Лабораторная работа №4
Изучение процесса твердения и свойств цементного камня
Цель работы: изучить влияние состава и времени твердения цементного камня на изменение степени гидратации и пористости.
Теоретическая часть
Степенью гидратации цемента называют отношение массы прореагировавшей с водой части цемента к массе исходного цемента.
Степень гидратации и концентрации новообразований отражает количественную сторону процесса взаимодействия, вяжущего с водой.
Химически связанная вода, не удаляемая при высушивании материала при 105єС достигает 10 ... 15 % массы цемента через месяц твердения при 15 ... 20єС. При этом чем больше исходное В/Ц отношение и чем выше дисперсность цемента, тем больше количество связанной воды.
При затворении цемента водой образуется пластичной тесто, представляющее собой смеси клинкерных частичек, воды и небольшого количества вовлеченного воздуха. В результате твердения цементное тесто превращается в прочный цементный камень, являющийся трехфазной системой (твердая фаза - вода - воздух) и характеризующейся капиллярнопористым строением.
Цементный камень включает:
- непрореагировавшую часть клинкерных зерен, содержание которой с течением времени уменьшается;
- гель, состоящий из частичек новобразований;
- относительно крупные кристаллы новообразований, не обладающие свойствами коллоидов;
- капиллярные поры диаметром 0,1 ... 20 мкм;
- сферические воздушные поры 50 ... 100 мкм до 2 мм.
Объемы непрореагировавшего цемента, гелевых и капиллярных пор в значительной степени изменяются во времени твердения цемента. Так, зерна цемента до 5 мкм почти полностью гидратируются в течение 1 ... 3 сут, а через месяц полная гидратация наступает и у частичек до 10 мкм. При этом возрастает объем геля и гелевых пор.
С увеличением продолжительности твердения цемента объем капиллярных пор уменьшается, так как они заполняются гидратными новообразованиями.
В зависимости от количества введенной в тесто воды и времени твердения объем капиллярных пор колеблется от 0 до 40 % и более.
Таким образом, цементный камень характеризуется сложной тонкопористой структурой, оказывающей влияние на прочность, проницаемость, стойкость против агрессивных сред и т. д.
Материалы и оборудование:
- цилиндры мерные;
- цемент;
- встряхивающий столик Скрамтаева;
- замесные сферические чашки;
- форма для образцов 4х4х16 см;
- весы технические;
- лопатки;
- емкость для воды.
Порядок выполнение работы
Лабораторная работа состоит из трех частей:
1. Приготовление смесей и изготовление образцов.
2. Испытание образцов в 7 и 28-суточном возрасте.
3. Определение степени гидратации и расчет объема пор.
1. Приготовление смесей и изготовление образцов
Каждая бригада работает со смесями двух составов. В/Ц смесей задается преподавателем в диапазоне 0,25 ... 0,45. Количество цемента и воды для замеса рассчитывают по заданному В/Ц при помощи уравнения абсолютных объемов, чтобы смеси хватило на изготовление 6 балочек размером 4х4х16 см:
Vт = В + Ц/сц,
где В - вода, см3; Ц - цемент, г; сц - плотность цемента, сц = 3,1 г/см3.
Строго отмеренное количество цемента затворяют необходимым количеством воды, тщательно смешивают вручную не менее 5 мин. Оценивают подвижность цементного теста по расплыву на встряхивающем столике.
В/Ц1=0,25 – диаметр расплыва теста 100 мм.
В/Ц2=0,35 – диаметр расплыва теста 160 мм.
В/Ц3=0,45 – диаметр расплыва теста 300 мм.
При низких В/Ц балочки формуют на виброплощадке, при высоких В/Ц - легким встряхиванием формы, заполненной смесью.
Распалубку балочек производят в суточном возрасте и помещают в воду, где они твердеют до испытаний.
2. Испытание образцов в 7 и 28-суточном возрасте
Испытывают по 2 образца каждого состава в 7 и 28-суточном возрасте на изгиб и сжатие.
Результаты испытания записаны в таблице 1.
Таблица 1 – Результаты испытания образцов
В/Ц | 7 суток | 28 суток | ||
Rизг, МПа | Rсж, МПа | Rизг, МПа | Rсж, МПа | |
0,25 | 9,5 | 65/62 | 12,13 | 94/82,8 |
0,35 | 9 | 54,8/54,4 | 11,42 | 62,4/60 |
0,45 | 7,5 | 35,2/28,4 | 10,64 | 54,4/49,2 |
От разрушенных образцов отбирается проба для определения степени гидратации.
Оставшиеся балочки взвешивают, а затем подвергают высушиванию для определения пористости цементного камня. Наиболее простой способ основан на допущении, что в образце все поры насыщены водой, поэтому объем воды, удаленной из образца при сушке, равен объему пор в нем. Согласно этому методу водонасыщенный образец взвешивают и подвергают высушиванию до постоянной массы. Пористость высчитывают по формуле:
П = (mнас - mсух) / Vест = mводы / Vест,
где mнас - масса влажного образца, г; mсух - масса высушенного образца, г; mводы - масса удаленной воды, г; Vест - естественный объем образца, см3.
П0,25 = (555,7 - 506,35) / 256 = 0,19
П0,35 = (510,7 - 445,95) / 256 = 0,25
П0,45 = (476,25 – 390,15) / 256 = 0,34
Результаты испытания на пористость занесены в таблицу 2.
Таблица 2 – Результаты испытания образцов на пористость
В/Ц | mнас, г | mсух, г | Vест, см3 | П |
0,25 | 555,7 | 506,35 | 256 | 0,19 |
0,35 | 510,7 | 445,95 | 0,25 | |
0,45 | 476,25 | 390,15 | 1,22 |
3. Определение степени гидратации и расчет объема пор
Из образцов, подвергнутых испытанию на просность отбирают пробу 5 г, измельчают, просеивают (сито 0,08) и навеску (3 ... 4 г) подвергают сушке до постоянной массы при температуре 150єС.
