Активность и марки портландцемента: какие бывают и способы их определения?

Активность цемента определяется как показатель фактической прочности образцов, специально изготовленных для анализа и испытанных в заданных условиях, определенных нормативными документами.

Существует два параметра, определяющих активность (марку) цемента – это определение прочности на разрыв и на изгиб. Для таких испытаний необходимы специально созданные образцы из цементного теста нормальной консистенции, размерами 40*40*160 мм. Все этапы их изготовления и испытания определяются ГОСТом 310.4-81.

Для определения активности цемента применяют как прямые, так и косвенные методы. Прямые методы, самые действенные, но требуют длительного времени (процесс определения основан на твердении цемента), так что для оперативных задач используют косвенные, более быстрые методы. Здесь подходы могут быть различные: кто-то использует контракцию, кто-то оценивает активность через электропроводность цементной суспензии. Оценка активности через электропроводность – простой путь, который при этом нельзя назвать надежным. Прогнозируемые результаты не имеют методологического обоснования и потому рекомендацию для использования в серьезных случаях получить не могут.

Действие контракциометров основано на установлении связи активности цемента с процессом уменьшения объема цемента в результате гидратации специально изготовленного цементного раствора. Это единственный вид приборов, который может быть признан эффективным для оперативного определения активности цемента.

Существуют приборы контракциометры КД-07 и ВМ-7.7, которые могут дать методологически обоснованный результат, однако в данном случае в процессе определения активности (марки) цементов требуется визуальное наблюдение за технологическим процессом, а также проведение подсчета результатов вручную в соответствие с установленной методикой.

Приготовление цементного раствора нормальной консистенции для определения марки цемента

Определение марки цемента предполагает приготовление цементно-песчаного раствора заданным образом. Для смешивания раствора в пропорции 1:3 понадобится:

• 500 г цемента (непосредственно того образца, который назначен к исследованию).
• 1,5 кг песка. Для получения точного результата важно выбрать правильный песок – чистый (мытый) кварцевый песок, с содержанием SiO2 не менее 98%. Влажность материала – менее 0,2 % с потерями при прокаливании менее 0,05%.

Если не соблюсти эти условия, то оценку марки цемента нельзя будет признать корректной.

Оба компонента высыпают в чашу, внутренняя часть которой протерта мокрой тканью. Срок для промешивания – 1 минута. Затем в смеси делается лунка, в которую вливают 200 г воды. Время, выделяемое на впитывание – 0,5 минут, а затем в течение минуты перемешивают вручную. Далее смесь помещают в мешалку (ее чашу протирают влажной тканью) и мешают в течение 2,5 минут.По окончанию процесса нужно оценить консистенцию получившегося раствора. Для этого применяют встряхиватель, на котором имитируют виброуплотнение раствора.

Смесь закладывается в два этапа слоями равной толщины в стандартную форму-конус, установленную на диск встряхивающего столика, а после этого штыкуется по ГОСТу:

• нижний слой – 15 раз,
• верхний слой – 15 раз.

Затем, в указанной последовательности, выполняются следующие действия:

• Форму для загрузки снимают, излишки раствора срезают.
• Цементный конус встряхивают 30 раз в течение 30 ± 5 секунд.
• Основание конуса измеряют по перпендикулярным диаметрам и берут среднее значение.

Изготовление образцов

Образцы для определения марки цемента изготавливают стандартных размеров в специальных формах. Формы должны быть разъемными и из прочного материала – к примеру, из чугуна или стали. Перед заполнением раствором форму смазывают машинным малом, а стыки – вазелином. Форму заполняют на 10 мм, устанавливают на вибростенд и после запуска установки форма заполняется окончательно – порционно в течение 2 минут. Через три минуты установка отключается, а излишки смеси снимают ножом, смоченным в воде. Образец сглаживают, маркируют и, оставляя его в форме, выдерживают в специализированной ванне с гидравлическим затвором 24 часа (в случае растрескивания образца, оставляют его в ванной еще на 48 часов). Затем их достают из ванны, извлекают из форм и укладывают в бассейн с водой. Вода должна быть 20 ± 2 градусов по Цельсию и накрывать образцы минимум на 20 мм. Воду в бассейне заменяют раз в две недели. И после 28 суток твердения их извлекают из ванной, испытания проводятся максимум за час.

Что такое активность цемента

Активность цемента (ГОСТ 310.4-81) – прочность при испытании на сжатие образца из цементного раствора. После проведения лабораторных испытаний материалу присваивается марка (производители должны указать ее на упаковке). Например, ЦЕМ 32,5 (М400), ЦЕМ 42,5 (М500) или др.

Цемент может вступать в реакцию с влагой, находящейся в воздухе, при этом образуется твердый цементный камень, что впоследствии отрицательно сказывается на прочности изготавливаемого цементного или бетонного теста. Активность цемента измеряется в МПа, как и его марка.

