Свойства цементного камня и приемы получения цементного камня оптимальной структуры.

Цементным камень включает:

непрореагировавшую часть клинкерных зерен, содержание которых с течением времени уменьшается;

гель, состоящий из частичек гидратных новообразований размером 50—200 А и более и гелевых пор диаметром от 10— 30 до 1000А. Объем гелевых пор при твердении цементав нормальных условиях по Пауэрсу составляет 0,28 общего0 28 объема геля с порами 0,39объема

твердой фазы геля. При твердении цемента при повышенных температурах под давлением объем гелевых пор, по данным Рой, может уменьшаться до 0,22. Объем пор между части­цами гидратных новообразований других вяжущих можег значительно отличаться от тех, какие свойственны цемент­ному камню. Так, минимальный объем пор в гипсовом кам­не, образующемся при взаимодействии полуводного гипса с водой, составляет 0,15—0,17 объема твердой фазы дву гид­рата с порами (при условии твердения системы без набу­хания);

относительно крупные кристаллы таких новообразова­ний, как Са (ОН)- и др., видимые в микроскоп и не обла­дающие свойствами коллоидов;

капиллярные поры размером в поперечнике от 0,1 до 20 мкм;

сферические воздушные поры размером от 50—100 мкм до 2 мм; они образуются в небольшом количестве (2—5%) вследствие вовлечения воздуха при изготовлении теста.

Рассматриваемая структура цементного камня обуслов­ливает его исключительно высокую водонепроницаемость. Так, цементный камень, полученный из теста с В/Ц, рав­ным приблизительно 0,4—0,45, характеризуется примерно такой же водонепроницаемостью, что и плотным естествен­ен! камень с объемом пустот до 2—3%. Это объясняется огромным сопротивлением прохождению молекул воды через тончайшие микрокапилляры. Увеличение водоцемент­ного фактора до Г>0% и более приводит к резкому росту водо­проницаемости затвердевшего цемента. В десятки раз по­вышается водопроницаемость камня и после его высыхания. Последующее же водонасыщение не обеспечивает полного восстановления начальной непроницаемости, по-видимому, вследствие необратимых усадочных процессов, нарушающих тонкую капиллярную структуру цементного камня.

Бетоны и растворы характеризуются более высокой водопроницаемостью, чем цементный камень, что объяс­няется их меньшей однородностью и наличием крупных неплотностей, трещин и пор, возникающих в местах контакта цемента с заполнителями вследствие седиментацнониых явлений, а также различия показателен усадки и т. п. Введение в цемент хлоридов кальция, натрия и железа (2—5°6) и некоторых других веществ, по данным Ю. В. Чеховского способствует значительному уменьшению как объемов и размеров макропор, так и проницаемости цементного камня.

Важно отметить большое влияние на свойства цемент­ного камня сферических пор, образующихся в результате вовлечения воздуха при изготовлении теста и размещающихся в общей массе новообразовании. Он и являются или замкнутыми, или сообщающимися с капиллярами. Вследствие значительных размеров этих пор водяные пары в них не конденсируются. Расчленяя капилляры, поры препятствуют перемещению по ним воды

Отвердевший цементный камень представляет собой микроскопическую неоднородную массу, состоящую из кристаллов-сростков и гелеобразованных масс, представленных частицами коллоидных размеров. Неоднородная структура цементного камня усиливается и тем что в нём имеется непрореагировавшая часть клинкерных зёрен, содержание которых с течением времени уменьшается.

Свойства цементного камня:

1) Долговечность – это способность ЦК сохранять достаточный уровень строительно-технических и механических свойств при продолжительной эксплуатации.

2) Морозостойкость – способность ЦК находится в состоянии насыщенным водой, противостоять многократным периодическим замораживаниям и оттаиваниям.

3) Прочность ЦК

4) Усадка ЦК – свойство ЦК уменьшать его объём и массу.

Химическая коррозия цементного камня. Коррозия выщелачивания,кислотная, сульфатная, сульфатно-альминастная, магнезиальная, сульфатно-магнезиальная, карбонатная коррозия. Коррозия под действием орган.веществ.

1. Коррозия выщелачивания

Ca(OH)₂ может вымываться из цементного камня водой

PH=12,8 при удалении Ca(OH)₂, PH уменьшается, если PH=10,8 начнётся коррозия арматуры. Коррозия может привести к 40% уменьшению прочности.

1.Ограничить содержание C₃S не более 50%

2.Связать Ca(OH)₂ в нерастворимое соединение, использовать активные минеральные добавки:

Ca(OH)₂+SiO_2aq→ CaSiO₂*H₂O

Для предотвращения коррозии закладывают марку по водонепроницаемости.

2.Кислотная коррозия

Ca(OH)₂+HCL→CaCl₂+H₂O

3CaO*SiO₂*3H₂O+ HCL→ CaCl₂+2SiO_2аморф+H₂O

Если PH меньше 4 с коррозией не справимся. Обязательно гидроизоляционные плёнки.

3. Углекислая коррозия

CaOH₂+CO_2возд+H₂O→CaCO₃

4. Сульфатная коррозия протекает по разным механизмам

4.1 Сульфоаллюминатная коррозия – концентрация сульфат ионов 250-1000 мг/л

3CaO*Al₂O₃*6H₂O+Na₂SO₄+H₂O→3CaO*Al₂O₃*3CaSO₄*32H₂O - вторичный эттрингит.

