Методы испытания цементов разнообразны: это химические и минералогические анализы, физические и механические. Если цемент при поступлении имеет необходимые паспортные данные и правильно хранился, то на объектах строительства или заводах сборного железобетона испытание не повторяют. Под необходимыми паспортными данными понимают объем сведений, используемых в строительстве. Не во всех случаях для производства бетонных работ достаточно только паспортной характеристики, которой, как известно из ГОСТ 10178—62, является гарантированная марка цемента Строители должны своевременно запрашивать у завода-поставщика цемента дополнительные паспортные сведения, которые могут быть высланы потребителю цемента только по его просьбе. Без наличия всех необходимых для производства работ показателей качества цемента цемент не может быть использован.
Рассмотрим следующие виды испытаний, проводимые для определения пригодности цемента для производства бетонных работ: химический анализ клинкера (Si02, Аl203, Fe203, Mn203, СаО, MgO, S03, п. п. п.); коэффициент насыщения кремнезема известью; силикатный модуль; глиноземный модуль; минералогический состав клинкера и его петрография; содержание свободной окиси кальция; содержание щелочей К20 и Na20; химический состав минеральных добавок (для золы определяется содержание Si02, Fe203, СаО, MgO, S03, а для гранулированного доменного шлака — Si02, Al203, СаО, MgO, FeO, MnO, S, P205, Ti02); содержание порошкообразных минеральных добавок, гипса, ПАВ (гидрофильных и гидрофобных); плотность цемента; нормальная густота цемента; тонкость помола, подвижность растворной смеси; сроки схватывания, равномерность изменения объема; механическая прочность на разные сроки твердения; впитываемость воды (для гидрофобных цементов).
Подобные испытания проводят лишь в крупных центральных лабораториях строительства и научно-исследовательских институтах.
Химический анализ клинкера. В клинкере (или в чистом без добавок портландцементе) должно содержаться окислов: 62—67% СаО, 20—24% Si02, 4—8% Аl203, 2—6% Fe203, меньше 5% MgO, меньше 1 % S03, в незначительном количестве ряд других окислов. Для глиноземистого цемента осуществляется химический анализ на содержание глинозема, кремнезема, окиси железа, окиси кальция и сопутствующих им окислов (Ti02, MgO, S03, R20). Для специалистов важно знать соотношение окислов (их силикатный модуль, который колеблется от 1,7 до 3,5, и глиноземный модуль, который составляет от 1 до 3). При указанном здесь содержании химических окислов получается много портландцементов, резко различающихся по строительно-техническим свойствам. Не подобрав сырьевую смесь нужного химического состава, т. е. не сделав первый шаг в сложном процессе изготовления цемента, нельзя осуществлять последующие шаги — технологические переделы.
Главные компоненты клинкера (СаО, Si02, Al203, Fe203), образующие при обжиге минералы — силикаты кальция, алюминаты и алюмоферриты, которые обеспечивают получение силикатов при более низких температурах обжига, чем в условиях беспримесного обжига — без окислов Аl203 и Fe203, нормируются в строгих пределах. Такие окислы, как MgO и S03, резко снижающие качество цемента, нормируются по верхнему пределу. Наличие в клинкере MgO и S03 связано с минералогическим составом сырья. Окись магния в зависимости от температуры обжига получается разного качества, что легко определяется по ее плотности. Так, при низких температурах обжига плотность MgO равна 3,3 г/см3, а при высоких (не менее 1400° С) — 3,58 г/см3.
В курсе строительных материалов на примесь магния в карбонатном сырье указывают в связи с выбором температуры его термической диссоциации. Повышенная температура обжига приводит к образованию периклаза, не обладающего в короткие сроки твердения гидравлической активностью, в отличие от более активной низкотемпературной каустической окиси магния. Количество каждой формы MgO, ее распределение в цементном клинкере (в алите, алюмоферритной фазе, в алюминатной фазе, в стекле) имеет существенное значение для качества клинкера. В частности, кристаллы периклаза, содержащие значительное количество стекловидной фазы, мельче в быстроохлажденных клинкерах. Наличие MgO в цементе может при длительном твердении привести к разрушению бетона вследствие его гидратации, последующей за твердением минералов цемента. Для определения протекания этой реакции цемент с MgO в виде лепешек подвергают тепловой обработке в автоклавах при давлении пара в 20 ат (10-1 МПа).
Следовательно, надо знать, какой расчетный химический состав будет у цемента (для этой пели сырье корректируют, вводя добавки). Коэффициент насыщения КН, силикатный и глиноземный модули показывают степень приближения химического состава обжигаемой смеси к проектируемому; содержание свободной окиси кальция — показатель степени усвоения извести при данном значении насыщения ею кремнезема.
Минералогический анализ — это окончательный, следующий за химическим составом показатель качества клинкера. По данным химического состава и модулям с должной полнотой нельзя определить строительно-технические свойства цемента, так как одно и то же количество окислов даже при незначительном изменении технологического процесса (например, грубом помоле сырья) по-разному соединится в новые минералогические ассоциации. При этом химическим анализом будет установлен один и тот же состав для клинкеров, различных по технологии получения, но одинаковых по исходному сырью. Заметим, что в отличие от химического состава минералогический состав — определитель широко известен строителям. Однако, как ранее было сказано, без ориентировки на химический состав сырья нельзя получить клинкер надлежащей минералогии.