Особенностью бетона и цемента является то, что эти строительные материалы при эксплуатации со временем становятся только прочнее. Это связано с тем, что процесс гидратации происходит непрерывно. Выделяют три этапа гидратации цемента: активную фазу, перспективную и фазу деградации.

Активная фаза

Длится 28 суток – срок полного застывания цементного раствора. Вступает в реакцию с водой и кристаллизуется за этот период большая часть компонентов.

Перспективная фаза

На протяжении года идет полная кристаллизация, а прочность цемента при этом приближается к максимальному показателю.

Фаза деградации

Кристаллизованные минералы разрушаются в процессе коррозии, в изделии появляются трещины, нарушается структура бетона. Химическая активность цемента может быть меньше его марки даже в полтора-два раза. Например, активность цемента ЦЕМ 32,5 (М400) обычно составляет 200-330 МПа, а активность цемента ЦЕМ 42,5 (М500) – 250-420 МПа.

Активность цемента таблица (представлены несколько заводов изготовителей):

Виды определения пределов прочности

В зависимости от особенностей дальнейшего использования цемента и бетона на его основе существует несколько различных подходов к определению активности. Рассмотрим несколько методик.

Определение прочности на изгиб

Суть метода в постепенном увеличении нагрузки на образец посредством специального пресса (скорость нагружения — 50±10Н/с). При этом испытание образцов производится при их расположении поперечной гранью – продольно. Итоговый результат берут как среднее арифметическое между двумя самыми высокими показателями испытаний образцов из трех.

Определение прочности при сжатии

Этот метод требует равномерной нагрузки с предельной силой — 200-500кН. Для этого три образца, разделенных на половины, располагают между специальными полированными металлическими пластинами. Площадь соприкосновения образца в продольном положении и пластины – 25 см2. После центровки на опорной плите в качестве результата принимается среднее значения четырех самых высоких показателей.

Определение прочности цемента при пропаривании

Для изготовления конструкций из бетона или железобетона подчас необходимо сократить срок твердения. Для этого используют тепловлажную пропарку. Именно поэтому для таких случаев целесообразно использовать определение активности цемента при пропаривании.

Подготовка образцов и все процедуры проводятся в стандартных условиях, однако пропаривание необходимо производить в специализированной камере. Стандартизированная температура — 20±3 градусов по Цельсию при выключенном обогреве в течение 2 часов. Значение прочности определяется в соответствие с ГОСТом.

Однако все эти методы требуют очень длительного времени. Самый скорый метод определения марки цемента без потери точности измерений – контракциометрический. Он использует для оценки показатели уменьшения объема раствора при гидратации материала. Именно эти данные ложатся в основу расчетов активности цемента. Именноэтот метод лег в основу нового прибора предприятия «Интерприбор».

Этот прибор позволяет исследования по определению активности цемента проводить в ускоренном режиме – то есть фактически в течение 3 часов. Также «Цемент-прогноз» позволяет работать с такими измерениями как сроки схватывания цемента, морозостойкость, прочность и водонепроницаемость бетона.

Что это такое

Точное определение активности цемента демонстрирует абсолютную прочность испытуемого образца, сделанного из цементного раствора. На основании полученных показателей вяжущему присваивают ту или иную марку и больше понятие активности не используют (в технической документации оно не указывается). Но есть определенные случаи, когда активность и марка цемента устанавливаются в домашних условиях.

Уровень прочности может меняться в зависимости от того, какой вид присадок вводится в состав и в каких объемах. При этом, следует учитывать, что присадки влияют на характеристики смеси и активность, но никак не на марку цемента. К примеру, ускоритель твердения может в разной степени понижать срок набора прочности монолитом, но вот на твердость камня не влияет.

Таким образом, получается, что активность цемента – это своеобразное поведение структуры материала на протяжении срока службы залитой конструкции или изделия.

• На протяжении первых 28 суток после приготовления раствора – монолит набирает прочность по проекту, в это время основной объем структуры вступает в реакцию и кристаллизуется.
• На протяжении времени эксплуатации – кристаллизация еще может проходить, но активность в состоянии покоя может отсутствовать.
• Окончание срока эксплуатации – минералы в составе кристаллов начинают реагировать с водой, что ведет к коррозии, деформации и другим изменениям.

Маркировка и расшифровка

Каждый вид цемента имеет определенную маркировку. Она показывает, для какой области применения подходит вяжущий порошок. Состоит из чисел и букв.

Таблица с расшифровкой маркировок цемента разных видов:

Марка вяжущего порошка по прочности обозначается буквой М и числом после нее, например, М500. Это означает, что материал выдерживает нагрузку 500 кг/см2. Также эта характеристика может быть указана только числом – 22,5, 32,5, 42,5 и 52,5. В этом случае ее называют не маркой, а классом. Она означает, что изделие выдерживает давление, например, в 22,5 МПа.

