13Влияние минералогического состава клинкера на свойства портландцемента. Влияние состава портландцементного клинкера

Самонапряжение в цементном камне возникает в результате наложения двух процессов: расширения за счет образования эттриигита и упрочнения в результате гидратации силикатов и алюминатов кальция. Следовательно, при прочих равных условиях, чем выше прочность гидратационной структуры твердения, тем больше возможность обеспечения самонапряжения в бетоне без специальных мер по ограничению деформации расширения изделий.

Технологические факторы, оказывающие влияние на прочность цементного камня, известны. Среди многочисленных факторов, влияющих на свойства цемента, большое значение имеет фазовый состав клинкера.

Высокая прочность цементного камня обусловлена наличием C3S в клинкере, а в начальные сроки — быстрогидратирующихся минералов C3S и С3А.

В то же время СзА приводит к образованию эттриигита при гидратации цемента и, как следствие, увеличению расширения цементного камня. Данные по совместному влиянию C3S и СзА в портландцементном клинкере на свойства расширяющихся цементов приведены в табл. 3.1.

Увеличение количества СзА при высоком содержании C3S приводит к повышению самонапряжения, а при низкой прочности цемента, вызванной малым содержанием алита,— к большому расширению и даже разрушению цементного камня.

При малом количестве СзА в клинкере требуется повышенная добавка к цементу расширяющегося компонента, чтобы обеспечить заданную величину самонапряжения цементного камня.

Для повышения самоиапряжения можно использовать известь. Однако, добавка ее при помоле цемента в заводских условиях нетехнологичная операция. Гигроскопичность и комкование извести затрудняют ее подачу, обусловливают налипание на бронеплиты и мелющие тела мельниц, что ухудшает процесс помола цемента. В связи с этим были исследованы свойства НЦ на основе клинкера с повышенным количеством несвязанного оксида кальция.

Оптимальный минералогический состав портландцементного клинкера для получения расширяющихся и напрягающих цементов характеризуется содержанием 55—65% C3S и 7—10% СзА. Допускаемое количество СаОСВОб. в клинкере — 2%.

ВЛИЯНИЕ тонкости ПОМОЛА. Увеличение тонкости помола портландцемента при постоянной степени измельчения глиноземистого компонента сопровождается увеличением прочности НЦ и снижением расширения. Так, с повышением удельной поверхности портландцемента от 250 до 450 м2/кг при постоянной величине 5уд = 250 м2/кг глиноземистого компонента прочность цементного камня увеличивается с 5 до 40 МПа, а расширение снижается с 1,15 до 0,1%. Такая закономерность в изменении свойств НЦ характерна для всех композиций цемента на основе глиноземистого компонента различной дисперсности (5уД = 250, 350 и 450 м2/кг). Полученные результаты объясняются тем, что при низкой удельной поверхности порт-ландцементной составляющей, вследствие медленной ее гидратации в первые сроки твердения, цементный камень имеет низкую прочность, а растягивающие усилия, возникающие при образовании эттрингита, обеспечивают большое расширение.

При повышении тонкости помола цемента скорость его гидратации возрастает за счет увеличения реагирующей поверхности частиц и их активации. Более высокая гидратациониая активность мелких частиц обеспечивает ускорение формирования структуры цементного камня, поэтому увеличение тонкости помола портландцементной составляющей НЦ от 250 до 450 м2/кг при грубом измельчении глиноземистого компонента (5уд=250 м2/кг) обусловливает непрерывное повышение и прочности, и самонапряжения цементного камня, а при неизменной дисперсности портландцементной составляющей (5уд = 250 м2/кг) — повышение самонапряжения. В случае одновременного увеличения степени измельчения обоих компонентов НЦ самонапряжение цементного камня изменяется по экспоненциальному закону, экстремальное его значение достигает 350 м2/кг. В наших опытах при разной дисперсности компонентов максимальная величина самонапряжения цементного камня была достигнута при сочетании портландцемента, характеризующегося удельной поверхностью 5уд=450 м2/кг, и глиноземистого шлака, размолотого до 5уд=250 м2/кг.

При грубом помоле глиноземистого компонента образование эттрингита в результате взаимодействия алюминатов и гидроалюминатов кальция происходит постепенно в период приобретения тонко размолотой портландцементной составляющей повышенной прочности за счет быстрой гидратации. Формирование эттрингита в этих условиях приводит к повышению самонапряжения цементного камня. В связи с неодинаковой размолоспособностыо материалов совместный помол клинкера, шлака и гипса обусловливает их различную дисперсность. Цемент одностадийного помола в целом характеризуется более грубым зерновым составом по сравнению с цементом двухстадийного измельчения. При одинаковой удельной поверхности (5уд = 450 м2/кг) цемент пробы 1 (табл. 3.3) имеет большую массу остатка на сите № 008 и меньшую долю мелких фракций в сравнении с соответствующими долями тех же частиц в цементе пробы.

Отдельные фракции вышеуказанных цементов имеют различный состав (табл. 3.4), что свидетельствует о неравномерном распределении в них компонентов НЦ. При одностадийном помоле количество портландцемента в мелких фракциях увеличивается, а глиноземистого компонента уменьшается. Содержание последнего во фракции более 80 мкм почти в 2 раза превышает его количество во фракции с размером зерен менее 40 мкм. Количество гипса во фракциях цемента увеличивается по мере уменьшения размера их частиц. При двухстадийном помоле компоненты НЦ распределяются по фракциям практически равномерно. Грубое измельчение глиноземистого компонента НЦ одностадийного помола приводит к большому расширению цементного камня. При двухстадийном измельчении глиноземистый шлак размалывается более тонко, в этом случае большее количество алюминатов вступает в реакцию взаимодействия с гипсом. Поскольку количества гипса в НЦ недостаточно для связывания в эттрингит всех алюминатов кальция, то часть из них, гидратируясь, обеспечивает упрочнение цементного камня.

Цемент, полученный смешиванием раздельно измельченных компонентов, характеризуется самыми низкими показателями из всех испытанных НЦ. При его гидратации прочность цементного камня через 28 сут твердения составляет 42,5 МПа, а самонапряжение—2 МПа. Цементы одно- и двухстадийного помола, имеющие удельную поверхность 4500 см2/г, в этих же условиях показывают прочность, соответственно, 49,5 и 52,5 МПа, самонапряжение — 3 и 4,2 МПа. Для получения НЦ с повышенным самонапряжением необходимо обеспечить увеличение содержания в цементе частиц с размером менее 60 мкм и особенно количества частиц мельче 20 мкм. Оптимальная величина дисперсности НЦ, зависящая от соотношения компонентов, их гидратационной активности, способа измельчения, должна определяться применительно к условиям производства конкретного