Влияние колебаний в характеристиках цемента на его водоотделение

РЕФЕРАТ. Цель данного исследования — установить связь между свойствами цемента и водоотделением цементного теста. Было испытано 19 образцов цемента, отобранных из разных партий: исследовали гранулометрию, удельную поверхность, проч ность, содержание щелочей, содержание модификаций С₃А, сроки схватывания и водоотделение. Склонность к водоотделению определяли для всех образцов цемента на трех видах цементного теста: контрольного состава и двух составов с суперпластификаторами разных производителей. Результаты указывают на некоторую связь между удельной поверхностью и тенденцией к водоотделению. Чем ниже удельная поверхность, тем выше склонность к выделению воды. При этом содержание щелочей, по­видимому, оказывает небольшое влияние (более высокое содержание щелочей способствует водоотделению). Полученные результаты не являются окончательными; требуется дальнейшее исследование различных факторов, таких как содержание серы и вид гипса, добавляемого при помоле клинкера.

Ключевые слова: водоотделение, удельная поверхность, прочность.

Keywords: bleeding, specific surface, strength.

1. Введение

Цемент является одним из наиболее широко используемых вяжущих в строительных материалах во всем мире. В ЕС цемент должен соответствовать требованиям стандарта EN‑197 и испытывается в соответ­ствии с EN‑196. Этот стандарт предписывает кон­тролировать прочность, показатели химического состава, время схватывания, тонкость помола, теплоту гидратации и количество водорастворимого хрома. Если все эти парамет­ры находятся в допустимых пределах, цемент должен обеспечивать стабильные параметры бетонной смеси. Тем не менее иногда существуют отклонения от ее требуемых характеристик, даже если состав смесей постоя­нен: несоответствующая удобоукладывае­мость, наличие признаков водоотделения.

Водоотделение — ​это явление, при котором вода в свежеприготовленной композиции на основе цемента выходит на поверх­ность, в то время как твердые компоненты подвергаются уплотнению [1]. Водоотделение влияет на качество свежеуложенного бетона и долговечность после его затвердевания [2]. Вода перемещается через каналы и поры, ведущие к поверхности изделия [3]. Известно, что бетоны с меньшей склонностью к такому явлению имеют более прочную поверхность [4].

Бетонные смеси с высоким содержанием цемента имеют пониженное водоотделение [5]; с увеличением дисперсности цемента его интенсивность сокращается. Высокое содержание С₃А способствует снижению водоотделения [6].

Тема данного исследования была предложена производителем бетона, у которого возникли проблемы, обусловленные нестабильностью поведения бетонной смеси на объекте. Даже при одинаковом составе бетонные смеси, в которых использовались цементы из разных партий, вели себя по-разному, причем иногда наблюдались признаки водоотделения. При содействии производителя цемента на цементном заводе были отобраны 19 проб цемента из идущих подряд партий. Определяли гранулометрический состав образцов, содержание в них щелочей, а также С₃А и его модификаций, сроки схватывания, прочность и склонность к водоотделению.

2. Материалы и методы

Склонность к водоотделению исследовали на трех видах цементного теста для всех образцов цемента: контрольном цемент­ном тесте, тесте с суперпластификатором Dynamon SX 14 (Mapei) и тесте с суперпластификатором Stachement 2489 (Stachema).

Испытания проводились в лабораторном помещении при температуре около 22 °C.

2.1. Испытывавшиеся цементы. С сентября по ноябрь 2017 года было отобрано 19 проб цемента CEM I 42.5 R из следующих друг за другом партий. Содержание С₃А и щелочей в цементе показано в табл. 1. Общее содержание С₃А находится в пределах 5,0—6,5 %, а соотношение между кубической и ромбической модификациями (R_{куб/ромб}) изменяется от 0,6 до 1,8. На рис. 1 видно, что чем выше содержание щелочей, тем ниже R_{куб/ромб}.

Рис. 1. Зависимость между соотношением модификаций С₃А и содержанием щелочей

3. Результаты и обсуждение

3.1. Гранулометрия и удельная поверх­ность. Гранулометрический состав цемента определяли на лазерном анализаторе размера частиц Mastersizer 2000. Результаты анализа приведены на рис. 2, значения среднего размера частиц — ​на рис. 3. Удельную поверх­ность определяли автоматическим анализатором согласно ČSN EN 196-6 (методом Блейна). Гранулометрический состав цементов достаточно стабилен (см. рис. 2), хотя средний размер частиц варьируется в диапазоне 23—27 мкм (см. рис. 3). Удельная поверх­ность находится в пределах 3400—3820 см²/г (рис. 4).

