Co ovlivňuje pevnost cementu?

Pevnost betonu je klíčovým ukazatelem jeho kvality, určujícím účel a parametry použití železobetonových výrobků. Proces navrhování konstrukcí se provádí tak, aby výrobky vydržely odpovídající tlakové zatížení. Tento ukazatel je určen třídou a třídou betonu, kterou lze určit 28 dní po nalití.

Dynamika růstu pevnosti za zadané období umožňuje vyhodnotit její vlastnosti, přičemž ke konečnému vytvrzení směsi dochází v průběhu několika let. Po 28 dnech by měl vysoce kvalitní beton poskytovat indikátor pevnosti pod tlakem o síle 200 kgf/cm2. Spolu s technologií, která ovlivňuje pevnost betonu, existuje řada objektivních faktorů, které určují kvalitu železobetonových výrobků.

Faktory ovlivňující sílu

Mezi hlavní technologické faktory určující pevnost betonu patří:

poměr cementu k vodě;

druh a kvalita plniv;

aplikace opakovaných vibrací.

Cementy se zvýšenou aktivitou, která je dána závislostí R_b= f(R_Ц), mají tradičně větší pevnost a používají se při stavbě vícepodlažních, průmyslových budov, silničních a inženýrských staveb. Takové značky mají dlouhou životnost, jsou spolehlivé a nepodléhají mechanickému a biologickému poškození. Pevnost jakosti je dána typem použitého lehkého nebo těžkého betonu. Použití síranovzdorných cementů umožňuje získat vysoce pevný beton při vystavení vnějším faktorům, mezi které patří různá agresivní prostředí. Praktický rozsah použití legujících přísad je relevantní při tváření na bázi směsi pro konstrukce při výstavbě rodinných domů, nosné konstrukce pro občanské nebo průmyslové účely, mosty.

Těžký beton se vyznačuje zvýšenou objemovou hmotností, která se podle druhu kameniva pohybuje v rozmezí 2200 – 2800 kg/m3. Jako posledně jmenované lze použít karbonátové, křemenné a žulové horniny. Při vytváření podpěr ve formě základů se používá beton třídy 100, pro monolitické konstrukce ve formě sloupů, podlah a nosníků – třída 150, obvykle se prefabrikované konstrukce vytvářejí na základě tříd 200-250. Monolitické předpjaté konstrukce mohou být vyztuženy třídami od 300 do 600, zatímco nejvyšší třídy zřídka najdou praktické využití.

Kvantitativní ukazatel obsahu cementu v betonové směsi určuje i její pevnostní charakteristiky – s rostoucí koncentrací cementu se zvyšuje na určitou úroveň. Je třeba si uvědomit, že přebytek cementu ve směsi snižuje její odolnost proti smršťování a zvyšuje tečení. Za maximální přípustné množství se považuje do 600 kg cementu v 1 kubickém metru transportbetonu.

Poměr vody a cementu ve směsi také ovlivňuje její pevnostní charakteristiky – čím je vyšší, tím je pevnost nižší. Při správné technologii je k vytvrzení a zajištění pevnosti potřeba voda v objemu 20 % hmotnosti cementu. V případě betonových výrobků je však spotřeba vody zvýšená, protože směs by neměla být příliš suchá, aby vytvořila jednotnou a hutnou směs.

Beton je tím pevnější, čím větší jsou plniva použitá při jeho přípravě. Doporučené množství písku se nedoporučuje překračovat, surovinu je nutné co nejvíce očistit od jílu a jemnozrnných frakcí. Hrubozrnná výplňová kompozice podporuje lepší pronikání cementové pasty do vzniklých dutin a zajišťuje lepší adhezní parametry pro všechny složky budoucího výrobku. Rozhodující roli hraje tvar kameniva. Přilnavost je mnohem lepší u kameniva nepravidelného tvaru, zatímco zaoblené nebo znečištěné kamenivo má opačný účinek.

Důkladnost promíchání směsi se odráží i v ukazatelích pevnosti. U železobetonových výrobků je také důležité pořadí pokládky betonových směsí, které zahrnuje mytí a ošetření spár, které určuje pevnost, která zabraňuje vydrolování a praskání.

Pevnostní ukazatele betonu se posuzují ve stáří 28 dnů a závisí na teplotě, při které byla směs vytvrzena ve vztahu k maximální pevnosti dosažené při tvrdnutí při teplotě +20 o C:

Opakované vibrace, prováděné před dokončením procesu úplného nastavení, umožňují zvýšit ukazatele pevnosti až o 20%, což je jediný technologický proces, který může kvalitativně ovlivnit výkonnostní charakteristiky. Technologie výroby může zahrnovat různé metody vibračního ražení, vibrací pod zatížením nebo vibračního válcování, které jsou zaměřeny na zlepšení pevnostních vlastností betonu.

