Регулирование сроков схватывания цемента

Сроки схватывания цемента значительно изменяются в зависимости от температуры цементного теста. Например, при ее снижении до +5° С можно считать, что время до начала схватывания удлиняется в 1,5—2,5 раза, а при повышении до 25—30° С сокращается в 2—3,5 раза. Изменение сроков схватывания цемента находится в прямой связи с изменением в цементе количества минерала — трехкальциевого алюмината С3А, вскрытого помолом, и их надо определять в каждом конкретном случае при температуре внешней среды, на рабочих составах цементного теста, соответствующих конкретному дню бетонирования.

Для регулирования сроков схватывания в цемент при помоле клинкера вводят двуводный гипс CaS04-2H20, которого по ГОСТ 10172—62 должно быть 1,5—3,5% (в расчете на ангидрид серной кислоты S03). Следует иметь в виду, что сроки схватывания цемента в бетонных (растворных) смесях в случае их приготовления с водоцементным отношением большим, чем значения, соответствующие нормальной густоте цемента, удлиняются. Если на строительство поступает цемент, который не обеспечивает указанные в стандарте сроки схватывания, его использование невозможно без дополнительных мер.

Указанные в ГОСТе минимальные сроки схватывания назначают исходя из необходимости осуществить весь комплекс технологических переделов, без которых нельзя изготовить элемент, деталь, изделие, конструкцию, сооружение. Многочисленные исследования особенностей формирования бетонов (растворов) показывают, что смеси, потерявшие пластичность вследствие схватывания, резко снижают технические свойства искусственного каменного материала, так как в этом случае его уже не удается сформировать с заданной плотностью.

Так, были поставлены опыты по определению пористости растворных образцов состава 1:2, 1:3 и 1:4 при разных отношениях воды затворения к цементу. Было выяснено, что с определенного для каждой растворной смеси значения водоцементного отношения (например, для смеси состава 1 :2, начиная с В/Ц<0,36) при существующих стандартных приемах формования образцов величина открытой пористости не уменьшается, а стабилизируется. У цементов с короткими сроками схватывания резкое увеличение пористости произойдет при более высоких значениях В/Ц, чем здесь указано.

Цемент большинства отечественных заводов имеет значительно более длинные сроки схватывания, чем указано в ГОСТе, вследствие особенностей минералогического состава. Нельзя считать, что для любого состава цемента сроки схватывания связаны однозначной зависимостью с тонкостью помола (с удельной поверхностью). В этом случае при введении гидрофильной добавки с. с. б., несмотря на большее количество воды, удерживаемой таким мономинеральным тестом, его подвижность была значительно меньше, и сроки схватывания теста сокращались.

Изготовленные двутавровые опоры для электрификации железных дорог на цементе «быстряке» с началом схватывания 12 мин при испытании на морозостойкость быстро разрушаются. На морозостойкость бетона опоры оказало влияние также наличие в его составе дефектных мест — коагуляционных структур из гидратиро-ванного трехкальциевого алюмината.

Показатели нормальной густоты соответствуют 100—140 кг/см2 (10-1 МПа) пластической прочности, а сроки схватывания: начало — 1,5 и конец — 5 кг/см2 (10-1 МПа).

