Методы и приборы определения активности цемента

Аннотация

Проведен обзор методов и приборов определения активности портландцемента, проанализированы их основные характеристики, определены достоинства и недостатки, сделаны выводы по использованию наилучшего метода измерения активности.

Полный текст

Портландцемент (англ. Portland cement) - гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают силикаты кальция (70 - 80 %). Это вид цемента, наиболее широко применяемый во всех странах. Название получил по имени острова Портленд (Portland) в Англии, так как по цвету похож на добываемый там природный камень. Основой портландцемента являются силикаты кальция (алит и белит). Важнейшим свойством портландцемента является его способность твердеть при взаимодействии с водой и переходить в камневидное состояние. Чем выше механическая прочность затвердевшего камневидного тела (раствора, бетона) и чем скорее она достигнута, тем выше качество цемента или иного вяжущего вещества. Различают конечную прочность, которая может быть достигнута цементом при твердении, и скорость твердения, характеризующую интенсивность роста прочности твердеющего цемента во времени. Наиболее важный показатель портландцемента - это его активность, он отвечает за скрепляющие свойства цемента. Активность цемента - фактическая прочность на сжатие образцов из стандартного цементного раствора, изготовленных и испытанных в стандартных условиях, установленных нормативными документами [7]. По механической прочности цементы подразделяют на марки: 300, 400, 500, 550 и 600, что соответствует пределу прочности на сжатие в кг/см2, т.е. марке цемента 500 соответствует предел прочности на сжатие 500 кг/см2 или 50 МПа. Механическую прочность затвердевших цементов можно оценивать различными способами, например по пределу прочности при сжатии, изгибе, растяжении и скалывании образцов той или иной формы. При этом подбор состава смесей, изготовление, хранение и испытание образцов осуществляют, строго выполняя требования, устанавливаемые соответствующими стандартами на то или иное вяжущее вещество в той или иной стране. Для определения прочности при изгибе и сжатии по ГОСТ 310.1-76 и ГОСТ 310.4-81 готовят балочки размером 40х40х160 мм из раствора цемента с температурой 20±3 °С с песком состава 1:3 по массе с применением вибрации в течение 3 минут на площадке с амплитудой 0,35 мм и частотой колебаний 50 Гц. Для испытаний применяется стандартный песок по ГОСТ 6139-78. Растворы готовят при соотношении вода/цемент = 0,40, при этом их консистенция по расплыву конуса после 30 встряхиваний на столике должна характеризоваться диаметром в пределах 106 - 115 мм. При меньшем расплыве конуса количество воды в растворе увеличивают до получения расплыва 106 - 108 мм. Если же расплыв окажется более 115 мм, то количество воды уменьшают до получения расплыва конуса 113 - 115 мм. Диаметр конуса после 30 встряхиваний на столике в течение 30 с измеряют по нижнему основанию в двух взаимно перпендикулярных направлений и берут среднее значение. Балочки из раствора хранят в формах над водой в течение 24±2 ч, помещая в ванну с гидравлическим затвором. Далее их расформовывают и хранят в воде (температура 20±2 °С) в течение 27 суток. Через 28 суток с момента изготовления и не позднее 30 минут после извлечения из воды балочки испытывают на прочность при изгибе, а полученные половинки - на сжатие. Показатель предела прочности при сжатии, достигаемого через 28 суток стандартного твердения, вычисляют как среднее арифметическое четырёх наибольших результатов испытания. Во все виды портландцемента (без добавок и с минеральными добавками) допускается по согласованию с потребителем введение при помоле пластифицирующих и гидрофобизирующих добавок в количестве не более 0,3 % по массе цемента в пересчете на сухое вещество добавки. По ГОСТ 310.4-81 допускается определение прочности цемента при пропаривании образцов-балочек в закрытых формах по режиму: выдержка до пропаривания при 20±3°С в течение 2 ч; равномерный подъем температуры в камере с образцами до 