ТехЛиб СПБ УВТ

Цемент – это порошкообразный строительный вяжущий материал, который обладает гидравлическими свойствами, состоит из клинкера, гипса и добавок.

Согласно ГОСТ 30515-97, по назначению цементы подразделяют на общестроительные и специальные. Основное требование к общестроительному цементу – обеспечение прочности и долговечности бетонов и растворов. К специальному цементу наряду с прочностью предъявляют специальные требования.

 По виду клинкера цементы подразделяют на цементы с портландцементным клинкером, глиноземистым клинкером, сульфоалюминатным (-ферритным) клинкером.

По прочности на сжатие цементы подразделяют на классы: 22,5; 32,5; 42,5; 52,5.  Для цементов, выпускаемых по ранее утвержденным документам, до их пересмотра или отмены сохраняется подразделение цементов по прочности на сжатие по маркам.

По скорости твердения общестроительные цементы подразделяют на:

• нормальнотвердеющие, с нормированием прочности в возрасте 2(7) и 28 сут.
  
• быстротвердеющие, с нормированием прочности в течение 2 сут. и 28 сут.
  

 По срокам схватывания цементы подразделяют на следующие виды:

• медленносхватывающиеся, с нормируемым сроком начала схватывания более 2ч.;
  
• нормальносхватывающиеся, с нормируемым срокам начала схватывания 45-120 мин;
  
• быстросхватывающиеся, с нормируемым сроком схватывания менее 45 мин.
  

 Портландцемент – это гидравлическое вяжущее вещество, полученное при обжиге до спекания и помоле сырьевой смеси из известняка, глины, добавок, преимущественно состоящее из силикатов и кальция.

Минералогический состав портландцемента характеризуется наличием в нем следующих соединений, %:

• трехкальциевый силикат – алит 3СаОSiO₂(C₃S)… 40-65;
  
• двухкальциевый силикат – белит 2СаОSiO₂(C₂S)…15-40;
  
• трехкальциевый алюминат 3CaOAl₂O₃(C₃A)…3-15;
  
• трехкальциевый аллюмоферрит 3СаOAl₂O₃Fe₂O₃(C₄AF)…, 10-20.
  

В процессе твердения портландцемент выделяет тепло, количество и интенсивность которого зависит от минералогического состава, тонкости помола, температуры окружающей среды.

При повышении содержания того или иного клинкерного минерала цемент получает особое название:

• высокоалитовый цемент (C₃S³60%) характеризуется повышенной скоростью твердения, высоким тепловыделением, большой прочностью;
  
• для белитовых цементов (C₂S≈35-40%) характерно замедленное твердение, малое тепловыделение, более низкая прочность;
  
• высококалюминатные цементы (C₃A>10%) характеризуются высоким тепловыделением и быстрым набором прочности, возможен сброс прочности; кроме того, они понижают морозостойкость бетона.
  

Портландцемент по внешнему виду представляет собой порошок серо-зеленого цвета. Плотность его 3,1 г/см³, насыпная плотность 1100-1300 кг/м³, угол естественного откоса 41-42^о,водопотребность 22-28%.

 Тонкость помола характеризуется остатком на сите №008 или удельной поверхностью порошка, которая обычно составляет 2200-3500 см²/г. В зависимости от прочности на 28 сутки портландцемент изготовляют четырех марок: 400, 500, 550, 600. Определение физико-механических свойств производят методами, предусмотренными соответствующими стандартами.

 Портландцементы применяют для изготовления бетонов и растворов в промышленном и гражданском строительстве, если среда не агрессивна.

Технические требования к портландцементу

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВИДА ЦЕМЕНТА

При определении вида цемента необходимо учитывать ориентировочный цвет различных видов цемента:

• портландцемент — серовато-зеленый, различных оттенков;
  
• пуццолановый портландцемент — светло-серый или желтоватый;
  
• шлакопортландцемент — сероватый с голубым оттенком;
  
• глиноземистый цемент — темно-серый, стальной без зеленого оттенка или коричнево-шоколадный;
  

Для окончательного определения вида цемента проверяют наличие в нем доменного шлака. Присутствие металлических частиц в цементе устанавливается с помощью магнита. При погружении магнита и энергичном примагничивании им цемента попавшие вместе с доменным шлаком металлические частицы притягиваются. Значительное количество металлических частиц, извлеченных из цемента, может служить верным признаком присутствия в нем шлака.

