Роль воды в твердении портландцемента

Вода – один из важнейших компонентов, участвующих в электрохимическом гидратационном процессе, формировании и упрочнении цементного камня и бетонов. Для полного протекания химического процесса необходимо около 20…25 % воды от массы цемента. На практике для получения необходимой удобоукладываемости бетонной смеси содержание воды увеличивают в два, три и более раз, что оказывает значительное влияние на ход процесса и конечный результат. При этом считается, что количество воды затворения влияет на «сроки схватывания» цемента – при увеличении расхода воды «начало» и «конец схватывания» цементного состава отодвигается во времени и наоборот

Здесь необходимы некоторые уточнения:

1) прежде всего, следует определиться, какие свойства и явления, приводящие к прогрессирующей потере пластичности цементных составов, могут быть отнесены к «схватыванию» вяжущего, а какие не должны ассоциироваться с этим понятием. Загустевание цементных систем вызываются химическим взаимодействием цементных минералов с водой затворения, но могут быть следствием явлений к химизму процесса отношения не имеющими (испарения влаги, водопоглощения пористым заполнителем, структурирования диполей добавками и т.п.). Вряд ли будет квалифицированным между всеми этими проявлениями ставить «знак равенства» и относить к схватыванию любое загустевание, независимо от его природы и механизма. И поскольку сам термин «схватывание» указывает на внезапность и неожиданность повышения структурной прочности, бесспорно, связанное со стадийной гидратацией цементных минералов, самоорганизацией клинкерных частиц, то и к «схватыванию» следует относить загустевание, вызванное исключительно химизмом процесса;

2) влияние водоцементного фактора на кинетику твердения цементной системы следует рассматривать с двух позиций – количественной и качественной. Количественная сторона – изменение параметров, отражающих конкретные физико-механические свойства твердеющего материала (вязкость, плотность, прочность и т.п.). Под качественной стороной следует понимать характер изменения процесса, время достижения «этапных» моментов («всплесков» структурной прочности, начала выделения тепла, экстремумов кривых электросопротивления), свидетельствующих о качественно новой стадии твердения;

3) экспериментально установлено, что такие факторы как водосодержание (В/Ц) и присутствие заполнителей не оказывают влияния на качественный ход твердения цементной системы, что связано с локализацией взаимодействия клинкерных минералов с водой затворения в плотной области двойного слоя (обведено на рис.2.2), поверхностным характером гидратационного процесса. Данное обстоятельство приводит к тому, что в цементном тесте, растворных и бетонных смесях различных консистенций при конкретном температурном режиме твердения характерные переломные точки кинетических кривых сопровождающих твердение свойств наблюдаются, практически, в одно и то же время, т.е. являются постоянной характеристикой, константой данного цемента;

4) для технологических целей несоизмеримо более ценной информацией обладает качественный аспект. Осуществление или, наоборот, прекращение тех или иных технологических воздействий в упомянутые «этапные» моменты позволит «направленно» воздействовать на процесс твердения бетона с целью интенсификации производства, экономии дорогостоящего цемента, приобретения продукцией повышенных физико-технических свойств. И если качественная сторона процесса не зависит от водоцементного фактора (содержания заполнителей), время наступления «этапных» моментов является константой данного портландцемента, то возникает вопрос, что же мы определяем иглой Вика?

5) прибор Вика изначально предназначался для сравнительной оценки различных цементов. Полученные параметры («начало» и «конец схватывания»), по замыслу авторов, позволяют судить об интенсивности твердения конкретного цемента. Опять-таки, возникает недоумение, на каком основании два вырванных из динамично развивающейся цементной композиции количественных показателя стали отождествлять со столь важными качественными этапами? Может быть, при выборе массы подвижной части и диаметра иглы прибора каким-то образом учитывалась динамика и особенности структурообразующего процесса? Вряд ли. Параметры приборы были приняты конструктивно, исходя из условий оперативного получения опытных данных. «Сроки схватывания» являются условными показателями, не отражающими «скачкообразной» сути процесса, в связи с чем их практическая (тем более, научная) значимость вызывает серьезные сомнения;

6) согласно ГОСТ310.3-76 «сроки схватывания» должны определяться исключительно на цементном тесте «нормальной густоты». Применение данного метода для изучения твердения цементных составов иных консистенций, действия химических добавок (электролитов, пластифицирующих), различных активизирующих приемов (домола цемента, омагничивания воды затворения и др.) недопустимо, ввиду неизбежного получения искаженных, не отражающих существа процесса результатов, ошибочных заключений и выводов (что мы имеем в действительности). Ведь игле Вика абсолютно безразлично, какие явления приводят к загустеванию теста − то ли это химические преобразования, то ли процессы, имеющие совершенно иную природу. Игла бесстрастно фиксирует внешнее проявление, не вникая в суть явления.