Чтобы уменьшить дальнейшую гидратацию и карбонизацию при сушке, в сушильное пространство вдувается воздух, очищенный от углекислоты (натронная известь) и влаги (серная кислота). Высушенную навеску цемента весом 2 г помещают в фарфоровый тигель и прокаливают при температуре 1000єС, при этом удаляется химически связанная вода, процентное содержание которой определяют по формуле:
Вхсв = (Мсух - Мпрок) / Мпрок,
где Мсух - масса навески, высушенной при 150єС, г; Мпрок - масса навески после прокаливания при 1000є, г.
Вхсв 0,25 = (2 – 1,85) / 1,85 = 0,08
Вхсв 0,35 = (2 – 1,8) / 1,8 = 0,11
Вхсв 0,45 = (2 – 1,45) / 1,45 = 0,38
Пористость цементного камня может быть приближенно оценена по количеству испаряемой воды. Общий объем пор в цементном камне, отнесенный к 1 г цемента (Пц. к.), описывается уравнением:
Пц. к. = В/Ц - 0,23б,
Пц. к 0,25 = 0,25 - 0,23*0,15 = 0,22
Пц. к.0,35 = 0,35 - 0,23*0,2 = 0,3
Пц. к.0,45 = 0,45 - 0,23*0,55 = 0,32
где б - часть прогидратированного цемента или степень его гидратации.
Формула получена из предположения, обоснованного эмпирически, что при полной гидратации 1 г цемента химически связывает приблизительно 0,23 г воды.
Можно рассчитать, что по отношению к единице объема цементного камня объем его порового пространства равен:
П0 = сц * ((В/Ц - 0,23б) / 1 + сц * В/Ц)),
П0 0,25 = 3,1 * 0,22 / (1 + 3,1 * 0,25) = 0,38
П0 0,35 = 3,1 * 0,3 / (1 + 3,1 * 0,35) = 0,45
П0 0,45 = 3,1 * 0,32 / (1 + 3,1 * 0,45) = 0,41
где сц - плотность цемента, сц = 3,1 г/см3.
Объем пор геля (Пг) т. е. пространство между частицами гидратированного цемента:
Пг = 0,19 * б * сц / (1 + сц * В/Ц).
Пг 0,25 = 0,19 * 0,15 * 3,1 / (1 + 3,1 * 0,25) = 0,05
Пг 0,35 = 0,19 * 0,2 * 3,1 / (1 + 3,1 * 0,35) = 0,06
Пг 0,45 = 0,19 * 0,55 * 3,1 / (1 + 3,1 * 0,45) = 0,14
Капиллярная пористость цементного камня:
Пк = П0 - Пг.
Пк 0,25 = 0,38 – 0,05 = 0,33
Пк 0,35 = 0,45 – 0,06 = 0,39
Пк 0,45 = 0,41 – 0,14 = 0,27
Взаимодействие цемента с водой сопровождается контракцией - уменьшением объема системы цемент-вода по сравнению с объемом исходных материалов. Контракцию выражают обычно в миллиметрах на 100 г цемента. Контракция цементов составляет в среднем 5 ... 7 мл на 100 г на величину контракции влияют минералогический состав цемента, тонкость помола и В/Ц. При увеличении В/Ц от 0,25 до 0,8 величина контракции увеличивается в два раза.
Поскольку контракция идет интенсивно, когда цементный камень приобретает определенную прочность, увеличивается пористость, при этом внешний объем цементного камня не изменяется. При твердении цементного камня в условиях, исключающих испарение воды из пор или поглощение, контракционный объем может быть подсчитан по формуле:
П к. н. = (0,06 ... 0,09) б / (В/Ц + 0,32 ).
П к. н. 0,25 = 0,06 * 0,15 / (0,25 + 0,32) = 0,016
П к. н. 0,35 = 0,06 * 0,2 / (0,35 + 0,32) = 0,018
П к. н. 0,45 = 0,06 * 0,55 / (0,45 + 0,32) = 0,043
Пользуясь приведенными выше формулами, студенты для заданных В/Ц и определенной экспериментально степени гидратации приводят расчеты объемов, составляющих затвердевшего цементного камня. Результаты расчетов сводят в таблицу (форма табл. 3).
Таблица 3 - Состав цементного камня
В/Ц | Степень гидратации | Объем цементного камня | Объем составляющих, % | Общий объем пор, % | Объем контракции, % | |||
Негидратированный цемент | Гель с порами | Гелевые поры | Капиллярные поры | |||||
0,25 | 0,15 | 256 | 8 | 38 | 5 | 33 | 22 | 1,6 |
0,35 | 0,2 | 256 | 11 | 45 | 6 | 39 | 30 | 1,8 |
0,45 | 0,55 | 256 | 38 | 41 | 14 | 27 | 32 | 4,3 |
На основании полученных данных построили следующие зависимости:
Рисунок 1 - График зависимости подвижности цементного теста от его состава
Рисунок 2 - График зависимости пористости цементного камня от его состава
Рисунок 3 - График зависимости прочности цементного камня от его состава и времени твердения
Рисунок 4 - График зависимости прочности цементного камня от его пористости
Рисунок 5 - График зависимости пористости от гидратации
Вывод: в ходе лабораторной работы мы выяснили что чем больше в/ц тем больше пористость и меньше прочность. Так же чем больше время твердения, тем больше прочность цементного камня. При увеличении пористость, степень гидратации цемента.
