По данным таблицы 1 построены графики зависимости (рис. 1) прочности цементных камней на сжатие, твердевших в различных условиях, от интегрального значения потери массы (20-1000ºС). Усредняющие кривые на графике подтверждают увеличение прочности на сжатие цементных камней с ростом степени гидратации. Подобные зависимости выявлены при рентгенографических исследованиях [2]. В рентгеногра-

фических исследованиях при определении степени гидратации не учитывается аморфная составляющая новообразованных фаз. Термический метод исключает этот недостаток, и полученные зависимости прочности от потери массы являются более достоверными.

Кривые нагревания образца цементного камня без добавок регистрируют дегидратацию гидроксида кальция (Са(ОН)2) в интервале температур 440-500ºС.

Эндотермический эффект на термоаналитических кривых с максимумом порядка 720-760ºС является следствием наложения двух процессов: дегидратацией новообразованных двухкальциевых гидросиликатов (2CaОSiO2*nH2O типа С-S-Н (II) или С2SH2) и диссоциацией карбоната кальция (СаСО3), образующегося в результате карбонизации гидроксида кальция.

Характерной термоаналитической особенностью образцов цементного камня с добавками ФТП является появление на кривых ДТА интенсивных экзотермических превращений с максимумами порядка 330-450ºС, связанных с выгоранием сложного органического вещества добавки. По сравнению с образцом цементного камня без добавок добавка ФТП обеспечивает значительное усиление процесса его гидратации, что подтверждается ростом интенсивности потери массы на всем исследуемом интервале температур (табл.1).

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

На кривых ДТА добавка хлорида кальция в исследуемых образцах обусловливает усиление процесса дегидратации портландита (образец №4 в табл.1) и появление дополнительного эндотермического эффекта с максимумом порядка 780ºС. Активная роль добавки хлорида кальция в гидратационном преобразовании алита и белита отражается значительной интенсивностью потери массы, особенно в области дегидратации портландита. Дополнительный эффект с максимумом порядка 780ºС – результат появления жидкой фазы при плавлении хлористого кальция.

Термоаналитическая кривая цементного камня с двухкомпонентной добавкой ФТП и хлорида кальция показывает результат суммирования термических эффектов, характерных для каждой из добавок. В результате сложения интенсивности воздействия каждой из них регистрируется одно из наибольших значений интегральной потери массы – 20,0%. Этот факт свидетельствует, что каждый компонент в составе такой комплексной добавки в полной мере участвует в процессе ускорения гидратации кристаллических фаз клинкера и их совокупность обеспечивает усиление этого процесса.

Добавка С-3 не повлияла на гидратационные преобразования портландцемента, о чем свидетельствует существенно не изменившийся характер термоаналитических кривых по сравнению с таковым у образца без добавок (кроме конфигурации кривой ДТА в области с максимумом при 410ºС, связанной с выгоранием С-3). Поэтому цементный камень с введением добавки С-3 показал даже некоторое ослабление процесса дегидратации. Интегральная потеря массы у него снизилась с 13,5% до 12,0% (табл.1), что обусловлено, очевидно, меньшим водосодержанием при его изготовлении.

При совместном присутствии в цементном камне добавок ФТП и С-3 на термоаналитических кривых регистрируется суммирование термических эффектов каждого компонента. Введение добавки С-3 в комплексе с ФТП не приводит к существенному изменению суммарной потери массы по сравнению с ее отсутствием (табл.1), а, следовательно, не ослабляет процесс гидратации минералов цемента.

Однако при добавлении С-3 совместно с ХК наблюдается уменьшение степени гидратации портландцемента. Поэтому величина интегральной потери массы понижается с 19,3% до 16,2% (табл.1). Значительное уменьшение интенсивности потери массы в интервале температур дегидратации портландита (350-

500ºС), являющегося продуктом гидратации алита, свидетельствует о торможении процесса гидратации кальциевых силикатов при введении добавки С-3 в данном комплексе.

Для цементного камня с трехкомпонентной добавкой из ФТП, ХК и С-3 отмечается присутствие всех термических эффектов, характерных для каждого компонента, и более глубоко зашедший процесс гидратации. Происходит взаимодополнение положительных эффектов за счет каждого компонента добавки. Это в совокупности привело к максимальной суммарной потере массы 20,5% и достижению наибольшей прочности цементного камня (рис.1).

Таким образом, состав комплексной трехкомпонентной добавки можно рассматривать как наиболее оптимальный с точки зрения достижения высоких интенсивностей протекающих гидратационных процессов, что согласуется с прочностными показателями цементных камней.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. М. Методы исследования цементного камня и бетона. – М.: Стройиздат, 1970, 159с.

2. А. Рентгенографическое исследование портландцемента и цементных камней с противоморозными добавками.// Материалы Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов». Часть 1. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004г., с.189-194.