Более полувека назад (Е.Е.Калмыкова, Н.В.Михайлов) высказывалось мнение о непригодности традиционных «схватывающих» параметров для характеристики цементов в производственной практике и научных исследованиях. Данные параметры, характеризующие временной интервал, в течение которого цементное тесто обнаруживает определенное сопротивление проникающей в исследуемый материал игле, мало того, что не отражают физико-химической сущности твердения цемента, но в ряде случаев вводят в откровенное заблуждение. Следуя логике, после «конца схватывания» отформованное бетонное или железобетонное изделие нельзя подвергать сотрясениям, вибрации и прочим силовым воздействиям, ввиду, якобы, необратимой деструкции, снижения прочности и даже разрушения бетона. Но тогда как понять прямо обратный эффект − положительное влияние на все свойства бетона длительного многократного вибрирования или сверхраннего нагружения, прилагаемых к твердеющим изделиям много времени спустя после пресловутого «конца схватывания»?

Для характеристики цементов, как отмечалось, следует применять кинетические кривые пластической прочности и тепловыделения, полно и наглядно отражающих динамику процесса. В качестве параметров (для сравнения цементов, назначения тех или иных технологических воздействий) целесообразно использовать такие показатели, как «цикличность» или «стадийность» твердения (при нормальной и любой иной температуре твердения цементного теста удобной для проведения работ консистенции) или величина пластической прочности цементного теста с фиксированным значением В/Ц в момент протекания конкретного гидратационного акта.

Количество воды затворения не оказывает влияния на скорость поверхностной гидратации клинкерных зерен. Однако водоцементный фактор играет решающую роль в формировании контактной зоны и физико-технических свойств микробетона и бетона в целом. При низких значениях В/Ц, незначительном исходном разобщении цементных зерен жидкой средой самоорганизующиеся частицы вяжущего посредством накапливающихся на их поверхности гидратных продуктов обеспечивают получение уже в начальный период твердения качественных контактных зон, уплотняющихся и упрочняющихся по мере дальнейшего протекания процесса. И, напротив, при значительном разобщении цементных зерен водой контактные участки формируются рыхлыми, малопрочными, снижающими свойства бетона. Избыточная вода со временем испаряется, образуя сеть капилляров, седиментационных пустот и прочих дефектов, усугубляющих положение.

В то же время, количество водосодержания бетонных смесей не является столь однозначным фактором. При использовании жестких (с низким В/Ц) смесей можно получить прекрасные начальные прочностные и прочие показатели, однако дефицит воды непременно негативно отразится на полноте поверхностных гидратационных преобразований клинкерных зерен, будет способствовать образованию на их поверхности огромного количества массивных остаточных негидратированных зон, что непременно спровоцирует гидратацию вяжущего на поздних этапах, вызовет деструкцию бетона со сложно прогнозируемым результатом. Повышенное же исходное водосодержание, несмотря на ряд отмеченных отрицательных последствий, способствует, тем не менее, более полной гидратации цемента, формированию относительно стабильной структуры микробетона.

В этой связи, наблюдаемый сегодня массовый интерес к получению заоблачных марок бетонов за счет снижения В/Ц и использования гиперразжижителей вызывает определенные опасения и сомнения в целесообразности этой тенденции, т. е. «необходима осторожность при использовании бетонов высоких классов прочности в несущих конструкциях в том случае, если эта прочность достигается сочетанием низких В/Ц и добавок суперпластификаторов» (В.В.Бабков, А.Ф.Полак, П.Г.Комохов). Данный аспект приобретает особую значимость и актуальность в свете наметившихся перспектив строительства большепролетных и высотных монолитных железобетонных объектов.

Дата добавления: 2014-01-05