Проверка пробы цемента на сероводород осуществляется следующим образом: из цементного теста изготавливают лепешку и кладут на нее лист реактивной свинцовой бумаги. Затем немедленно лепешку помещают в пары кипящей воды, закрывают сосуд крышкой и выдерживают в течение 30 мин. Почернение свинцовой бумаги свидетельствует о наличии шлака. Кроме того, лепешка, изготовленная из шлакопортландцемента, в свежем изломе имеет зеленоватый цвет и издает запах сероводорода. Для определения наличия в цементе природной активной минеральной добавки применяют следующий метод. Пробирку до половины наполняют бромоформом (плотность 2,9 г/см³), вводят на конце перочинного ножа испытуемый цемент и слегка встряхивают. При этом частицы цементного клинкера тонут, а гидравлическая добавка всплывает на поверхность бромоформа. По значительному количеству активной минеральной добавки, скопившейся на поверхности бромоформа в виде хлопьев, испытуемый цемент относят к пуццолановому портландцементу.

Отличительными признаками цементов могут также служить плотность и средняя плотность, нормальная густота цементного теста.

Требования к физико механическим характеристикам основных видов цемента

 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОНКОСТИ ПОМОЛА

 Тонкость помола можно охарактеризовать двумя методами:

• ситовым анализом;
  
• по величине удельной поверхности;
  

Ситовой анализ проводят при помощи прибора для механического просеивания цемента или через сито вручную.

Прибор для механического просеивания цемента: 1 — Станина; 2 — Электродвигатель; 3 – Кулачки; 4 – Крышка; 5 — Цилиндрические сита; 6 – Поддон; 7 — Шатунно-эксцентриковый механизм

Отвешивают 50г цемента, предварительно высушенного в сушильном шкафу в течение двух часов при температуре 105-110⁰С.Высыпанный на сито цемент устанавливают в прибор и включают электродвигатель на 5-7 минут.Извлекают сито из прибора и проводят контрольное просеивание вручную на лист глянцевой бумаги.

Просеивание считают законченным, если в течение 1 минуты через сито проходит не более 0,05г цемента. По окончании просеивания остаток на сите взвешивают с точностью до 0,01г.Тонкость помола определяют как остаток на сите с сеткой №008, в процентах от первоначальной массы просеиваемой пробы.

Согласно ГОСТ 10178, через сито №008 (5476 отверстий/см²) должно проходить не менее 85% массы, а остаток на сите должен составлять не более 15%.

Определение тонкости помола цемента по величине удельной поверхности

Выполняют методом воздухопроницаемости с помощью прибора ПСХ-4. Этот метод основан на измерении сопротивления, которое оказывает уплотненный слой цемента воздуху, просасываемому через него. Чем мельче зерна, тем больше их суммарная поверхность в навеске порошка вяжущего, и тем труднее будет проходить воздух через порошок. С увеличением поверхности возрастают силы трения, а, следовательно, и сопротивления воздушному потоку. С уменьшением величины зерен уменьшаются размеры пустот между ними, а значит и сечения каналов, по которым проходит воздух.

Для определения S_уд необходимо взвесить 10г цемента и поместить в кювету (6) прибора, с помощью шкалы (7) замерить высоту слоя порошка (h).

Затем необходимо извлечь плунжер (5) из кюветы и, нажав кнопку, при открытом кране (2), создать разряжение под слоем порошка с помощью манометра (1) и резиновой груши (4). Разряжение должно быть достаточным, чтобы вода в манометре (1) заполнила часть верхней колбочки. После этого кран закрывают. Секундомером фиксируют время опускания столба жидкости при «медленном» и «быстром» прохождении мениска между рисками.