85±5 °С в течение 3 ч; изотермический прогрев при 85±5 °С - 6 ч; остывание образцов при отключенном подогреве 2 ч. Через 25±2 ч с момента изготовления образцы расформовывают и сразу же испытывают. Цементы, которым присвоен знак качества, должны удовлетворять дополнительным требованиям; обладать стабильными показателями прочности на сжатие с коэффициентом вариации для цемента марок 300 и 400 не более 5 %, а для цементов марок 500, 550 и 600 - не более 3 %. Помимо разрушающего контроля качества цемента существуют методы неразрушающего контроля, которые позволяют оценить марку цемента по его активности или контракции. Среди неразрушающих методов определения активности цемента можно выделить контрактометры и кондуктометры. Принцип действия контрактометров основан на измерении уменьшения объёма воды в герметично закрытой и заполненной водой измерительной камере, внутрь которой предварительно помещён стакан с пробой испытываемого материала (цементного теста). Уменьшение объёма воды равно контракции ΔV (мл, см3) материала. Об изменении объёма судят по изменению уровня столба жидкости в вертикальном емкостном датчике. Активность цемента R (МПа) определяют по контракции ΔV пробы материала массой 1.000 г за первые 3 часа твердения после затворения водой. Контрактометры определяют или прогнозируют активность R цемента по формуле [9] (1) где ΔV10 - контракция за три часа 1000 г цемента базовой партии, см3; ΔVj0 - контракция за три часа 1000 г цемента поступившей j-й партии; R1i - устанавливаемая предварительно активность цемента базовой (первой) партии; α - показатель степени, равный 3/2 для сжатия и 1 для растяжения при изгибе. Рисунок 1. Прибор для определения активности цемента Кроме контрактометров широко используются приборы, использующие кондуктометрический метод измерения, в котором зависимость активности цемента от удельной электрической проводимости раствора определяется эмпирическим уравнением [8] (2) где R - активность цемента, МПа; С, D - эмпирические коэффициенты; а - коэффициент приведения, зависящий от длительности приготовления водно-цементного раствора; K - концентрация водно-цементного раствора, г/л; c - удельная электрическая проводимость, См/м; a - температурный коэффициент; Т - температура раствора, °С; Т0 - температура приведения,°С. Прибор для ускоренного определения активности цемента методом контракции цемента и прогноза его активности показан на рисунке 1, кондуктометрический измеритель активности на рисунке 2. Методы неразрушающего контроля активности портландцемента существенно превосходят по времени измерения (минуты - кондуктометрия, часы - контрактометрия) методы разрушающего контроля (28 дней). Кроме того, используемые приборы являются портативными и переносными и не требуют высокой квалификации персонала и испытательную лабораторию. Рисунок 2. Измеритель активности портландцемента Кондуктометрический метод анализа (таблица 1), по сравнению с контракционным методом, характеризуется удобством, а также простотой использования, высокой надёжностью, большей скоростью измерения и достаточно высокой точностью. Таблица 1 Наименование прибора Используемый метод Краткие технические характеристики ИАП-2 Кондуктометрический Основная приведённая погрешность - 5 % Время измерения - 1 мин ИАЦ-04М Кондуктометрический Основная приведённаяпогрешность - 5 % Время измерения - 5 мин КД-07 Контракционный Погрешность контракции - 2 % Время измерения - 24 ч ЦЕМЕНТ-ПРОГНОЗ Контракционный Время определения контракции - 24 ч Предел абсолютной погрешности измерения - 0,1 мл МИЦИС-200-3 Механический Погрешность - 1 % Время измерения - 28 дней ВМ-7.7 Контракционный Погрешность оценки активности цемента - 10 % Время определения контракции - 24 ч Выводы Проведен обзор различных методов и приборов определения активности портландцемента. Рассмотрены неразрушающие методы контроля активности портландцемента: контракционный и кондуктометрический. Показаны преимущества и перспективность использования кондуктометрического метода измерения для определения активности портландцемента.