УДК 691.54:620.18

Н., д-р хим. наук, профессор, И., д-р техн. наук, профессор,

Н., канд. техн. наук, доцент, М., канд. техн. наук, В., магистр

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

К ВОПРОСУ О СТРУКТУРЕ И ПРИРОДЕ МЕХАНИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ ЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ

Основное и главное проявление вяжущих свойств цементной дисперсной системы – это ее способность к твердению и адгезии. Данные процессы невозможны без сближения частиц и их силового взаимодействия, контактов между частицами и агрегатами. Исключительно важное место в теории твердения цементного теста занимает вопрос о природе сил взаимодействия между структурными элементами, способствующими превращению гидратных новообразований в камневидное тело. О природе сил, связывающих частицы новообразований, у исследователей нет единого мнения. Поэтому наряду с изучением процессов гидратации важное значение приобретают исследования структурообразования дисперсных структур – носителей механических свойств системы.

Многочисленные экспериментальные данные убедительно показывают, что как в индивидуальной системе CaO-SiO2-H2O, так и в композиционных материалах, содержащих силикаты кальция или шлаковые вяжущие, или кремнеземистую составляющую в виде геля SiO2, или кварцевого песка при температурах до 2000С образуются сходные по структуре гидросиликаты кальция (ГСК). Как правило, это твердые растворы с различными областями гомогенности с выделением из них фаз с различной степенью конденсации кремнекислородного мотива и в разной степени обогащенных растворенными компонентами СaO и H2O. Области гомогенности – это области валентных насыщений. ГСК – соединения переменного состава – бертоллиды. Это означает, что механизм образования ГСК – единый. Отличия между индивидуальной системой CaO-SiO2-H2O и портландцементом в системе твердые растворы C-S-H (I), C-S-H (II), C-S-H (B) образуются в ходе схватывания и твердения более простых по структуре и менее дефектных бинарных бертоллидов CaO, SiO2, H2O. В портландцементе твердые растворы алит и белит уже получены при высоких температурах. Эти твердые растворы более дефектны, структура их насыщена атомами большого числа элементов периодической системы. Рядом исследователей установлено, что элементы Ca, Mg, Na занимают места Ca в узлах кристаллической решетки, а Fe, Al, Ti и Mn – места Si. Кристаллы твердого раствора алита имеют тригональную симметрию. Однако симметрия кристаллов алита зависит от природы и содержания примесей.

Концентрационные границы областей гомогенности твердых растворов, число фаз, степень конденсации кремнекислородных тетраэдров, степень обогащения их растворенными компонентами зависят от характера химической связи, дефектности структуры и свойств бертоллида, особенности его поверхности, что определяется исключительно условиями образования бертоллида.

Модификация ортосиликата кальция b-C2S отличается от других модификаций самой высокой степенью деформации и анизотропией внутри кристаллического окружения SiO4-групп. Ионность связи Ca-O в b-C2S достигает 85%. Это свидетельствует о существенном смещении электронной плотности на связи SiO-O, атомы кислорода цепочек –Ca–O–Si– имеют неравноценные связи – более ковалентные с атомами кремния и более ионные – с атомами кальция. Ионная связь – связь жесткая, нелабильная, недеформируемая. Ковалентная связь SiO–O, наоборот, деформируется под влиянием электрического поля адсорбируемых молекул и ионов. Особенно в напряженном состоянии находятся атомы кислорода в мостиках –Са–O–Si– . Весьма нестойкими являются и цепочечные структуры из силоксановых мостиков. При соприкосновении с молекулами воды эти мостики рвутся. При этом возможна регибридизация связей SiO–O с образованием сопряженной связи Si=O. Происходит частичное разрушение и кремнекислородного мотива, и даже основной кристаллографической ячейки силикатов – тетраэдров [SiO4]4– и кальций-кислородных полиэдров CaO6. Часть SiO44–-групп переходит в жидкую фазу. Характерной особенностью структуры трехкальциевого силиката 3CaO×SiO2 является наличие ионов кислорода, которые имеют координацию по кальцию, равную 6. Этот мотив является остатком решетки оксида кальция, внедрившимся в решетку b-C2S. Оксид кальция в С3S как бы сохранил свою структуру, но в сильно искаженном виде. Деформация решетки СаО вызывает напряжение в триклинной кристаллической решетке минерала алита. Наличие примесных атомов в решетке С3S повышает ее деформируемость и напряженность.

Атомы кальция как в минерале алите, так и в минерале белите находятся в нескольких неустойчивых валентных состояниях. Поэтому адсорбционными центрами на поверхности этих минералов являются не только атомы кремния и кислорода, но и атомы кальция, и другие атомы. При замешивании с водой полярные молекулы воды атакуют кислотные и основные центры этих минералов. Происходит расслабление и разрыв химических связей. Происходит и диссоциация воды с образованием активных частиц – свободных атомов водорода и свободных радикалов , а также ионов Н+ и ОН–. Реакция диссоциации воды является базисной экзотермической реакцией, питающей энергией все процессы. Взаимодействие минералов алита и белита с водой протекает по схеме [1].