V důsledku opakovaného kmitání se zvyšuje hustota a zvyšuje se rychlost procesu hydratace cementu obsaženého ve směsi.

Podle GOST 10178-85, pevnost cementu vyznačující se mezí pevnosti v tlaku a ohybu. Třída cementu je určena pevností v tahu v ohybu vzorků nosníků 40x40x160 mm a v tlaku jejich polovin, vyrobených z roztoku o složení 1:3 (hmotnostně) s normálním pískem v poměru voda-cement 0,4 a testováno po 28 dnech; Během této doby jsou vzorky skladovány ve vlhkém prostředí při teplotě (20±2)°C. Pevnost v tlaku ve stáří 28 dní se nazývá aktivita cementu.

K přípravě vzorků se používá čistý křemičitý písek konstantní zrnitosti a chemického složení, což umožňuje eliminovat vliv kvality písku na pevnost cementu a získat srovnatelné výsledky. Při přiřazování portlandského cementu k té či oné jakosti by pevnost v tahu vzorků v ohybu a tlaku ve stáří 28 dnů neměla být nižší než hodnoty uvedené na obr. 1.

Rýže. 1. Garantovaná třída cementu z hlediska pevnosti v tahu

Pevnost portlandského cementu se zvyšuje nerovnoměrně: třetí den dosahuje přibližně 40 % jakosti cementu a sedmý den – 50 %. V dalším období se růst pevnosti cementu ještě více zpomaluje a 60. den cement získává jakostní pevnost. Za příznivých podmínek však může tvrdnutí portlandského cementu trvat měsíce a dokonce roky, přičemž pevnost značky (70 dní) překročí 28krát. Můžeme předpokládat, že v průměru se portlandský cement při nabírání síly řídí logaritmickým zákonem (obr. 2).

Teoretická pevnost v tahu, kterou má cementový kámen při lisování, je velmi vysoká, více než 240 MPa. V praxi se při formování betonu lisováním dosáhlo pevnosti 340 MPa nebo více.

Pevnost cementového kamene a rychlost jeho tvrdnutí závisí na mineralogickém složení slínku, jemnosti mletí cementu, obsahu vody, vlhkosti, okolní teplotě a době skladování.

Rýže. 2. Tabulka pevnosti cementu

Vliv mineralogického složení na pevnost portlandského cementu

Proces zvyšování pevnosti slínkových minerálů portlandského cementu je odlišný. Trikalciumsilikát získá pevnost nejrychleji: do 7 dnů po vytvrzení získá asi 70 % pevnosti za 28 dnů (obr. 3), další nárůst síly v C3S se výrazně zpomaluje (obr. 4).

Rýže. 3. Zvýšení pevnosti minerálů slínku portlandského cementu: 1 – C3S; 2 – C4AF; 3 – C2S; 4 – C3A

Další obrázek tuhnutí křemičitanu vápenatého. V počátečním období tuhnutí (do 28 dnů věku) získává C2S pouze do 15 % pevnosti C3S, ale v následném období tvrdnutí začne dikalciumsilikát zvyšovat svou pevnost a v určitém okamžiku dosáhne a může dokonce překonat sílu C3S. Tento jev se vysvětluje skutečností, že trikalciumsilikát hydratuje rychleji než dikalciumsilikát. Ve 28. dni věku je hydratace C3S téměř úplná a v této době se hydratace C2S začíná rozvíjet. Pokud je tedy potřeba získat vysokopevnostní beton v krátké době, používá se cement s vysokým obsahem trikalciumsilikátu – tzv. alitový cement, a naopak při požadavku na vysokou pevnost v pozdější době (např. například ve vodních stavbách), pak lze použít belitový cement. Samotný trikalciumhlinitan má nízkou pevnost, ale výrazně urychluje tvrdnutí cementu v počátečním období. Tato vlastnost C3A se využívá k výrobě rychle tvrdnoucího portlandského cementu. Z hlediska mineralogického složení se vyznačuje vysokým obsahem C3A a C3S (asi 60 %, včetně až 70 % C10A).

