Белгородская область, Россия
студент
Белгородская область, Россия
ГРНТИ 61.35 Технология производства силикатных и тугоплавких неметаллических материалов
ББК 35 Химическая технология. Химические производства
Рассмотрено влияние различных технологических факторов на соотношение предела прочности цементного камня и бетона в разные сроки твердения. Установлено, что изменение содержания важнейших клинкерных минералов в цементе, гипса, величины удельной поверхности, водоцементного отношения в определенных пределах мало влияет на кинетические константы твердения цементных систем. Уменьшение сечений образцов стандартной формы с 4×4 до 2×2 см2 на 20–25 % уменьшает отношение марочной прочности к 7 суточной. Установлены пределы рационального содержания таких клинкерных минералов как, С3S и С3А, при которых обеспечиваются такие значения физико-механических свойств цементного камня. На основе установленных в данной работе закономерностей предложены поправки к коэффициентам пересчета 3-х и 7 суточной прочности на марочную.
предел прочности, кинетика твердения, марка по прочности.
Введение. Марочная прочность цементного камня в возрасте 28 суток является важнейшим параметром, который используется при проектировании состава бетонной смеси на предприятиях стройиндустрии Российской Федерации и других стран [1]. Большое значение имеет также кинетика твердения цементов и бетонов, в том числе отношение марочной прочности к трех и семи суточной.
Несмотря на это, в большинстве стран этому показателю не уделяется должное внимание. Обычно при расчете расхода цемента при производстве бетонных смесей в основу берется марка (класс по прочности) цемента, задекларированная заводом-изготовителем, хотя последний определяет ее через 28 суток после выпуска, руководствуясь при маркировке очередной партии цемента результатами испытаний предыдущих партий. При этом не учитывается, что некоторые партии цемента могут серьезно отличаться по своим вяжущим свойствам от предыдущих. В связи с этим в ряде публикаций исследовалась взаимосвязь между марочной прочностью цементов и их активностью в ранние сроки [11], что позволяет на основе последних прогнозировать марку (класс прочности) цементов. Однако в опубликованных работах не уделено должное внимание ряду важных технологических факторов, влияющих на кинетику твердения цементов.
Основная часть. Соотношение предела прочности цементного камня стандартного состава, испытанных по ГОСТ 310.4-81 в различные сроки твердения, и марочной прочности являются предметом исследований многих отечественных и зарубежных специалистов [2–11]. На основе этих работ установлены различные способы оценки марки либо класса прочности цементного камня по результатам краткосрочных испытаний. Однако предложенные методы в большинстве случаев относятся к составам с фиксированными показателями вяжущего, удельной поверхности, содержания гипса и других технологических параметров, что ограничивает их применение. В данной работе предлагается восполнить этот пробел.
Широкое общение по этому вопросу было сделано А.В. Волженским [4], который предполагает следующий ряд величин, характеризующих кинетику твердения цементного камня в различные сроки (таблица 1). Недостаток этих данных заключается в том, что они носят слишком обобщенный характер и в них не учитывается влияние минерального состава клинкера, площади удельной поверхности цемента, формы и размера образцов цементного камня и так далее.
Таблица 1
Коэффициенты, характеризующие прочность портландцемента в различные сроки твердения по сравнению с марочной прочностью
|
|
|
|
|
|
|
К |
2,86 |
1,54 |
0,8 |
0,56 |
Из приведенных на рис. 1а экспериментальных данных [17], следует, что отношение марочной прочности цементного камня к 1-суточной при увеличении содержания в клинкере трехкальциевого алюмината от 4 до 7–8 % возрастает от 4,7 до 6. При дальнейшем росте содержания С3А до 14 % К1=
снижается до 4–5.
Необходимо отметить, что 1-суточная прочность цементного камня отличается от марочной более высокой величиной коэффициента вариации, поэтому функция К1(С3А) отличается повышенным разбросом в сравнении с К3(С3А) К7(С3А).
Из рис. 1в следует, что отношение марочной прочности камня к 7-суточной, по данным [17], мало зависит от содержания в клинкере С3А и равно 1,5, как следует из [4].
а (По данным [17])
б (По данным [17])
в (По данным [17])
Рис. 1. Влияние содержания в клинкере С3А на численное значение коэффициента К=
Из показанных на рисунке 1б экспериментальных данных [17] следует, что увеличение содержания трехкальциевого алюмината в клинкере от 3,8 до 6 % сопровождается снижением К3=
от 2,8 до 2,3. Дальнейший рост содержания С3А в цементе до 8–14 % приводит к снижению этого коэффициента до 2,2. Таким образом, численное значение коэффициента К3=2,86, в данном случае относится к цементу, содержащему 5,5–6,5 % С3А. Большинство выпускаемых в России цементов содержит 4-7% С3А, поэтому указанное в [4] отношение К3 является достаточно обоснованным. Для цементов, содержащих 9–14 % С3А, К3=2,25–2,3, что заметно ниже, чем указанно в [4]. Цементы, содержащие 10–15 % С3А, выпускаются лишь Стерлитамакским и Спасским заводами.
