Самый популярный в мире строительный материал, цемент, обладает многими качествами, которые сделали его применимым, практически, во всех областях строительства. Однако, для того, чтобы получить максимальный эффект от его применения, нужно понимать его основные свойства и характеристики.
Строительный портал — публикует продолжение бестселлера на тему «Правильный выбор цемента: полное руководство»
Свойства и характеристики цемента
Итак, цемент — это искусственно произведённое, минеральное вяжущее вещество, которое после затворения водой превращается в пластичную массу, способную впоследствии затвердевать и образовывать камень. От других известных вяжущих цемент отличается тем, что может схватываться и набирать прочность в условиях влажности. Он, главным образом, используется для приготовления растворов и бетонов. Чтобы научиться грамотно пользоваться этим уникальным вяжущим, необходимо изучить его основные свойства, понять процессы, происходящие в цементных растворах и бетонах.
Гидратация
Цемент является гидравлическим вяжущим веществом, то есть для того, чтобы получить камнеподобное тело, порошок необходимо затворить водой. После добавления воды начинается необратимый, но вполне управляемый процесс.
Молекулы воды присоединяются к молекулам минералов, входящих в состав цемента — порошок растворяется — получается пластичная масса — начинается химическая реакция. Явление образования соединений воды с растворённым материалом как раз и называется гидратацией.
Продукты реакции (именно они отвечают за прочность будущего изделия) постепенно насыщают раствор, после чего растворение прекращается, и цементное тесто теряет свою подвижность, превращается в студень — схватывается. Схватывание происходит в первые часы после замешивания раствора. Срок начала этого процесса (коллоидация) и его длительность во многом зависит от температурного режима, количества воды, тонкости помола порошка (чем мельче — тем быстрее происходит схватывание), состава цемента (без гипсового камня подвижность теряется мгновенно).
Отсрочить, растянуть процесс схватывания возможно перемешиванием ещё подвижной массы, на этом основана работа автомобилей-миксеров, доставляющих бетон. Однако бесконечно поддерживать пластичность раствора не удастся, в определённый момент масса начнёт терять свои полезные свойства. Рекомендуется заранее испытывать цемент, чтобы понять фактические сроки его схватывания, если необходимо их скорректировать, можно воспользоваться специальными добавками.
Иногда цемент схватывается буквально через несколько секунд после затворения водой, при этом выделяется большое количество тепла. Данное явление называется ложным схватыванием, раствор можно «оживить» перемешиванием. Ложное схватывание для цемента является негативным свойством, такое вяжущее отбраковывается, в крайнем случае, производитель обязан указать его при отгрузке.
После потери подвижности раствора, растворённые частицы цемента начинают кристаллизироваться, расти, переплетаться, сращиваться в цементный камень. Процесс твердения происходит нелинейно — в первую неделю масса быстро набирает прочность, потом кристаллизация замедляется.
Это происходит из-за того, что различные минералы (есть четыре основных) вступают в заключительную фазу реакции по истечении различного периода времени. Полное затвердевание может длиться годами, но проектная марка прочности изделий достигается в течение 28 дней, распалубка при благоприятном температурно-влажностном режиме возможна уже через 3–5 дней.
Цемент и температура
Температура оказывает серьёзное влияние на процессы схватывания и твердения цементного камня. Чем выше температура воздуха, тем быстрее можно получить изделие заданной прочности. Например, через два часа после приготовления раствора схватывание начнётся, ещё через час — прекратится. Это при нормальной температуре воздуха в 20 градусов, тогда как при более низких её показателях подвижность может сохраняться намного дольше (при нуле градусов — до 20 часов). Конечно, есть прямая зависимость между температурным режимом и стадией твердения раствора/бетона, но это – тема отдельного разговора
Так, при показателях градусника ниже нуля этот процесс практически останавливается, а вот при искусственном повышении температуры можно очень быстро довести изделие до проектной марки. На этом основана технология пропарки железобетонных изделий при температуре в 80–90 градусов, которые за 10–12 часов набирают 60–70 процентов прочности, могут выниматься из форм и отгружаться. На ускорение нарастания прочности работают и системы электропрогрева.
Отдельно, необходимо отметить, что в процессе гидратации цемента выделяется энное количество тепла. В нормальных условиях это явление обязательно контролируют, так как в массивных монолитах наружные слои бетона остывают быстрее, а внутренние — медленнее, из-за чего могут возникать термические напряжения, приводящие к образованию трещин. Зимой активное тепловыделение является несомненным плюсом, так как температура уложенного бетона дольше поддерживается на высоком уровне (нужно лишь утеплить рабочую зону), и прочность продолжает нарастать. Количество выделяемого тепла зависит от тонкости помола и минералогического состава цемента, отрегулировать тепловыделение можно либо подбором конкретного типа цемента, либо применяя минеральные добавки.
Цемент и вода
Влага для гидратации необходима. Но на самом деле водопотребность цемента сравнительно небольшая, одной части воды к пяти-шести частям цемента вполне достаточно, чтобы это вяжущее превратилось в тесто и начало твердеть. Однако растворы с таким водоцементным соотношением (В/Ц) являются малоподвижными, имеют малую удобоукладываемость, поэтому на практике применяют пропорцию близкую к 1:2 — воды вдвое меньше цемента.