Rýže. 4. Stupeň hydratace minerálů slínku v čase od úplné hydratace, %

Vliv jemnosti mletí cementu na pevnost

S rostoucí jemností mletí se zvyšuje pevnost cementu. Průměrná velikost zrna portlandského cementu vyráběného domácími továrnami je přibližně 40 mikronů. Hydratační tloušťka zrn po 6 měsících tvrdnutí obvykle nepřesahuje 12 mikronů (obr. 5). Při obvyklém mletí portlandského cementu se tedy 30 % slínkové části nepodílí na tvrdnutí a tvorbě struktury kamene. Se zvyšující se jemností mletí cementu se zvyšuje stupeň hydratace cementu, zvyšuje se obsah adhezivních látek minerálních hydrátů – a zvyšuje se pevnost cementového kamene. Cementy vyráběné v továrně musí mít jemnost mletí charakterizovanou zbytkem na sítu č. 40 (velikost ok 008 mm) nejvýše 0,08 %. Obvykle je to 15 %.

Jemnost mletí cementu je také charakterizována měrným povrchem (m2/kg), celkovým povrchem zrn (m2) v 1 kg cementu. Měrný povrch průmyslově vyráběných cementů je 250–300 m2/kg. V některých případech se za účelem zvýšení aktivity továrního cementu a získání rychle tvrdnoucího cementu zvyšuje jemnost mletí. Obvykle se má za to, že zvýšení měrného povrchu cementu na každých 100 m2/kg zvyšuje jeho aktivitu o 20 %.

Nárůst měrného povrchu cementu nad 300. 350 m2/kg je spojen s výrazným poklesem produktivity mlýna; Navíc takové cementy zvyšují potřebu vody, zvyšuje se tvorba tepla a zvyšují se deformace smršťováním.

Potřeba vody cementu

Potřeba vody cementu je určena množstvím vody (% hmotnosti cementu) potřebného k získání těsta normální tloušťky. Potřeba vody portlandského cementu je 24 %, se zavedením aktivních minerálních přísad sedimentárního původu (diatomit, tripoli, opoka) se potřeba vody zvyšuje na 28 %.

Vliv vlhkosti a okolní teploty na pevnost cementu

Kalení cementového kamene a zvyšování jeho pevnosti může pokračovat pouze tehdy, je-li v něm voda, protože vytvrzování je především hydratační proces.

Na zvýšení pevnosti cementového kamene má velký vliv vlhkost a teplota prostředí. Rychlost chemických reakcí mezi slínkovými minerály a vodou se také výrazně zvyšuje s rostoucí teplotou a rychlostí zhutňování produktů hydratace cementu. Kalení cementového kamene v praxi může probíhat v širokém teplotním rozmezí: normální kalení – 15°C, napařování – 20°C, úprava v autoklávu – až 80°C, tlak páry – do 90. 170 MPa a kalení – při záporných teplotách. K nejrychlejšímu nárůstu pevnosti cementového kamene dochází při napařování pod tlakem v autoklávech, zatímco beton získává značkovou pevnost po 200 hodinách.

Za podmínek napařování za normálního tlaku probíhá tvrdnutí betonu přibližně 2krát pomaleji než v autoklávech. Beton podrobený tepelnému a vlhkostnímu zpracování při teplotách do 100 °C získá ve většině případů pouze 70 % návrhové pevnosti a jen někdy dosahuje 100 %. Zpravidla není pozorován žádný další nárůst jejich síly.

Kámen z portlandského cementu netvrdne při teplotách pod nulou, protože voda se mění v led. Díky přidání CaCl2, NaCl nebo jejich směsi však beton stále získává na pevnosti. Přidáním elektrolytů CaCl2 a NaCl do cementu v množství 5 % a více na hmotnost cementu se zvyšuje koncentrace rozpuštěných látek ve vodě a snižuje se její bod tuhnutí. Kromě toho jsou chloridové soli urychlovačem tuhnutí cementu. Použití těchto solí v množství větším než 2 % v železobetonových konstrukcích se však nedoporučuje z důvodu možné koroze výztuže. Dusitan sodný NaNO2 se také používá jako nemrznoucí přísada.

Doba skladování cementu a jeho pevnost

Dlouhodobé skladování cementu, i za nejpříznivějších podmínek, znamená určitou ztrátu jeho aktivity. Po 3 měsících skladování může ztráta aktivity cementu dosáhnout 20% a po roce – 40%. Jemně mleté ​​cementy ztrácejí větší procento aktivity, protože vzdušná vlhkost ve styku s cementem způsobuje předčasnou hydrataci cementu. Aktivitu starého cementu lze obnovit sekundárním mletím. Nejúčinnější je vibrační mletí cementu, při kterém se zvyšuje jemnost mletí cementu a také se odlupuje hydrátové a inertní slupky z cementových zrn. Nejvhodnější metodou prevence ztráty aktivity cementu je hydrofobizace.