Удельную поверхность рассчитывают по формуле:

S= KM√T/P,

где S- удельная поверхность, см²/г;

К — постоянная прибора для той пары рисок, между которыми наблюдалось падение водного столба (К_1-2=25,639; К_3-4=10,658);

Т- время, сек;

Р — навеска порошка, г;

М — табличная величина, зависящая от температуры воздуха τ(^оС) и высоты столба h.

Прибор ПСХ-4 для измерения удельной поверхности цемента: 1 — Жидкостный манометр; 2 – Кран; 3 — Соединительные трубки; 4 – Груша; 5 – Плунжер; 6 – Кювета; 7 — Шкала

Данные заносят в таблицу.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАСЫПНОЙ ПЛОТНОСТИ

В стандартную воронку при закрытой задвижке загружают 3 кг цемента. Взвешивают мерный цилиндр и устанавливают под трубу воронки.

Открывают задвижку и заполняют с избытком мерный цилиндр.

Закрывают задвижку и металлической линейкой срезают излишки вровень с краями, устанавливая линейку по диаметру и срезая в обе стороны.

Взвешивают мерный цилиндр с цементом.

Определяют насыпную плотность цемента по формуле:

Ρ_n=(m₁-m₂)/V,

где m ₁ – масса сосуда с цементом; m ₂ – масса пустого сосуда; V – объем сосуда.

Данные заносят в таблицу .

Определяют среднее значение ρ из двух измерений.

Согласно ГОСТ, насыпная плотность портландцемента в рыхлом состоянии 1100-1300 кг/м³.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМАЛЬНОЙ ГУСТОТЫ ЦЕМЕНТНОГО ТЕСТА

Нормальная густота цементного теста – водоцементное отношение в процентах, при котором достигается нормированная консистенция цементного теста.

Нормальную густоту цементного теста определяют на приборе Вика (рис.4.4), заменяя иглу пестиком d=10мм, l=50мм. Масса стержня прибора с пестиком должна быть 300±2г. Перед началом испытания проверяют подвижность стержня прибора, чистоту пестика, положение стрелки, которая должна стоять на 0 при соприкосновении пестика со стеклянной пластинкой; смазывают кольцо и пластинку машинным маслом.

Отвешивают 400г цемента. Количество воды для первого пробного замеса принимают 88-112 см³, т.е. 22-28% от массы цемента. Цемент горкой всыпают в металлическую чашу, протертую влажной тканью, и делают углубление, в которое в один прием вливают отмеренное количество воды. Углубление, в которое налита вода, при помощи стальной лопатки заполняют цементом и через 30с после этого осторожно перемешивают, а затем энергично растирают тесто лопаткой во взаимно перпендикулярных направлениях, периодически поворачивая чашу на 90^о. Продолжительность перемешивания с момента затворения водой 5 минут. После окончания перемешивания цементное тесто укладывают в кольцо, которое 5-6 раз встряхивают, постукивая пластинкой с кольцом о поверхность стола. Избыток теста срезают ножом, протертым влажной тканью. Кольцо ставят под стержень прибора, пестик приводят в соприкосновение с поверхностью теста в центре кольца и закрепляют зажимным винтом. Через 30с с момента освобождения стержня фиксируют глубину погружения пестика по шкале прибора.

Густота цементного теста считается нормальной, если пестик не доходит до стеклянной пластинки на 5-7 мм (глубина погружения 33-35 мм). Если пестик, погружаясь в цементное тесто, остановится выше, то опыт повторяют с большим количеством воды, а если ниже – с меньшим, добиваясь погружения пестика на глубину, соответствующую нормальной густоте теста. Результаты заносят в таблицу.

Нормальная густота портландцементного теста находится в пределах 22…28%

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРОКОВ СХВАТЫВАНИЯ

Сроки схватывания определяют на приборе Вика, в который вместо пестика устанавливают стальную иглу сечением 1 мм ² и длиной 50 мм. Чтобы общая масса стержня с иглой составляла 300г, на плоскую головку стержня накладывают дополнительный груз.