Содержание К2О и Na20 не только существенно ухудшает качество цемента, например ускоряет сроки схватывания, но в определенных условиях может привести к катастрофическому разрушению бетонных (железобетонных) сооружений. Следует помнить, что коррозия бетона при наличии цемента со щелочами и кремнеземом аморфным, активным Si02 в каменном заполнителе протекает независимо от внешних условий, т. е. не связана с внешней средой.
Химический состав минеральных добавок влияет на свойства портландцемента. По этой причине специалистам необходимо знать, какие добавки надо вводить в цемент (или какие ввели) и в каком количестве. Если бетон работает в особо сложных условиях, в цемент не надо вводить такие добавки. Таким образом, при испытании цемента необходимо знать качество и количество минеральных добавок, их генезис, химический состав, тонкость измельчения, технологию их введения. Многочисленные экспериментальные работы в этой области отражают качество таких цементов и особенности их использования. При введении неактивных минеральных и порошкообразных добавок разного вида в больших количествах (более 15%) переводят портландцемент в группу смешанных цементов, значительно отличающихся по свойствам от исходного портландцемента. Такие цементы представляют большой народнохозяйственный интерес и их применение в ряде случаев весьма эффективно.
Если виды испытаний 1—9 можно объединить общим названием химико-минералогических показателей качества цемента, то 10—17 относятся к физико-механическим показателям качества цемента. Действительно, физическое состояние цементного теста — цементного камня связано не с одним, а со многими показателями и является производным от ранее рассмотренных химико-минералогических показателей и тонкости помола цемента. Нормальная густота цементного теста и равномерность изменения» объема твердеющего сформованного образца (лепешки из цементного теста) зависят от ряда причин, заложенных в химико-минералогической основе цементного порошка и его дисперсности. Эти относительно простые для опытного лаборанта определения физических характеристик позволяют оценивать: а) особенность цемента с водой приобретать пластичное состояние; б) скорость его изменения при протекании процессов гидролиза и гидратации и сохранении при этом сплошности цементного камня — псевдотвердого, тела (т. е. условно твердого, так как в цементном камне имеются поры — разрывы сплошности материала). Определяя эти три технические характеристики простыми стандартными методами, можно ответить на практические вопросы о пригодности или непригодности цемента.
При получении положительного ответа строителю при изготовлении бетона не нужно знать химико-минералогические характеристики цемента и, в частности, с каким количеством гипса, влияющего и на показатель нормальной густоты, приготовлен цемент. Однако механическую прочность раствора (механическую прочность цемента) нельзя правильно оценить без анализа химико-минералогических показателей в полном их объеме (определения). Рассмотрим причины разложения в подходе к анализу качества цемента в первом случае (анализ показателя нормальной густоты, сроков схватывания, равномерности изменения объема без привлечения химико-минералогических показателей) и во втором, когда-определяется тонкость помола, подвижность растворной смеси и механическая прочность цемента на разные сроки твердения. По показателям первой группы цемент бракуют.
Действительно, нельзя использовать цемент-быстряк при бетонировании сооружений, когда требуется обеспечить стабильность бетонной смеси не менее чем в течение 40—50 мин. Нельзя также приготавливать бетон на цементе с неравномерным изменением объема, т. е. с твердением цемента и растрескиванием формирующегося в бетоне цементного камня. Любой анализ указанных причин объяснит суть недостатков. Существуют приемы исправления этих недостатков (введение гипса в бетоносмеситель и выдерживание цемента на складах), однако указанные отклонения от норм недопустимы.
Если бы показатель механической прочности цемента, например активность, был связан зависимостью с другими свойствами., вопрос использования цемента решался бы без привлечения других, характеристик. Однако такой однозначной зависимости нет, тем более ее нет между прочностью цемента и другими свойствами.. Существует возможность прогноза свойств цемента через ряд показателей, которые приведены выше. Зная тонкость помола цемента, вид и количество минеральных добавок, подвижность растворной смеси при стандартном В/Ц (или изменение В/Ц при стандартной подвижности, растворной смеси), количество гипса в цементе, минералогический состав клинкера и его петрографию, наличие или отсутствие в цементе ПАВ, можно с достаточной для практических целей достоверностью определить свойства цемента.
На строительной площадке к этому надо добавить и определение показателя свежести поверхности зерен цемента — п. п. п. При использовании цемента для бетона (раствора) конструкций, находящихся в стабильных условиях, без агрессивного воздействия внешней среды, выбор цемента ограничивается только показателем механической прочности на марочный срок. С бурным развитием производства сборного железобетона одной марочности цемента для неагрессивной работы бетона становится недостаточно.
В этом случае возникают новые условия для выбора цемента, связанные с назначением величины отпускной прочности бетона в изделиях (конструкциях) и условиями твердения при повышенных температурах. Это требует анализа всех характеристик цемента. Опыт показывает, что учет сказанного об анализе показателей, который приведен в перечне определений, позволяет правильно использовать цемент в строительстве. Приемы определения указанных показателей качества цемента систематически совершенствуются, что улучшает и степень достоверности прогноза оптимальных условий приготовления и использования цемента.