Рис. 2. Гранулометрический состав цемента CEM I 42.5 R в сентябре (а), октябре (б) и ноябре (в) 2017 года

Рис. 3. Средний размер частиц цемента CEM I 42.5 R

Рис. 4. Удельная площадь поверхности цемента CEM I 42.5 R

3.2. Сроки схватывания и прочность. Сроки схватывания определяли согласно ČSN EN 196-3, прочность при изгибе и сжатии — ​согласно ČSN EN 196-1. Результаты представлены в табл. 2. Полученные значения прочности при сжатии образцов в возрасте 28 сут находятся в диапазоне 56,6—60,7 МПа; таким образом, цементы соответствуют своему классу прочности. Время схватывания изменяется в диапазоне 191—251 мин.

3.3. Водоотделение. Этот показатель определяли на образцах цементного теста (табл. 3). Цемент засыпали в воду и начинали отсчет времени. Цементное тесто перемешивали пластиковым шпателем в течение 1 мин. Перемешанную пасту помещали в стеклянный цилиндр объемом 500 мл и отмечали верхнюю границу. Через 15 и 90 мин определяли уровень отделившейся воды. Через 90 мин отбирали воду пипеткой (при этом захватывалось небольшое количество цемента). После высушивания устанавливали реальное количество отделившейся воды и рассчитывали отношение ее массы к массе цементного теста.

Объем воды, отделенной за 15 мин, составил около 7 мл в образцах без суперпластификатора и около 3 мл — ​в образцах с его добавлением. Разница более заметна через 90 мин (рис. 5): если в образцах без суперпластификатора содержалось до 80 мл отделенной воды, то в образцах с пластификатором — ​менее 23 мл. Видно, что количество отделяемой воды варьируется в достаточно широких пределах, но в присутствии суперпластификатора эти пределы более узкие. Конечно, этот факт обусловлен снижением водоцементного отношения. Тем не менее его можно использовать с целью повлиять на водоотделение.

Рис. 5. Объем отделенной воды в образцах цементного теста через 90 мин

Влияние характеристик цемента на водоотделение бездобавочного теста через 90 мин показано на рис. 6—11.

Рис. 6. Зависимость между содержанием C₃A и объемом отделенной воды

Рис. 7. Зависимость между содержанием кубической модификации C₃A и объемом отделенной воды

Рис. 8. Зависимость между соотношением модификаций C₃A и объемом отделенной воды

Рис. 9. Зависимость между удельной площадью поверхности цемента и объемом отделенной воды

Рис. 10. Зависимость между средним размером частиц и объе­мом отделенной воды

Рис. 11. Зависимость между содержанием щелочей и объемом отделенной воды

Как видно из рис. 6, общее содержание С₃А на самом деле не является тем парамет­ром, от которого зависит склонность цемент­ного теста к водоотделению. То же сле­дует из рис. 8, где сравнивается содержание С₃А в кубической модификации с количе­ством выделившейся воды; в случае образцов 1785—1905 видна зависимость между этими величинами: с увеличением содержания кубической модификации C₃A возрастает водоотделение. На рис. 7 показана зависимость количества выделившейся воды от R_{куб/ромб}, с ростом которого увеличивается склонность к водоотделению. Эти результаты не согласуются с предположением, что повышенное содержание ромбической модификации C₃A должно способствовать водоотделению.

Данные рис. 10 показывают, что чем выше удельная поверхность цемента, тем ниже склонность к водоотделению. С увеличением содержания щелочей склонность к водоотделению возрастает (рис. 11).

4. Заключение

Основное влияние на склонность цемента к водоотделению оказывает удельная поверх­ность (средний размер частиц). С увеличением последней склонность к водоотделению снижается. Отчасти влияние имеет и соотношение между кубическим и ромбическим С₃А. Более высокое содержание ромбического C₃A способствует водоотделению.

Использование суперпластификатора поз­воляет снизить склонность к водоотделению вследствие уменьшения В/Ц.

Исследование будет продолжено с учетом содержания серы в цементе и типа сульфатного компонента, добавляемого при помоле клинкера.

Благодарность

Это исследование было поддержано проек­том MPO FV20019, финансируемым Министерством промышленности и торговли Чехии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Powers T.C. The properties of fresh concrete. New York: J. Wiley&Sons, 1968.

2. Yim H.J., Kim J.H., Kwak H.-G. Cement and Concrete Res. 2014. Vol. 57. P. 61—69.

3. Neville A.M. Properties of concrete Essek: Longman, 1981.

4. Arslan M. Magazine of ZKU Karabuk TEF. 2000. P. 59—65.

5. Ozkul M.H., Oztekin E. Proc. 3th National Concrete Congress. Instanbul: the Turkish Chamber of Civil Engineering, 1994. P. 163—174.

6. Topcu I.B., Elgun V.B. Influence of concrete properties on bleeding and evaporation // Cement and Concrete Res. 2004. Vol. 34. P. 275—281.