Вторая из приведенных формул дает результаты, близкие к действительному состоянию системы цементное тесто+свободна я вода (но не вода, выделившаяся из теста) по ее структурно-механическим характеристикам, показывающим предельное сопротивление сдвигу и структурную вязкость, так как в этом случае соблюдается принцип течения вдоль боковой поверхности конуса, преобладающий над деформациями смятия под конусом. В другом случае применяется первая формула. Для того чтобы проиллюстрировать влияние гидратированного трехкальциевого алюмината на сроки схватывания цементного теста, был поставлен опыт по определению сроков на цементах, состоящих из 99% мелкомолотого кварцевого песка (s=260,0 см2/г) и 1% С3А с добавками с. с. б., 97% песка и 3% С3А, 90% молотого песка и 10% С3А без с. с. б. Такие цементы затворяли обычными стандартными приемами водопроводной водой. Из указанных таблиц следует:
1) увеличение пластической прочности такой системы с добавками с. с. б. аналогично системам на заводских портландцементах и цементах на их основе, следовательно, адсорбция с. с. б. трех-кальциевым алюминатом имеет избирательный характер;
2) нарастание пластической прочности связано с развитием процесса гидратации трехкальциевого алюмината даже при незначительном количестве (1%), при котором появляются тонкодиспер-сные структуры, химическое связывание воды—уменьшение ее со-держания в системе, где она являлась пластификатором, и образо-вашие коагуляционной и далее коагуляционно-кристаллизационных структур;
3) роль с.с. б. сводится к пептизации гидратирующихся зерен минерала С3А, что хорошо иллюстрируется сравнением показателей пластической прочности систем с 1, 3 и 10% этого минерала в сроки гидратации (такие сроки определения пластической прочности), начиная с 1 мин до 5 ч при содержании в системе 0,25% с. с. б.

Так, удлиняя смешивание с водой цемента без гипса с высоким содержанием минерала С3А, можно значительно снизить пластическую прочность до 6 ч с момента приготовления цементного теста. Если вместо 5 перемешивать 10 мин, даже для систем с высоким содержанием коагуляционных структур удается резко снизить загустевание. В более ранних опытах В. Н. Юнга и Ю. М. Бутта показано, что, удлиняя сроки стандартного смешивания с водой высокоалюминатного цемента, содержащего 14,1% С3А, удается: а) продлить время до начала схватывания с 2 до 38 мин, конец схватывания с 3 до 90 мин при увеличении времени смешивания с 1 до 15 мин (при этом необходимо увеличивать в цементном тесте содержание воды с 29,5 до 42,5%);
б) увеличить время до-начала схватывания с 2 до 90 мин, а конец схватывания с 3 до 200 мин, применяя вторичное смешивание в течение 5 .мин (после небольшого перерыва вслед за первичным смешиванием за 5 мин) с несколько меньшим количеством воды по сравнению с опытами при однократном смешивании, а именно 36% Введение в такую систему полуводного гипса CaSO4-0,5H2O для регулирования сроков схватывания также требует значительного (при малых дозах гипса) продления срока смешивания цемента с водой. Например, добавка 3% полуводного гипса при перемешивании 1 мин увеличила время до начала схватывания и снизила НГ с 29,5 до 28% (эти сроки ниже требуемых ГОСТ 10178—62). С увеличением содержания полуводного гипса до 6% и продолжительности смешивания до 3 мин время до начала схватывания увеличивается до 74, а конец — до 144 мин. При увеличении содержания полуводного гипса до 10% и времени смешивания до 3 мин начало схватывания составляет до 120 мин, а конец — до 230 мин.

Показанные выше оптимальные дозировки гипса и время приготовления теста означают более тщательное распределение гипса в системе цементное тесто+свободная вода. Снижение равномерности распределения гипса означает неполноценное его участие в процессах разрушения новообразований из трехкальциевого алюмината и воды. При сравнении пластической прочности, например, заводских чистых портландцементов с относительно невысоким содержанием СзА обнаруживается общая линия не только в изменении значений Рm, но и достаточно близкие их числовые значения. Следовательно, можно считать, что сроки схватывания полиминеральных цементов в конечном счете, определяет гидратация минерала С3А.

Из приведенных сведений об изменении значений Рт из-за различного содержания гипса, минерала СзА, ее. б. и длительности смешивания следует, что процесс схватывания можно регулировать в требуемом направлении. Показатель степени гидратации минералов (так же, как тепловыделение и контракция) может служить ориентиром в сравнительном определении сроков схватывания при образовании цементного камня. Степень гидратации, тепловыделение и контракция цемента из трехкальциевого алюмината значительно выше, чем активного цемента из трехкальциевого силиката (например, для первого из них на 28 сут. твердения, степень гидратации равна 100%, тепловыделение примерно 210 кал/г (4,2 кДж/кг), контракция 17 мл на 100 г, а для второго соответственно 53—69%, 115 кал/г (4,2 кДж/кг) и 5,2 мл на 100 г. В первые часы процесса указанное различие еще выше.

