Из указанных таблиц видно, что основной причиной водоудерживающей способности следует считать химико-минералогический состав цемента, наличие или отсутствие в нем минеральных порошков. Действительно, наиболее высокий процент воды после центрифугирования образцов из цементного теста остается в цементном тесте, изготовленном из клинкера Чернореченского завода, содержащего наиболее высокий процент минерала С3А (в образцах на этом клинкере содержится примерно 11% минерала С3А). Цемент из клинкера завода «Комсомолец», содержащий около 5% минерала С3А, удерживает значительно меньше воды.
Эти опыты подтверждают положение о высокой водоудерживающей особенности минерала С3А. Из этого не следует считать, что ранее сказанное о роли разных факторов и, в частности, иные особенности цементов не влияют на водоудержание. В несколько Меньшей степени, чем минерал С3А, на водоудержание влияет наличие в клинкере щелочных фаз, содержащих окислы Na20 и К2О, различного количества мелких фракций, например, меньше 10 мкм, его петрографические особенности и количество гипса.
Следует сказать, что любые структуры цементного камня, в которых не весь гидратированный алюминат связан с гипсом в гидросульфоалюминат любого вида (низко- и высокосульфатного), образуют в цементном камне на этой основе различные коагуля-ционные структуры. Увеличение водоудерживающей способности, основанное на связывании воды гидратирующимися и гидролизи-рующимися минералами цемента, приводит к повышению стойкости структур таких формирующихся новообразований с образованием сильно разветвленной контракционной пористости в них. Водоудержание, связанное с формированием коагуляционных структур, создает в структуре цементного камня дефекты, снижающие строительно-технические свойства цемента. Следовательно, водоудерживающая способность регулируется как в процессе приготовления цементов, стремясь получить цементы с низкой водопотребностью, так и в строительном производстве, доводя образование коагуляционных структур до минимума.
Действительно, для цементов 1—3 введение гипса и с. с. б. влияет незначительно, что связано с наличием на зернах цемента относительно небольшого количества минерала СзА, который можно назвать «действующим» на поверхности зерен. Для цементов 4—6, в которых также содержится немного минерала С3А (6 против 5%) по отношению к цементам на основе клинкера завода «Комсомолец», действующее количество минерала С3А не-соменно выше, что сказывается на значительно большем удержании воды этими цементами, полученными на базе клинкера завода «Большевик». Для этих цементов только при В/Ц=0,5 можно видеть эффект действия комплексной минеральной и поверхностно-активной органической добавок (гипса и с. с. б.) по увеличению водоотделения из цементного теста, характерному для механизма их действия — разрушения коагуляционной структуры гидратированного алюмината.
Ранее сказанное о действующем минералогическом составе неразрывно связано с петрографической характеристикой клинкера. Исследователи, работающие над вопросами ускоренной оценки качества цемента по петрографии клинкера, широко используют особенности его строения.
Анализ указанного здесь различия в водоудерживающей способности цементов и ее связи, например, со стандартной характеристикой пластичности растворных смесей (состава 1:3) на Вольском песке, имеет исключительно важное значение для правильной оценки технических свойств цемента. При этом любой стандартный портландцемент, как правило, даже при определении нормальной густоты цементного теста (т. е. низких В/Ц-0,23—0,28) отделяет при постепенном структурообразовании большее или меньшее количество воды. При этом процессе цементный камень будет иметь более высокие технические свойства. Однако отделившаяся вода расположится у поверхности заполнителей, ухудшая их контакт с формирующимся цементным камнем, что наносит меньший ущерб текстуре бетона. Поэтому содержание воды в строительных смесях (растворных и бетонных) с высокой пластичностью должно быть; минимальным и не должно приводить к отделению части воды от цементного теста в процесс его загустевания. Это условие легко выполнить, вводя в цемент гидравлические добавки, обладающие высокой молекулярной влагоемкостью (например, трепел), т. е. применяя пуццолановые цементы с такими гидравлическими добавками.
Для бетонов, используемых в конструкциях, подвергающихся многократному попеременному замораживанию и оттаиванию, эксплуатируемых в воздушных условиях, описанный прием использовать нельзя. Бетон на таких цементах обладает высокими техническими свойствами только при работе в воде или в стабильных влажных условиях (во влажных грунтах, например, при изготовлении фундаментов). Следовательно, при использовании цементов, у которых формирование цементного камня сопровождается выделением воды на поверхности зерен песка и щебня, бетон надо рассматривать состоящим из цементного камня, свободной воды, воздушных пузырьков разной крупности и каменных заполнителей. Различные способы позволяют улучшать свойства цемента, связанные с водоот-делением, значительно повышая качество бетона.
Особенности формирования структуры цементного камня из гид-ратирующегося минерала С3А в первый период процесса отражаются и на формировании структур полиминеральных и полидисперсных цементов на базе портландцементного клинкера. Действительно, если цементное тесто из минерала С3А образует только при В/С3А≥0,7 более или менее подвижную физико-химическую систему — тесто, то с гипсом такая же пластичность теста может быть получена уже при В/(С3А+гипс) ≥0,3. При более высоких значениях В/(С3А + гипс) не образуется тесто, аналогичное тесту из минералов С3А при В/С3А≈1,2. Любое увеличение содержания воды в тесте систематически отражается на росте пластичности и водоотделения. Учет характера изменения водоотделения цементного теста из минерала С3А находится в зависимости от времени, прошедшего с момента его получения и содержания в нем пластифицирующей добавки с. с. б., что видно из опытов с тестом при значении В/С3А=1,3.
Большее или меньшее извлечение воды из цементного теста прямым образом связано с особенностями цементов пластифицироваться иодой, т. е. возникновения на поверхности полиминеральных зе-рен таких новообразований, которые не создают коагуляционных структур, снижающих пластичность образующейся физико-химической системы, так как внутри ее задерживается много воды; она в этом случае уходит как смазка из контактной зоны между флокула-ми зерен цемента.
Свойство зерен создавать на своей поверхности слои смазки из воды при минимальной водопотребности цемента и минимальном водоотделении можно назвать самопластифицируемостью или автопластифицируемостью. Природа минералов создает различный эффект самопластифицирования как в мономинеральных, так и в полиминералышх цементах, где на его проявления, в отличие от мономинеральных цементов, влияет их физико-химическая совокупность 1 в зерне цемента. Так, цементное тесто на минерале C3S при В/Ц = 0,5 удерживает 36% воды, а на минерале С3А при В/Ц = 0,5 — 50%. Введение пластификатора в цементное тесто на минерале C3S обеспечивает длительный период отделения воды и в большем количестве, чем без с. с. б., а на минерале С3А процесс водоудержания изменяется в обратной зависимости.
Сказанное о свойстве цементов удерживать воду в цементном тесте является одной из его важных особенностей, определяющей при прочих равных условиях его строительно-технические свойства. По характеру этого свойства можно судить о минералогическом составе цемента.