Перед испытанием проверяют готовность прибора:

• свободное перемещение металлического стержня;
  
• положение стержня (0 при опирании иглы на стеклянную пластинку);
  
• чистоту и прямизну иглы.
  

Смазывают кольцо и пластинку тонким слоем машинного масла.

Готовят цементное тесто нормальной густоты. Цементное тесто помещают в кольцо прибора Вика, установленное на стеклянной пластине, и слегка встряхивают 5-6 раз для удаления воздуха. Избыток теста снимают ножом и выравнивают поверхность. Кольцо с цементным тестом устанавливают на столик прибора, опускают стержень до соприкосновения иглы с поверхностью теста и закрепляют стержень винтом. Отвинчивают винт и погружают иглу в тесто через каждые 5 минут до начала схватывания.

За начало схватывания принимают время с момента затворения водой до того момента, когда игла не дойдет до стеклянной пластины на 1-2мм. Место погружения иглы постоянно меняют, иглу протирают.

Для определения конца схватывания иглу погружают в тесто каждые 15 мин. За конец схватывания принимают время от начала затворения водой до момента, когда игла не будет опускаться в тесто более 1мм. Данные заносят в таблицу согласно стандартам.

Начало схватывания портландцемента, портландцемента с минеральными добавками, шлакопортландцемента, пуццоланового портландцемента – 45 минут, конец схватывания – 10 часов с момента затворения.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАВНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ОБЪЕМА ЦЕМЕНТА.

Процесс твердения цемента сопровождается изменением объема цементного камня. Наличие в цементе свободных CaO и MgO, которые гасятся с увеличением объема, может привести к неравномерным деформациям, образованию трещин в твердеющих бетонах и растворах. Равномерность изменения объема цемента устанавливают кипячением в воде образцов-лепешек.

Отвешивают 400г цемента и из него приготовляют тесто нормальной густоты. Из полученного теста берут четыре навески по 75г и помещают каждую в виде шарика на отдельную стеклянную пластинку, предварительно протертую машинным маслом. Осторожно постукивая пластинкой о край стола, получают из шарика лепешку диаметром 7-8см и толщиной в средней ее части около 1см. Поверхность полученных лепешек заглаживают от наружных краев к центру смоченным в воде ножом.

Приготовленные таким образом лепешки выдерживают на стеклянных пластинках 24 часа в ванне с гидравлическим затвором при температуре 20±5^оС. Затем лепешки снимают со стеклянных пластинок и кладут на решетчатую полку пропарочного бачка. Для поддержания постоянного уровня воды бачок резиновым шлангом соединен с регулятором уровня воды. При помощи подвижной трубки уровень воды в бачке устанавливают на 4-6 см выше поверхности лепешек. Бачок закрывают     крышкой и ставят на нагревательный прибор. Воду в бачке за 30-45 минут доводят до кипения, которое поддерживают 4 часа. После кипячения лепешки охлаждают в бачке до температуры 20±5^оС, вынимают из бачка и тщательно осматривают (рис.4.9). Цемент признают доброкачественным, если на лицевой стороне лепешек, подвергнутых кипячению, нет радиальных доходящих до краев трещин или сетки мелких трещин, видимых невооруженным глазом, а также каких либо искривлений. Наличие искривлений устанавливается с помощью прикладываемой к плоской поверхности лепешек линейки.

Процесс твердения цементов сопровождается изменением объема твердеющей системы. У портландцемента наблюдается небольшое уменьшение объема при твердении. Если же в цементном клинкере содержится избыточное количество свободного оксида кальция СаО (более 1%) и оксида магния MgO (более 5%), то процесс гашения СаО и MgO, сопровождающийся местным увеличением объема, вызовет неравномерное изменение объема цемента при твердении, что приведет к деформации и растрескиванию цементного камня. Поэтому цементы проверяют на равномерность изменения объема при твердении, используя метод кипячения образцов из цементного теста в воде, что интенсифицирует гашение СаО и MgO и ускоряет испытание.