Опыты показали, что если тормозить твердение цементного теста без гипса с помощью с. с. б., то удается затормозить гидратацию всех его минералов, за исключением гидратированного минерала C3A. По этой причине изменение сроков схватывания цементного теста в указанные стандартные сроки связано с гидратацией минерала С3А. Схватывание теста в иные, более длительные сроки, зависит от развития процессов гидролиза и гидратации других минералов полиминерального цемента, составляющих твердую фазу цементного теста (концентрированной цементной суспензии).

Следовательно, схватывание полиминерального цемента при обязательном наличии в нем минерала С3А можно дифференцировать на две стадии: 1) тесто находится в вязко-пластично-упругом состоянии, легко формуется вследствие своей тиксотропности; 2) тесто переходит в хрупкое состояние, нарушение которого приводит к потере сплошности, образованной кристаллическими связями, возникшими с началом процесса гидролиза и гидратации остальных минералов цемента. Эти стадии после определенного периода времени накладываются одна «а другую, что определяется многократным повторным вибрированием (уплотнением).

Отсутствие минерала СзА в цементе позволяет считать, что схватывание протекает в одну стадию, так как в системе цементные зерна + вода, где гидролиз и гидратация по самой природе (минералов проходят заторможенно, не образуется тиксотропных коагуляцион-ных структур из минерала СзА. Если бы схватывание цементного теста обусловливалось только образованием коагуляционных структур, то загустевание было бы всегда и в любой период времени обратимым (это имеет место, например, при работе с природными глинами, с тестом из гидратированного минерала СзА. Вид такого густеющего цементного теста и сама скорость схватывания будут другие.

Период схватывания в таком цементном камне кончается незадолго до того, как заканчивается и процесс гидролиза и гидратации всех зерен цемента; но этот период схватывания нами не фиксируется, так как не имеет значения для практических целей. Следовательно, схватывание — понятие условное, имеющее важное значение для строителя именно в пределах, связанных с возможностью приготовления из бетонной (растворной) смеси монолитного бетона (железобетона) любой конфигурации и объема с заданной долговечностью, т. е. материала, з полной мере соответствующего условиям надежной эксплуатации. По этой причине процесс твердения нельзя связывать только с появлением у бетона (раствора) механической прочности (с показателем Рт). Схватывание — предпроцеос такого упрочнения.

Процесс постепенного образования структуры цементного камня, т. е. накопления все большего количества новообразований, связан с особенностями процесса гидролиза и гидратации полиминерального цемента, проходящего заторможенно при наличии на зернах гидратированных соединений, и его не следует противопоставлять получению искусственного камня (бетона, раствора) с необходимой механической прочностью.

Проведенные испытания показали, что коагуляционные связи, развивающиеся на базе гидратированного трехкальциевого алюмината, дополняются связями из новообразований других минералов, постепенно изменяя пластическую прочность цементного камня. По характеру изменения пластической прочности можно судить: об алюминатности цемента и степени связывания гидратирующегося алюмината в гидросульфоалюминат или о характере образования его коагуляционной структуры в форме кристалликов, образующих ее при отсутствии гипса и наличии с. с. б.. При увеличении времени смешивания цемента и воды — перетирания цементного теста, снижается до определенного момента показатель Рт из-за частичного разрушения коагуляционных структур и перераспределения воды среди остальных гидролизующихся и гидратирующихся минералов, как бы из-за их пластификации. По отделению воды при перетирании цементного теста можно сделать вывод не только о частичном разрушении коагуляционных структур и повышении сроков схватывания теста, но и о различном водоудерживании других минералов полиминерального цемента. Опыт определения пластической прочности цементных паст на заводских цементах показывает большое разнообразие их значений, что в первую очередь объясняется различной доступностью алюминатов для соединения с гипсом, следствием чего и является разрушение водоудерживающих коагуляционных структур, снижающих пластифицирующее действие воды в силу ее блокирования.