Исследование влияния структуры цементного камня на морозостойкость
Анализ ряда работ, посвященных изучению долговечности цементного камня и бетона [1—2 и Др.], позволяет сделать вывод, что одним из решающих факторов морозостойкости является структура пор материала. Это вполне закономерно, так как морозостойкость материала определяется наличием пор, наполненных водой. Следовательно, одним из путей исследования морозостойкости цементного камня и бетона, как и других материалов, является изучение их пористой структуры.
Вместе с тем необходимо отметить, что до сих пор нет общепризнанных критериев для оценки строения цементного камня с точки зрения его морозостойкости. Лишь в немногих исследованиях [2, 3] осуществлена попытка установить количественную связь между морозостойкостью и структурой пор цементного камня и бетона, причем полученные выводы во многом противоречат друг другу. Зависимость морозостойкости цементного камня от его структуры в связи с минералогическим составом цемента вообще не изучалась. Использование расчетных характеристик пористости, разработанных Г. И. Горчаковым, не дает полного представления о характере пористости цементного камня, так как, по нашему мнению, структура последнего определяется не только степенью гидратации и водоцементным отношением, но и кинетикой гидратации, зависящей от условий твердения и минералогического состава цемента.
Цель проведенного авторами исследования — установление связи между морозостойкостью и структурой цементного бетона, что диктуется потребностями практики. Изучение структуры пор цементного камня и ее связи с морозостойкостью представляет теоретический и практический интерес, поскольку «изучение цементного теста прокладывает мост от химии цемента к технологии бетона» [4].
Исследование проводилось на цементах различных минералогических составов, полученных помолом до удельной поверхности порядка 2500 см2/г клинкеров заводского обжига (табл. 1).
За немногими исключениями результаты испытаний выявили определенную тенденцию к изменению морозостойкости. Уменьшение капиллярной пористости цементного камня примерно от 18 до 8% сопровождалось заметным, но сравнительно небольшим повышением морозостойкости. Дальнейшее уменьшение капиллярной пористости до 4—4 % и менее сопровождалось резким возрастанием морозостойкости. Наибольшую морозостойкость имели образцы цементного камня с капиллярной пористостью 0,6—3%.
Для большей точности оценки показателя морозостойкости цементного камня по данным о его капиллярной пористости необходимо учитывать данные об объемах крупных пор радиусом более 1 мк и микропор, главным образом пор геля. На наш взгляд, морозостойкость цементного камня увеличивается при повышенном (до определенного предела) содержании крупных пор, являющихся «резервными». Поры геля (менее 100А) способны понижать водонасыщение капиллярных пор за счет отсоса влага, увеличивать в целом прочность структуры н, таким образом, также способствовать повышению морозостойкости цементного камня.
При помоле к клинкерам добавлялось 3% полуводного гипса. Испытаниям подвергались образцы размером ЗХЗХ ХЗ см, изготовленные из теста (1:0)нормальной густоты или с В/Ц = 0,4. Температура твердения : 90, 20, 0 и —10°С. Образцы пропаривали в металлических формах с герметически закрывающимися крышками по режиму: 1,5-г8 ч+1,5 ч.
Морозостойкость цементного камня определялась путем контроля прочности и веса образцов после определенного числа циклов замораживания в холодильнике (не менее 5 ч при —15-1 20°С) и оттаивания в ванне с водой (3 ч при 20±3°С). Степень гидратации цементного камня определялась методом количественного рентгеновского анализа, удельная поверхность камня — методом низкотемпературной адсорбции азота.
Физическая структура (структурная пористость) цементного камня изучалась с помощью ртутной порометрии. Характер распределения пор по размерам и суммарная пористость определялись с помощью поромеров низкого и высокого (марки ПА-Зм) давлений в диапазоне радиусов пор от 30 мк до 40А.
Исследование показало зависимость морозостойкости цементного камня от его структуры. На основе анализа и сопоставления данных ,по структуре и морозостойкости цементного камня (табл. 2 и 3) удалось установить, что капиллярные
Влияние капиллярной пористости на морозостойкость цементного камня
Результаты анализа экспериментальных данных о структуре пор цементного камня в связи с его морозостойкостью з основном соответствуют соображениям [5—16] о возможном интервале так называемых «опасных» (с точки зрения морозостойкости) пор в структуре камня. Вода в микропорах (менее 10~5 см) замерзает при весьма низких температурах (ниже —30°С). Поэтому исходя из принятых методов испытания к.а морозостойкость, можно считать микропоры практически не участвующими в процессе деструкции замораживаемого цементного камня. С другой стороны, поры с радиусом более 1 мк не могут представлять опасности с точки зрения морозостойкости цементного камня вследствие того, что они не з состоянии удержать влагу, необходимую для их полного заполнения, так как капиллярные силы в них меньше сил гравитационных. К тому же в этих порах неизбежны процессы десорбции влаги в окружающую среду и адсорбции примыкающими более мелкими капиллярами.