Для испытания берут 150 г цемента и готовят из него тесто нормальной густоты (п. 4.5), от которого отбирают две навески массой по 75 г каждая и формуют из них шарики. Шарики помещают на стеклянные пластинки, предварительно протертые машинным маслом. Постукивая пластинками о твердое основание, из шариков получают лепешки диаметром 7…8 см, толщиной в середине около 1 см. Поверхность лепешек заглаживают от наружных краев к центру смоченным водой ножом до образования острых краев и гладкой закругленной поверхности.

Отформованные лепешки хранят в течение (24±2)ч с момента изготовления на столике в ванне с гидравлическим затвором (см. рис. 4.8). Затем лепешки вынимают из ванны, снимают со стеклянных пластинок и помещают в бачок с водой (рис. 4.11) на решетку, расположенную на расстоянии не менее 5 см от дна бачка. Уровень воды в бачке, который устанавливают подвижной трубкой, должен перекрывать лепешки на 4…6 см в течение всего времени кипячения. Постоянный уровень воды в бачке поддерживают регулятором. Воду в бачке за 30…45 мин доводят до кипения, которое поддерживают в течение 3 ч. После этого лепешки в бачке охлаждают и сразу после извлечения из воды производят их внешний осмотр.

Бачок для испытания кипячением: 1 — регулятор уровня воды; 2 — трубка; 3 — крышка; 4 — бачок; 5 — решетка; 6 — лепешки из цементного теста; 7 — шланг

Цемент соответствует требованиям ГОСТ 310.3-76* в отношении равномерности изменения объема, если на лицевой стороне лепешек не обнаружено радиальных, доходящих до краев трещин, или сетки мелких трещин, видимых невооруженным глазом или в лупу, а также каких-либо искривлений и увеличения объема лепешек. Искривления обнаруживают с помощью линейки, которую прикладывают к плоской поверхности лепешки.

Лепешки, испытанные на равномерность изменения объема: а, б — выдержавшие испытания (о — дефектов нет, б — трещины усадки); в—д — не выдержавшие испытания (в — разрушение, г — радиальные трещины, д — искривление)

Если образцы-лепешки не выдержали испытания на равномерность изменения объема, цемент признается недоброкачественным. В нем имеется наличие свободных СаО и MgO, которые будут гаситься с увеличением объема в уже затвердевшем цементном камне, а это приведет к неравномерным деформациям и образованию трещин в твердеющих бетонах и растворах.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАРКИ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

Марку цемента устанавливают по показателям предела прочности при изгибе и сжатии образцов балочек размером     40х40х160мм, изготовленных из пластичного цементного раствора состава 1:3 по массе (цемент: нормальный вольский песок) через 28 суток твердения.

Методика определения марки цемента состоит в следующем.

Сначала определяют консистенцию цементного раствора. Для этого отвешивают 1500г песка и 500г цемента, высыпают их в сферическуую чашу, смоченную водой, и перемешивают цемент с песком лопаткой в течение 1 минуты. Затем в центре сухой смеси делают лунку и вливают в нее 200г воды (В/Ц=0,4). После того, как вода впитается, еще раз перемешивают смесь в течениие1 минуты. Затем раствор переносят в механический смеситель, где его перемешивают в течение 2,5 минут. По окончании перемешивания определяют консистенцию цементного раствора. Для этого используют встряхивающий столик и металлическую форму-конус.

Встряхивающий столик и форма-конус: 1 — чугунная станина; 2 – вал; 3 – кулачок; 4 – ось; 5 — горизонтальный диск; 6 — зеркальное стекло; 7 – форма; 8 — маховик

Перед укладкой смеси в конус внутреннюю поверхность его и стеклянный диск слегка увлажняют. Растворную смесь укладывают в форму-конус двумя слоями равной толщины. Каждый слой уплотняют металлической штыковкой. Нижний слой штыкуют 15 раз, а верхний — 10 раз. Во время укладки и уплотнения раствора конус прижимают рукой к стеклянному диску. Излишек раствора срезают ножом и форму-конус медленно поднимают. Вращая рукоятку маховика, встряхивают столик 30 раз в течение 30с, при этом конус цементного раствора расплывается. При помощи штангенциркуля или стальной линейки измеряют расплыв конуса по нижнему основанию в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Консистенцию раствора считают нормальной, если расплыв конуса оказался равным 106-115мм. При меньшем расплыве раствор приготавливают заново, несколько увеличив количество воды затворения. Результаты заносят в таблицу.