а
б
Рис. 2. Влияние содержания алита в цементе на отношение и 
камня стандартного состава
а
б)
в)
Рис. 3. (начало) Влияние гипса в пересчете на so3 на σ28/σ7 цементов с различным содержанием алита и С3А
г)
д)
е)
Рис. 3. (окончание) Влияние гипса в пересчете на so3 на σ28/σ7 цементов с различным содержанием алита и С3А
а
б
Рис. 4. (начало) Зависимость К= от содержания SO3 в цементах с различным содержанием К2О
в)
Рис. 4. (окончание) Зависимость К= от содержания SO3 в цементах с различным содержанием К2О
На рис. 2 показана взаимосвязь между содержанием в цементе алита и кинетическими константами твердения цементного камня. Из графиков следует, что К3=
равно 2,87 при содержании алита 53–57 %. В цементах с низким (43–47 %) и повышенным содержанием алита в клинкере (60–70 %) эта величина снижается до 2,1–2,2.
Отношение К7=
для большинства цементов близко к 1,5(рис. 2б).
Анализ приведенных на рис. 3 экспериментальных данных [12, 13] приводит к выводу, что зависимость К7= σ28/σ7 как функция содержания гипса в пересчете на SO3 зависит от соотношения алита (С3S) и трехкальциевого алюмината (C3A).
Из рис. 3а и 3б [12] следует, что содержание SO3 в пределах 0,5-3,5% не влияет на численное значение К3 и К7.
По данным [12] приведенным на рисунке 3В, К3=2,86 наблюдается у цемента, содержащего около 2,5 % SO3. Из рис. 3г видно, что К3=2,7 при содержании SO3 равном 10,5 %. Численное значение К7==1,5, характерно для цементов, содержащих 3,5–4 % SO3, а из рис. 3е видно, что К7=1,5 наблюдается у цементов, содержащих не более 5 % SO3.
В цементах, которые отличаются повышенным содержанием С3S и C3А, влияние SO3 на численное значение коэффициента К нивелируется и мало зависит от содержания SO3 в пределах от 2 до 10 %. При этом численное значение К может достигать 2–2,5, если клинкер содержит 10–13 % С3А (рис. 3 б и в).
Анализ приведенных на рис. 4 графиков показывает, что содержание SO3 в пределах
2,2–4 % слабо влияет на интенсивность набора прочности цементного камня во времени.
На рисунке 5 приведены экспериментальные данные [12]. Их анализ показывает, что при увеличении удельной поверхности цемента от 270 до 500 м2/кг наблюдается снижение численного значения коэффициента К7 от 1,2 до 1, от 1,5 до 1,3 и от 2 до 1,5. При средней удельной поверхности цемента 300–400 м2/кг численное значение К находится в пределах от 1,3 до 1,6, что близко к величинам, приведенным
А.В. Волженским.
а
б
Рис. 5. (начало) Влияние удельной поверхности цемента на численное значение 
в
г
д
е
Рис. 5. (окончание) Влияние удельной поверхности цемента на численное значение
Водоцементное отношение цементного камня с добавкой вольского или полифракционного песка строго регламентировано, поэтому рассмотрим влияние этого показателя на примере бетонной смеси с крупным заполнителем.
Анализ представленных на рисунке 6 экспериментальных данных приводит к выводу, что у бетонов коэффициент интенсивности твердения К7 ниже, чем у цементно-песчаной смеси стандартного состава на 0,2–0,3 в пределах В/Ц=0,2–0,5. Рост В/Ц сопровождается увеличением К7, который достигает величины 1,5 при В/Ц 
Влияние водоцементного отношения на коэффициент интенсивности твердения приведено на рисунке 6. Анализ полученных данных показывает, что для бетонов с крупным заполнителем коэффициент К с ростом водоцементного отношения незначительно возрастает, находясь в сравнительно узких пределах 1,1–1,3 (рис. 6 б [14–16]); при этом водоцементное отношение влияет в меньшей степени на цементный камень стандартного состава без крупного заполнителя, (рисунок 6 в [8]) чем на бетон (рис. 6 а [9] и 3 б).
а
б
Рис. 6. Зависимость коэффициента К7 цементного камня (а) бетонов с крупным заполнителем (б)
от водоцементного отношения
Выводы.
