Как определить активность цемента

Прочность цемента – это его основная характеристика. Показатель оценивается нагрузкой сжатия, изгиба и растяжения. Активность цемента это фактическая прочность на сжатие, определенная при испытании образцов. По этому параметру назначается класс и марка материала.

Что такое активность цемента

Минеральное вяжущее вещество при затворении водой вступает в реакцию гидратации. В результате образуется пластичный гель, который со временем превращается в камень. Если в раствор добавляются крупные и мелкие заполнители, частицы цемента их обволакивают и связывают в монолит. Скорость и результат процесса напрямую зависит от активности цемента.

Эта характеристика определяется опытным путем. Образцы, созданные в специальных условиях, подвергают нагрузке изгиба и сжатия. Полученный средний результат показывает прочность или активность цемента. После испытаний минеральному вяжущему веществу присваивают марку (класс) прочности. Понятие активности не используется в описании материала, его заменяет класс прочности в МПа.

Опыты с образцами цементного теста проводятся в возрасте 28 дней. Но процессы гидратации с образованием новых силикатов не заканчиваются к этому сроку. Их делят на три периода:

1. Активная фаза. Она начинается с момента затворения смеси водой и продолжается 28 дней. В этот период в химическую реакцию вступают все активные частицы цемента. Достигается марочная прочность раствора.
2. Перспективная фаза. Промежуток времени до 1 года, в течение которого в кристаллогидраты превращаются крупные зерна портландцемента, не прореагировавшие раньше. Эти частицы называют перспективными, они дают характерное для бетона нарастание прочности выше заявленной марки.
3. Деградация материала. Под действием влаги, кислот и солей в бетоне происходит процесс разрушения и вымывания гидросиликатов кальция, обеспечивающих прочность конструкции. Монолит теряет свои свойства из-за коррозии.

По устаревшим ГОСТ цементам назначали марку прочности, определяющую вес, выдерживаемый 1 см². Последнее издание ГОСТ 31108-2020 присваивает вяжущему класс прочности, величину предельного давления на образец: 22,5 МПа, 32,5 МПа, 42,5 МПа и 52,5 МПа.

Определение прочности

Методика подготовки образцов и проведения испытаний описывается в ГОСТ 310.4-81. Для определения активности цемента потребуется: 0,5 кг вяжущего и 1,5 кг чистого кварцевого песка. Пропорция раствора 1:3. Рекомендуемое водоцементное соотношение 0,4. Проверка смеси на текучесть осуществляется с помощью встряхивающего столика и конуса.

Приготовленный раствор трамбуют в конус и встряхивают на столике 30 раз. Принимается результат расплыва конуса – 106-115 мм. Если показатель меньше 106 мм, добавляют воду, если больше 115 мм – уменьшают водоцементное соотношение.

Для опытов готовят формы под 3 балочки размером 40x40x160 мм. Форму наполняют слоем раствора на 10 мм и устанавливают на вибрационную площадку. В процесс уплотнения добавляют смесь до заполнения. Время вибрирования 3 минуты. Дальше форму помещают в шкаф с влажностью не меньше 90%. Через сутки балочки вынимают и переносят в ванну с питьевой водой температурой 20°C. Образцы хранятся там 27 дней.

Определение прочности на изгиб

Балочку помещают на две опоры, на ее середину оказывается давление пресса до полного разлома. Среднее арифметическое двух результатов с высокими показателями будет прочностью на изгиб.

Определение прочности на сжатие

Для эксперимента используют половинки разломленных балочек. Образец зажимают пластинами пресса, подвергают нарастающей нагрузке. Пределом прочности считают:

• результат деления показателя нагрузки на площадь образца;
• среднее арифметическое четырех максимальных значений испытания образцов.

Определение прочности при пропаривании

Раствор для образцов готовится также из цемента и песка, в/ц 0,4. После уплотнения формы с балочками ставят в отключенную пропарочную камеру на 120 минут. Последовательность пропарки:

• разогрев до 85°C – 180 минут;
• изотермический прогрев – 360 минут;
• остывание – 120 минут.

Через 24 часа образцы вынимают из формы и испытывают на прочность.

Экспресс метод

При покупке цемента нет возможности ждать 28 дней, чтобы получить результат испытаний партии материала. Для таких случаев существуют приборы, позволяющие быстро определить активность.

Цемент-прогноз

Прибор дает прогноз активности портландцемента по величине контракции – уменьшению объема цементного теста в процессе гидратации. Время работы составляет 3 часа. Автоматическое устройство состоит из электронного блока и измерительной камеры. С его помощью можно узнать сроки схватывания раствора, его морозостойкость и водонепроницаемость.