Таблица с новыми и старыми маркировками марок цемента:

Также на мешках помимо маркировки о прочностных характеристиках и морозостойкости указывается быстрота затвердевания.

Что означает активность цемента

При определении прочностных характеристик, изготавливают эталонные кубики из бетона с ребром 200 мм. Далее, на гидравлическом прессе такой кубик подвергают сжатию, пока образец не разрушится.

Таким образом, самой важной характеристикой для данного вещества является прочность, от которой зависит долговечность всех строений, где он используется. Если говорить более корректно, то прочностные свойства данного стройматериала называются одной фразой: активность цемента.

Прежде чем выпустить его в продажу, сначала проводятся стандартные испытания, затем результат сравнивается с общепринятыми показателями и, на основе этого, ему присваивается определенный класс и марка.

Также важно знать, что под влиянием не одного фактора активность этого стройматериала может снизиться. Этой проблемой озадачены многие производители и продавцы данной продукции.

Некоторые, наверное, встречали глобальные распродажи цемента по заниженной цене и удивлялись, с чем же это связано. На самом деле такие большие скидки делаются не зря, ведь со временем прочность цемента падает больше, чем на четверть процента. Но на этот процесс влияет не только срок его хранения. Итак, какие факторы влияния существуют?

Технические характеристики портландцемента

Оценка качества портландцемента осуществляется по следующим характеристикам:

• Плотность. Эта величина определяется минералогическим составом материала. В рыхлом состоянии она находится в пределах 0,9-1,3 т/м3, в уплотненном – 1,5-2 т/м3.
• Период схватывания. Эта техническая характеристика является важным свойством портландцемента. Она зависит от минералогического состава сырья, тонкости помола, водоцементного соотношения, температуры окружающей среды. Схватывание должно начаться не ранее чем через 45 минут, а закончиться – не позже, чем через 12 часов после затворения портландцемента. По нормативам портландцемент, предназначенный для создания бетонных покрытий дорог, может схватываться только через 2 часа после его затворения.
• Тонкость помола. Эта величина, равная суммарной поверхности зерен в единице массы цемента, существенно влияет на технические характеристики материала, в частности, на скорость его твердения. У обычного портландцемента тонкость помола равна 2500-3000 см2/г, быстротвердеющего – 4000-6000 см2/г.
• Равномерность изменения объема во время твердения цементной лепешки. Это одна из главных технических характеристик портландцемента. Неравномерное схватывание характерно для вяжущего, в составе которого присутствует слишком большое количество свободной извести или оксида магния. Равномерность изменения объема измеряется на четырех лепешках, которые изготавливаются из цементного теста нормальной густоты. Испытания проводят способом кипячения. Цемент считается прошедшим испытания, если на лицевой стороне всех лепешек отсутствуют: сетка мелких трещин или крупные радиальные трещины, доходящие до края.
• Водоцементное соотношение (водопотребность). Этот термин означает количество воды, необходимое для изготовления продукта требуемой пластичности. Для портландцемента водоцементное соотношение составляет примерно 25 %. При необходимости его снижения в состав сырьевой смеси вводят пластификаторы.
• Водоотделение. Этот процесс происходит при твердении строительного раствора или смеси из-за опускания частиц вяжущего и заполнителей под действием силы тяжести. Вода может выступать на поверхности бетонного элемента, между слоями укладываемой смеси или раствора, вокруг частиц заполнителя или арматурных стержней. Наличие таких тонких водных пленок внутри бетонного элемента значительно снижает его прочность и долговечность.
• Морозостойкость. Это свойство характеризует способность отвердевшего цементно-песчаного слоя или бетонной конструкции, изготовленных на базе портландцемента, выдерживать циклы замерзания/оттаивания без потери рабочих характеристик.
• Коррозионная стойкость. Ее обычно разделяют на химическую и физическую коррозионную стойкость. Химическая коррозионная стойкость зависит от минералогического состава, а именно, от способности компонентов выдерживать воздействие химически агрессивных сред. Физическую коррозионную стойкость улучшают снижением пористости бетона, уменьшением радиуса пор и их обработкой гидрорфобизирующими составами.
• Тепловыделение. Это свойство характеризует величину тепла, выделяемого в процессе гидратации цемента. Портландцемент, слишком активно выделяющий большое количество тепла, нельзя использовать при строительстве массивных сооружений из-за большой разницы в температурах на поверхности и внутри бетонного элемента. Для регулирования тепловыделения цемента применяют специальные активные добавки.

Осевое растяжение бетонного образца

Такую характеристику, как растяжение бетона по оси, обычно не принимают в расчет. По осевому растяжению можно определять способность бетона выдерживать колебания температур и влажности без растрескивания и разрушения бетона.

Рассчитать этот параметр можно растягиванием бетонных балок на исследовательском оборудовании. При этом наблюдается разрушение балки при воздействии противоположных сил растяжения. Повысить значение осевого растяжения можно добавлением в смесь мелкозернистых заполнителей.