Таким образом, «опасными» являются в основном поры размером 0,1—1 мк, которые могут находиться в водонасыщенном состоянии, причем замерзание влаги в них происходит при температуре выше от —25 до —30°С.
Безусловно, установленная зависимость не отражает полностью связь между морозостойкостью и структурой цементного камня, так же как не исключает влияние ма его долго_ вечность других факторов. Однако можно полагать, что полученные данные достаточно объективно отражают определяющее влияние пористой структуры цементного камня и, в частности, капиллярной пористости на его морозостойкость. Исходя из этих соображений, ниже излагаются представления о взаимосвязи между морозостойкостью и структурой цементного камня, являющейся результатом влияния различных параметров.
Наибольшей морозостойкостью характеризуется цементный камень нормально-влажностного твердения, поскольку его структура формируется без отрицательных воздействий окружающей среды и отличается минимальным, по сравнению с другими условиями, содержанием капиллярных пор и максимальных гелевых пор. Повышенное содержание крупных пор (более 1 мк) в цементном камне на основе алитовых цементов, обусловленное особенностями гидратации C3S, является одним из факторов, придающих высокоалитовому цементному камню высокую морозостойкость. Повышенное содержание капиллярных пор и пониженное содержание пор геля в структуре цементного камня на основе белитовых цементов, обусловленное, при прочих равных условиях, их меньшей степенью гидратации, является одной из основных причин пониженной морозостойкости белитовых цементов в сравнении с алитовыми. Немаловажную роль при этом играет тот факт, что цементный камень на основе белитовых цементов отличается весьма низким содержанием крупных пор, являющихся «резервными» при замораживании.
В цементном камне на основе высокоалюминатных цементов образуется повышенное количество капиллярных пор за счет углубления при положительных температурах процессов перекристаллизации алюмосодержащих гидратов. В связи г этим значительно пониженную морозостойкость пропаренных цементов (особенно при больших В/Ц), содержащих количество СзА, можно объяснить особенностями sx пористой структуры (более высоким содержанием капиллярных пор по сравнению с цементным камнем на основе низко-алюминатных цементов). В то же время увеличение содержания С3А в цементах, твердевших при температуре 0=С. придает структуре новообразований микропористый характер, значительно снижает объем капиллярных пор и делает камень более морозостойким по сравнению с цементным камнем на основе ннзкоалюмпнатных цементов (табл. 2).
Таким образом, влияние минералогического состава цементов на морозостойкость цементного камня тесно сзязао с условиями твердения. Высокоалюминатные цементы, обьгздо считающиеся неморозостойкими после пропаривания и твердения при обычных температурах, при температур аде близких к 0°С, способны твердеть с образованием более морозозостойкого камня, чем низкоалюминатные цементы. Определяющим здесь является структура пор цементного камня.
Повышение водоцементного отношения отрицательно сказывается на структуре цементного камня, вызывая увеличение содержания капиллярных и уменьшение содержания и в результате этого —снижение морозостойкости камД в особенности твердевшего в условиях пропаривания.
Наши данные в целом не противоречат выводам, полученным при применении иных методов исследования. Необходимо, однако, отметить, что в некоторых работах понятие «капиллярная пористость» определено в весьма широк-х пределах и касается также пор размером более 1 мк, что по нашему мнению, в применении к цементном) камню было б-з? не совсем верно. С этой точки зрения полезно дальнейшее исследование зависимости технических свойств бетонов -хл структуры цементного камня и раствора в бетоне. Морозостойкость цементного камня в значительной степени определяется его структурой. Капиллярные поры радиусом 0,1—1 мк являются одним из основных дефектов строения цементного камня, понижающим его морозостойкость.
На основе выявленной зависимости объяснено влияние различных параметров (минералогического состава цемента, условий твердения, водоцементного отношения) на морозостойкость цементного камня. Показано, что влияние минералогического состава цемента (в первую очередь СзА) на морозостойкость цементного камня непосредственно связано с условиями твердения и определяется структурой пор цементного камня.