ИАП-2 и ИАЦ-04М

Действие приборов основано на измерении проводимости цементного раствора. Они состоят из измерительного преобразователя и датчика. Принцип работы прост: в воде растворяют цемент, датчик опускают в раствор. Нажимают кнопку, и сигнал подается на монитор прибора. Высвечивается значение активности цемента с МПа.

Сравнение результатов испытаний по ГОСТ 310.4-81 с экспресс-методами:

Наименьшую погрешность в сравнении с опытным образцом дал прибор ИАП-2.

Факторы, влияющие на активность

Скорость процесса гидратации, твердения и набора прочности не является постоянной величиной. Она изменяется под влиянием внешних факторов, минералогического состава, качества обработки клинкера и размера помола.

Гранулометрический состав и дисперсность частиц

Чем тоньше помол частиц материала, тем больше их вступает в реакцию гидратации. Размер наиболее активных зерен составляет 5-30 мкм. Если частицы крупнее (30-60 мкм и более) набор прочности происходит медленнее. Но при этом цементный камень постоянно уплотняется. Тонкость помола составляет:

• быстротвердеющий цемент – 4000-5500 г\см²;
• рядовой цемент – 3000-3500 г\см².

Важна равномерность гранулометрического состава, она положительно влияет на прочность, взаимодействие с добавками, уменьшает усадку.

Условия хранения цемента

Условия и время хранения цемента существенно сказываются на его активности. Мелкодисперсный порошок должен быть защищен от действия влаги, отрицательной температуры и открытого воздуха. При контакте цемента и углекислого газа возникают соединения, ухудшающие качество вяжущего. Изготовители определяют срок хранения в зависимости от марки материала.

Чем выше активность портландцемента, тем меньше срок его хранения.

Обеспечить заявленный параметр не всегда удается, потери качества могут составить:

1. При хранении в бумажных мешках с полиэтиленовым покрытием, на сухом складе – 2-16% за 4 месяца, в бумажных мешках без покрытия – 5-22%.
2. Если влажность на складе выше 40-45% — потеря 10-30%.

Спустя 3-4 месяца после производства ЦЕМ I 42,5 (М500) по свойствам превращается в ЦЕМ I 32,5 (М400). Не допустим контакт вяжущего с влагой, порошок утрачивает сыпучесть, превращается в камень.

В раскрытом мешке цемент можно хранить без уменьшения активности не дольше 60 дней ЦЕМ I 22,5 (М300), для остальных классов – не дольше 45 дней.

Минералогический состав

Требования к основному химическому составу и дополнительным компонентам цементов определяет ГОСТ 31108-2020. В документе обозначено, что в портландцементном клинкере содержание двух и трехкальциевых силикатов должно составлять не менее 2/3 объема. Эти вещества определяют прочность вяжущего.

• Алит – трехкальциевый силикат, отвечающий за первоначальный набор прочности цементного камня. Именно он определяет активность минерального вяжущего. Количество алита составляет 55-65%.
• Белит – двухкальциевый силикат вступает в реакцию позже, обеспечивает прочность бетона к годичному возрасту. Его процентное количество 21-24%.
• Алюминат кальция – отличается повышенной активностью, способствует твердению смеси в первые сутки.

Значительное количество свободного алюмината кальция приводит к резкому росту кристаллов эттрингита, разрушающего бетон. Необходимы добавки для его связывания. Такими веществами являются гипс и кремнезем.

Кроме веществ, необходимых для набора прочности раствором, в составе цемента присутствуют компоненты, количество которых нужно ограничивать. Оксид магния в обычном состоянии является пассивным элементом, но при нагревании бетона (пропаривании) вступает в реакцию и образует дефекты в материале. Щелочи в доле, не превышающей 1%, помогают образованию силикатов. Если норма превышена, они выступают на поверхности бетонных конструкций в виде высолов. Цемент с хлоридами нельзя использовать для железобетонных изделий, щелочь приводит к коррозии металла.

Используя комбинацию оптимальной дисперсности частиц и химического состава вяжущего вещества, получают портландцемент с улучшенными характеристиками прочности.

Проверка цемента в домашних условиях

Эксперимент с изучением активности цемента можно провести самостоятельно. Для него понадобится вяжущее вещество и щелочная минеральная вода. Из компонентов замешивают раствор, по консистенции как пластичное тесто. Из него лепят диск. Через 10 минут образец должен затвердеть и нагреться. Такая реакция говорит о процессе гидратации, а цемент имеет высокую активность. Если диск твердеет не раньше, чем через 30 минут и покрывается трещинами, то вяжущее низкого качества.