Больший показатель В/Ц влечёт к образованию в цементном камне излишнего количества воздушных пор (лишняя вода со временем испарится), что существенно снижает прочность готового изделия, марку раствора/бетона. Уменьшить количество воды, но при этом сохранить нормальную густоту цементного теста (НГЦТ), можно добавлением в смесь поверхностно-активных добавок, что даёт возможность сократить расход цемента и повысить прочность и долговечность бетона. Введением в состав раствора пуццолановых добавок, и применяя более тонкий помол порошка, удаётся увеличить водопотребность цемента.
Через 3–5 часов под действием гравитации тяжёлые частицы цементного раствора оседают, а на поверхность поднимается слой воды. Это, — так называемый, эффект расслоения, который проявляется при использовании большого количества лишней влаги. Расслоение нарушает целостность бетонного массива с уменьшением его прочности, тем более при многослойной заливке. Процесс расслоения имеет место и внутри массы, когда вода скапливается под нитками арматуры и частицами крупного заполнителя, естественно, с разрушением необходимых связей. Расслоение раствора сильно ухудшает его удобоукладываемость.
Заметим, что умеренное водоотделение считается нормальным свойством для большинства цементов (особенно в бетонах), его интенсивность напрямую зависит от характеристик сырья, на котором работает производитель. Однако, если процент водоотделения при нормальном В/Ц существенно превышает 15-процентный барьер (по отношению к цементному тесту), то это обстоятельство может являться признаком цемента низкого качества.
Высокая водоудерживающая способность (по сути это увеличенная водопотребность) цемента считается плюсом, так как бетон из него получается более однородным с хорошим сцеплением цементного камня с арматурой и щебнем.
Водопотребность и водоотделение конкретных цементов может разниться, поэтому, выбирая оптимальное водоцементное соотношение, следует руководствоваться не только требованиями к подвижности растворов и прочности изделий, но и изучить свойства вяжущего вещества. Для оценки водоудерживающей способности цемента и водоотделения рекомендуется произвести пробную заливку. Корректируются эти показатели введением специальных добавок.
Изменение объёма
При образовании цементного камня, в монолите можно наблюдать объёмные деформации — масса со временем усаживается. Особенно явно этот процесс протекает в случае сильного тепловыделения. Если усадка происходит слишком сильно, то избыточное внутреннее напряжение в бетоне может стать причиной его разрушения. В соответствие с новыми ГОСТами производители цемента должны в лабораторных условиях проверять равномерность деформаций, по нормам они не должны превышать порог в 10 мм.
Активность и прочность
Прочность — это важнейшая характеристика цемента, от которой зависит прочность и долговечность бетона. Поэтому выбор цемента только по марке или классу является вполне объяснимым явлением. Для определения прочности исследуют созревший до необходимого уровня (28 дней или пропаренный) образец изделия — балку размером 40x40x160 мм, изготовленную из цементно-песчаного раствора пропорции 1:3. Суть измерения заключается в определении предельных нагрузок (исчисляются в МПа), при которых наступает разрушение. По результатам исследований цемент относят к определённой марке или классу прочности, о них мы будем говорить далее.
Есть одно, более корректное понятие, лучше определяющее прочностные свойства цемента — это его активность. Учитывая, что максимальная прочность бетоном набирается вовсе не 28 суток, а значительно дольше, то лучшую марку, более высокий класс к данному моменту покажет более активный цемент, который успел нарастить большую прочность и позволит раньше снять опалубку и продолжить строительные работы. Активность цемента напрямую зависит от его состава и тонкости помола, а если говорить о «сторонних» факторах — то от температуры окружающего воздуха и от водоцементного соотношения.
При длительном хранении, активность цемента существенно снижается, причиной тому атмосферная влага, которая впитывается порошком. Именно поэтому на цемент устанавливается срок хранения в 60 дней. Его ещё можно использовать и по истечении этого времени, но фактическая марка уже не будет соответствовать заявленной — потребуется увеличивать его содержание в растворе.
Тонкость помола
Мы много раз уже упомянули данную характеристику цемента, пожалуй, стоит сказать о ней отдельно. Цемент тонкого помола активнее вступает в процесс гидратации, так как взаимодействие с водой начинается с поверхности частиц, суммарная площадь которой будет значительно больше, чем у цемента грубомолотого. Тонкомолотый цемент характеризуется меньшим водоотделением, он быстрее набирает прочность (то есть является более активным и прочным), обеспечивает лучшую удобоукладываемость.
К некоторым недостаткам тонкого помола стоит отнести склонность к усадкам и быстрой потере активности при ненадлежащем хранении. Учитывая все «за» и «против», во многих странах выработаны стандарты по толщине зерна и обозначены минимально допустимые значения. Сейчас тонкость помола измеряют в суммарной площади поверхности зёрен (см2) на один грамм цемента — норматив для портландцемента составляет 2250 см2/г, для быстротвердеющего цемента — не менее 3250 см2/г.
Плотность, удельный вес
Несмотря на высокий теоретический удельный вес цемента (3000–3200 кг/м3), на практике его плотность намного ниже, и может меняться. Всё дело — в межзерновой пустотности — воздух заполняет промежутки между частицами цемента, особенно если порошок наэлектризован после пневматической выгрузки. Фактическая плотность свежего цемента составляет около 1100–1200 кг/м3, а вот после хранения и транспортировки она составит где-то 1500 кг/м3 и более. Влияет на удельный вес цемента не только его состояние, но тонкость или грубость помола.
Очевидно, что для приготовления бетона/раствора цемент необходимо взвешивать и дозировать только в массовом соотношении, как, впрочем, и воду, и все заполнители.