- Отношение марочной прочности к 1 суточной плохо коррелируется ни со всеми рассмотренными показателями, определяющими состав цементной системы. С увеличением сроков твердения корреляция между содержанием алита, С3А, гипса и водоцементного отношения усиливается.
- Установленные А. В. Волженским соотношения пределов прочности цементного камня в различные сроки твердения относятся к стандартным образцам состава 1:3, изготовленным согласно нормативно-технических требований В тяжелых бетонах с крупным заполнителем соотношение пределов прочности в различные сроки твердения на 0,2–0,3 ниже, чем у стандартных образцов.
- Содержание C3A в пределах 4–6 % и алита – 50–60 % слабо влияет на численное значение К3 и К7 и находятся в пределах указанных Волженским. Приведенное Волженским значение 2,86=
относится к цементам, содержащим 5–7 % С3А, при более высоком содержании этого минерала К3 снижается до 2,5–2,2. Содержание С3А в пределах от 3,5 до 14 % незначительно влияет на численное значение К7. Указанная Волженским величина К3= 2,86 наблюдается при содержании алита в пределах 55–60 %. При меньшем содержании алита эта величина снижается до 2,2–2,3. Величина К7=1,5 наблюдается в цементах с содержанием С3S
45–55 %. При более высоком содержании алита эта величина возрастает до 1,7. - Содержание в цементах гипса в пределах 1–5 % в пересчете на SO3 незначительно влияет на
у цементов с нормальным количеством трехкальциевого алюмината
(С3А= 6–10 %) и снижает ее на 0,2–0,3 у малоалюминатных цементов.
равно 1,5–1,6 при содержании SO3, равном 2,5–4 %. Отношение
при оптимальном содержании гипса равном 2,7–4 %, находится в пределах 2,7–2,8. - Удельная поверхность цементов в пределах 250–600 м2/кг слабо влияет на отношение .
- Повышение водоцементного отношения на 0,2 – 0,4 увеличивает коэффициент К на 0,2–0,3.
- Практическое использование изложенных закономерностей позволит повысить точность прогноза марки цемента по прочности (классу прочности) по результатам краткосрочных испытаний.
1. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: Изд-во АСВ, 2003. 500 с.
2. Лукьянов И.А., Москвин В.М. Ускоренное определение марки бетона. М.: Изд-во Госстройиздат, 1956. 245 с.
3. Коган М.З. Сравнение свойств цементов по линиям прогнозирования // Бетон и железобетон. 1984. №2. С 18-20.
4. Волженский А.В. Минеральные вяжу-щие вещества. М.: Изд-во Стройиздат, 1986. 464 с.
5. Калинкин Б.А. Прогнозирование марочной прочности бетона по кинетике его твердения в разном возрасте // Бетон и железобетон. 1975. №3. С 11-13.
6. Несветаев Г.В., Жильникова Т.Н. Про-гнозирование марочной прочности бетона по кинетике твердения в разный период // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2003. №5. С 344-347.
7. Бабушкин В.И., Шеин В.И. Прогнозирование свойств цементного камня и бетона // Цемент. 1980. №12. С 15-18.
8. Бердов Г.И. Метод прогноза активности цемента и бетона // Бетон и железобетон.1987. №12. С 4-5.
9. Лагойда А.В. Прогнозирование прочности бетона при повышенных температурах //Бетон и железобетон. 1994. №4. С 11-13.
10. Соловьева В.Я. Оценка и прогнозирование прочности материалов // Цемент. 1996. №3. С. 38-40.
11. Попович С. Соотношение различных показателей кинетики гидратации портландцемента // Пятый Международный конгресс по химии цемента. М.: Изд-во Сртойиздат, 1973. С 283-285.
12. Ли Ф.М. Химия цемента и бетона / Пер. с англ. М.: Изд-во Стройиздат, 1964. 646 с.
13. Лесовик В.С., Погорелов С.А., Строкова В.В. Гипсовые вяжущие материалы и изделия. Белгород: Изд-во БГТУ, 2004. 224с.
14. Рахимбаев Ш.М., Оноприенко Н.Н., Поспелова Е.А. Вяжущие вещества. Белгород: Изд-во БГТУ, 2015. 86 с.
15. Рамачандран В.С. Наука о бетоне. М.: Изд-во Стройиздат, 1986. 545 с.
16. Химия цемента. Под ред. Х. Ф. Тейлора. М.: Изд-во Стройиздат, 1986. 450с.
17. Егоров Г.В. Сопоставление проч-ностных показателей с изобарно-изотермическими потенциалами гидратации портландцементных клинкеров // Цемент. 1987. №8. С 10-11.
