Methods and apparatus for determining the activity of cement

Abstract

A review of methods and instruments for determining the activity of Portland cement, analyzed their characteristics, advantages and disadvantages identified, conclusions on the use of the best method for measuring the activity.

Full Text

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.