4.2 Гипсовая коррозия

Ca(OH)₂+SO₄+H₂O→CaSO₄*2H₂O – гипс.

4.3 Сульфатномагнезиальная

Сa(OH)₂+MgSO₄→CaSO₄*2H₂O+Mg(OH)₂

4.4 Особо агрессивная среда (NH₄)₂SO₄

4.5 Магнезиальная коррозия.

 

Газовая коррозия имеет химический вариант разновидности. Сорбция газов выше, чем водонепроницаемость. Растворимые газы проникают в поры цементного камня образуя кислую среду. За счёт паров воды или прямого воздействия воды газы растворяются и в порах цементного камня образуется агрессивная кислая среда,сульфат ион, азотные соединения.

1. Вид коррозии – коррозия выщелачивания, связана с вымыванием из цементного камня Са(ОН)2.

Данный вид коррозии протекает практически всегда.

Изучение последствий процесса коррозии выщелачивания показывает, что вымывание из цементного камня 15-30% имеющегося Са(ОН)2, приводит к снижению прочности камня на 40-50%. Если в воде присутствуют растворенные соли NaCl, Na2SO4, то растворимость Са(ОН)2 увеличивается и процесс идет с большей скоростью. Т.е. главнейшие компоненты цементного камня – гидросиликаты кальция (ГСК), гидроалюминаты, гидроферриты и гидросульфоалюминаты кальция (ГСАК), гидрооксид кальция устойчиво существуют в твердой фазе в контакте с поровой жидкостью цементного камня при определенной концентрации в ней оксидов. При смывании или фильтрации мягкой воды через бетон происходит уменьшение концентрации растворимого соединения Са(ОН)2 в поровой жидкости, затем начинается перекристаллизация других гидратов. Наименее устойчивыми являются высокоосновные гидросиликаты кальция, которые растворяются инконгруентно, выделяя в раствор новую партию Са(ОН)2.

В результате снижения концентрации Са(ОН)2 происходит примерно такой ряд превращений:

C2S ad → C3S2 ad → 2CSH → 2SiO2·H2O

↓ ↓ ↓

CaO в раствор CaO в раствор 2CaO в раствор

Вымывание из цементного камня Са(ОН)2 приводит к понижению щелочности цементного камня, пассивирующая способность цемента по отношению к стальной арматуре снижается и начинается процесс коррозии арматуры.

При низкой щелочности камня становятся неустоичивыми образованные гидросиликаты кальция, камень начинает активно разрушаться.

2. Кислотная коррозия протекает по схеме:

CaO·2SiO2·H2O + HCl →CaCl2 + 2SiO2 ag + H2O

В результате данного вида коррозии разрушаются гидросиликаты кальция (основные цементирующее систему соединения), с образованием легко растворимого соединения CaCl2 и аморфного кремнезема - SiO2 ag, процесс кислотной коррозии сопровождается не только коррозией цементного камня, но и коррозией арматурных элементов. Нормами предусмотрено, что при среде с рН менее 4 бетонные конструкции должны быть изготовлены на другом виде цементов.

3. Углекислая коррозия

Са(ОН)2 + СО2 +Н2О→CaСО3 + H2O

4. Сульфатная коррозия

В зависимости от концентрации сульфат-ионов SO4-2 механизм коррозии может быть различен. Если концентрация сульфат-ионов в окружающей среде составляет 250-1000 мг/л, то процесс коррозии идет по следующей схеме:

3CaO·Al2O3·6H2O + CaSO4+H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

В порах камня формируется вторичный ангидрит

Если в жидкой среде присутствуют не сульфаты кальция, а сульфат натрия NaSO4. Процесс протекает по схеме:

Ca(OH)2 + NaSO4→ CaSO4 + NaOН

CaSO4 + 3CaO·Al2O3·6H2O →3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

Гипсовая коррозия связана с образованием в порах цементного камня двуводного сульфата кальция и протекает по схеме:

Ca(OH)2 + CaSO4+H2O→CaSO4·2H2O

Сульфатно-магнезиальная коррозия при концентрации сульфата магния в агрессивной среде 1.5-2%,

Ca(OH)2 + MgSO4+H2O→CaSO4·2H2O + Mg(OH)2

Гипс откладывается в порах камня, а т.к. Mg(OH)2 плохо растворим в воде, то процесс может протекать до полного расходования Ca(OH)2.

Особо агрессивной для цементного камня является среда, содержащая сульфат аммония (NH4)2SO4

5. Магнезиальная коррозия

Ca(OH)2 + MgCl2+H2O→CaCl2 + Mg(OH)2

На цементный камень оказывают негативное влияние органические кислоты (винная, молочная, уксусная идр.), высокомолекулярные кислоты жирного ряда (рыбий жир, льняное масло и др.)

Коррозия связана с омылением Ca(OH)2 в результате чего образуются многоатомные спирты а затем агрессивные соли.

Для повышения коррозионной стойкости при помоле портландцементного клинкера вводят активные минеральные добавки, содержащие аморфный кремнезем, с участие которого в системе протекает процесс связывания Ca(OH)2 аморфным кремнеземом в нерастворимый гидросиликат кальция по схеме:

Ca(OH)2 + SiO2 ag + H2O→3CaO·2SiO2·2H2O

Наиболее эффективным приемом повышения коррозионной стойкости цемента является нормирование минерального состава портландцементного клинкера, например минеральный состав сульфатостойкого портландцемента, %: содержание С3S не более 50, С3А не более, а сумма C3A и C4AF не более 22.