Кинетика прочности портландцементного камня
Как известно, высокая температура оказывает двоякое влияние на рост прочности. С одной стороны, она увеличивает начальную скорость кристаллизации и таким образом способствует развитию прочности в раннем возрасте. С другой стороны, скорость этой начальной реакции противоположно действует на прочность, так как уменьшает глубину гидратации. Это объяснение также применимо тогда, когда в качестве интенсифицирующего фактора участвует не температура, а содержание С3А, или тонкость помола цемента, или добавки и т. д. Другими словами, увеличение прочности в раннем возрасте, как правило, не сопровождается пропорциональным увеличением прочности в более позднем возрасте.
В действительности конечная прочность часто понижается при действии таких факторов, как пропаривание, которое радикально увеличивает прочность в раннем возрасте. Термин «конечная прочность» означает прочность, получаемую после очень длительного влажного хранения. С инженерной точки зрения высокая прочность в раннем возрасте более существенна, чем конечная прочность Поэтому представляется ценным более глубокое изучение упомянутой обратной зависимости в кинетике твердения. В статье предложена формула для вычисления конечной прочности гидратированных портландцементов в том случае, когда единственной является минералогический состав и, кроме того, представлены опытные данные в поддержку предполагаемого механизма влияния кинетики твердения на конечную прочность.
Кинетика твердения и конечная прочность. С точки зрения кинетики обратная зависимость между ранней и конечной прочностью означает, что увеличение. например, температуры гидратации замедляет последующее твердение относительно больше, чем это увеличивает скорость твердения.
Эта проблема может быть решена численно с применением формулы, которая адекватно описывает кинетику твердения. Такая формула в функции минералогического состава имеет вид:
Уравнением (1) математически выражается предположение о том, что твердение цемента может рассматриваться как результат суммы двух процессов твердения. Другими словами, экспоненциальная модель содержит только два компонента твердения. Первый компонент C3S и второй — смесь других составляющих минералов. Замедление твердения обоих компонентов в любом заданном возрасте пропорционально оставшейся прочности, но два коэффициента пропорциональности различны. Параметры пропорциональности й] и а2 в уравнении (1) представляют удельную скорость твердения, т. е. отношение скорости твердения к оставшейся прочности в данном возрасте для двух компонентов. Чем интенсивнее твердение в раннем возрасте, тем больше коэффициент йь чем длиннее и интенсивнее процесс твердения после 28 дней, тем меньше становится значение й2, но до определенного предела. Численные значения коэффициентов а могут быть получены из экспериментальных данных.
Опыты показали, что уравнение (1) дает хорошее приближение при подходящих коэффициентах а для выражения влияния С3А и C3S, температуры, водоцементного отношения на процесс твердения. Значения а для некоторых случаев опубликованы в [3—6].
Можно показать математически, что квадрат параметра а показывает удельное замедление твердения компонентов, т. е. отношение замедления твердения к оставшейся прочности в данном возрасте. Уравнение (1) может быть применено для вычисления конечной прочности, выраженной в процентах от 28- дневной прочности Это уравнение принимает при большом t следующую форму:
Скорость твердения в зависимости от структуры цементного камня. Возможное объяснение неожиданной корреляции между высокой ранней прочностью и относительно низкой конечной прочностью сводится к тому, что некоторые свойства продуктов гидратации, воздействующие на прочность, изменяются с изменением скорости твердения.
Подобное объяснение, предложенное Вербеком и Хельмутом для эффекта повышения температуры, устанавливает, что чем выше скорость твердения, тем короче должно становиться в нем я диффузии продуктов гидратации (иначе говоря, короче должен становиться диффузионный путь от поверхности цементного зерна), поэтому концентрация цементного геля должна становиться выше в зоне, окружающей гидратированное цементное зерно. Можно получить экспериментальные данные для демонстрации факта, что это относительно непроницаемая оболочка вокруг цементного зерна не только замедляет последующую гидратацию, но также значительно сокращает ее глубину. Это, в свою очередь, вредно для конечной прочности.
Другое подтверждение того же вывода в известном факте, что пористость обработанного паром цементного камня обычно выше, чем таковая для камня, затвердевшего при обычной температуре за 28 дней. Изменение скорости твердения как таковой ухудшает конечную прочность, а причина изменения скорости имеет второстепенное значение.
Представим, например, что удельная скорость твердения увеличивается с уменьшением водоцементного отношения, Это означает, что уменьшение водоцементного отношения увеличивает раннюю прочность относительно больше, чем прочность в 28 дней или в более позднем возрасте. Предполагаем тем меньше первоначальное содержание капиллярных пор в цементном камне; поэтому прочность в раннем возрасте развивается более интенсивно. С другой стороны, эта высокая скорость твердения вызывает уплотнение цементного геля, что, в свою очередь, существенно вредно для гидратации в более поздние сроки. Это предположение вытекает непосредственно из выполненных Вербеком и Хельмутом измерении размеров пор в зависимости от водоцементного отношения. В основном тем же можно объяснить хорошо известное влияние тонкости помола на кинетику развития прочности.
Опытные данные также показывают, что портландцемент одной фракции развивает более низкую прочность в более поздние сроки, чем этот же цемент с идентичной тонкостью помола, но содержащей более мелкие и более крупные зерна. Здесь положительное влияние крупных цементных зерен НЕ конечную прочность может снова проявиться в результате их медленной гидратации.
На рис. 2 показано, что цементно-подобный гель CSH под влиянием интенсифицирующих физических или химических факторов создает более высокую сдельную поверхность в раннем воздаете. Это означает более тонкую текстуру и, соответственно, низкую пористость в раннем возрасте, каковая тенденция может самообратиться сроки.
Итак, скорость твердения в раннем юзрасте, кажется, влияет на прочность i поздние сроки посредством влияния на структуру цементного геля. Это влияние а структуру может быть вычислено на основе предположения, что замедление с квадратом скорости твердения. Еще более непосредственное доказательство привел Рихарт. Он несколько представил электронном снимки, показывающие, что гм выше начальная скорость твердения, гм короче волокна гидросиликата калция, которые создают более низкую прочность. Он также продемонстрировал экспериментально, что плотного цементного геля, что в свою очередь значительно сократит конечную глубину гидратации. Это вредно действует на конечную прочность. Измерения пористости, удельной поверхности и электроннографическне определения подкрепляют этот вывод.
Портландцемент затвердевает так, как если бы любое увеличение удельной скорости твердения интенсифицирует замедление твердения в квадратичной зависимости.
Предложена формула для вычисления конечной прочности в процентах от 28-дневнон в зависимости от удельной скорости твердения и содержания C3S. Опытные данные кажется подтверждают эту формулу достаточно хорошо.