Водопотребность раствора выражают в виде водоцементного отношения; его значение записывают в журнал и в дальнейшем пользуются при приготовлении раствора для образцов — балочек.

Схема испытания образцов-балочек на изгиб и сжатие

Образцы — балочки формуют в трех гнездных металлических формах. Форму тшательно собирают, внутреннюю поверхность стенок и поддона слегка смазывают машинным маслом. Цементный раствор нормальной консистенции для изготовления трех образцов-балочек приготовляют по той же методике, что и для определения нормальной густоты раствора. Подготовленную форму с насадкой прочно закрепляют на стандартной виброплощадке, создающей вертикальные колебания с амплитудой 0,35мм и частотой 2800-3000 колебаний в минуту. Готовый раствор укладывают в гнезда-формы (слоями приблизительно 1 см) и включают виброплощадку. Затем в течение 2 минут вибрации все три гнезда формы равномерно небольшими порциями заполняют раствором. По истечении 3 минут уплотнения виброплощадку выключают и снимают форму. Смоченным водой ножом срезают излишки раствора, зачищают поверхность образцов вровень с краями формы и маркируют образцы.

Готовые образцы в формах хранят в ванне с гидравлическим затвором в течение 24±2 часа. Затем их осторожно расформовывают и укладывают в горизонтальном положении в ванну с водой, где хранят до момента испытаний. Образцы в воде не должны соприкасаться между собой. Необходимо, чтобы объем воды в сосуде для хранения образцов был в четыре раза больше объема образцов. Температуру воды в ванне постоянно поддерживают 20±2^оС. Для определения марки цемента образцы-балочки через 28 суток с момента их изготовления испытывают на изгиб, а затем каждую из полученных половинок – на сжатие.

Испытание на изгиб производят на машине МИИ-100. Машина снабжена счетчиком, который автоматически, в зависимости от положения груза, показывает напряжение в балочке в данный момент испытания. В момент разрушения на счетчике остается показание предела прочности при изгибе. Предел прочности образцов цементного раствора при изгибе вычисляют как среднее арифметическое из двух наибольших результатов испытания трех образцов-балочек.

Испытание на сжатие половинок балочек производят на гидравлическом прессе. Для передачи нагрузки на половинки балочек применяют плоские стальные шлифованные пластинки размером 40х62,5 мм (площадь 25 см²). Каждую половинку балочки помещают между двумя пластинками таким образом, чтобы боковые грани, которые при изготовлении прилегали к продольным стенкам формы, совпадали с рабочими поверхностями пластинок, а упоры пластинок плотно прилегали к торцевой гладкой стенке образца. При испытании образца на сжатие скорость увеличения нагрузки должна быть около 5 кН/с.

Предел прочности при сжатии R_сж, МПа, каждого образца вычисляют по формуле

R_сж=10P/S,

где P – разрушающая нагрузка, кН;

S – площадь грани, см².

Предел прочности при сжатии образцов, изготовленных из испытываемого цементного раствора, вычисляют как среднее арифметическое четырех наибольших результатов шести испытанных образцов. Результаты заносят в таблицу:

Предел прочности при осевом сжатии половинок балочек, испытанных в возрасте 28 суток, называют активностью цемента.

После проведения лабораторных испытаний цемента оценивают его качество и по активности устанавливают марку или класс цемента в соответствии со стандартами.

Литература

1. ГОСТ 310.3-76. Цементы. Методы определения нормальной густоты,
сроков схватывания и равномерности изменения объема.
2. ГОСТ 310.4-81. Цементы. Методы определения предела прочности
при изгибе и сжатии.
3. ГОСТ 10178-85. Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические
условия.
4. ГОСТ 23464-79. Цементы. Классификация.
5. ГОСТ 30515-97. Цементы. Общие технические условия.

Правовые вопросы строительства, 2005, N 2