Состав бетона: сравнительный расчет характеристик цементов

Для целей выбора наилучшего цемента для бетона необходимо сделать сравнительный анализ наиболее важных характеристик цементов. Причем в данном случае речь идет о характеристиках конечных продуктов из цемента – цементного камня или цементного теста. Вариант покупки каждого цемента и проверки его характеристик, само собой, не самый лучший с точки зрения финансовой и временной, однако, с другой стороны он же и самый надежный. Тем не менее, ненамного уступает по надежности и метод расчетов и моделирования – когда по начальным/входным данным и параметрам составляющих компонентов бетонную смесь, вычисляют основные характеристики бетона. А в плане экономии финансовых средств и времени, расчетный метод не имеет себе равных.

В данной статье мы приведем сравнительные расчеты различных параметров для различных цементов. В первом примере мы проведем расчет (и сравним результаты) выхода цементного теста нормальной густоты χ для двух видов цемента: пуццолановый портландцемент (с нормальной густотой 30% и плотностью ρ = 2,85 г/см3) и портландцемент (с нормальной густотой 24% и плотностью ρ = 3,13 г/см3). Выход цементного теста, по определению, это объем теста, который дает нам единица массы цемента.

Выход цементного теста вычисляется по формуле:

η = 1/ρ + В/Ц,

            соответственно, для пуццоланового портландцемента, мы имеем:

η = 1/2,85 + 0,30 = 0,65 см3/г;

            для потрландцемента:

η = 1/3,13 + 0,24 = 0,56 см3/г;

            Сравнение по абсолютной величине нам дает:

Δη = |0,65 – 0,56| =0,09;

            по относительной

σ = (0,65 – 0,56)/0,56 = 0,16 = 16%.

            Проведем анализ объемных масс цементного теста:

mV = (1 + В/Ц)/η.

            Для цементного теста из пуццоланового портландцемента нормальной густоты, объемная масса равна:

mV = (1 + 0,3)/0,65 = 2 г/см3,

            а для портландцемента:

mV = (1 + 0,24)/0,56 = 2,21 г/см3.

            Следовательно, абсолютное и относительное изменение объемной массы равны:

ΔmV = 0,21 г/см3, σ = (2,21 – 2)/2,21 = 0,1 = 10%.

            Окончательный вывод заключается в том, что объемная масса цементного теста из пуццоланового портландцемента на 10% меньше, а выход теста на 16% по отношению к портландцементу.

В следующем примере, определим пористость затвердевшего цементного камня, основой которого являются различные виды цементов. Мы рассмотрим следующие виды: портландцемент, пуццолановый портландцемент и глиноземистый цемент. Начальные данные примем следующие – водоцементное отношение (В/Ц = 0,4): цементное тесто содержало 40% воды относительно массы цемента. Связанную химически воду в цементном камне примем ‑ для глиноземистого цемента: 20% по массе (В/Цсв = 0,2); для портландцемента: 15% по массе (В/Цсв = 0,15) и для пуццоланового портландцемента: 12% по массе (В/Цсв = 0,12). Плотность глиноземистого цемента возьмем равной ρ = 3 г/см3, портландцемента ρ = 3,1 г/см3 и для пуццоланового портландцемента ρ = 2,85 г/см3. В расчетах будем пренебрегать изменением объема цементного камня при твердении.

Для начала определим состав цементного теста: 1 часть цемента и 0,4 части воды – абсолютный объем, занимаемый тестом и камнем, можно вычислить по следующим формулам:

VТ = 1/ρц + В/Ц,

VК = 1/ρц + В/Цсв.

            Далее пористость цементного камня вычисляется по формуле:

χ = (VТ – VК)/VТ

            Подставив соответствующие данные и проведя все вычисления, мы составили следующую сравнительную таблицу для облегчения сравнения.

Сравнительная таблица различных цементов

Цемент

Связанная вода, %

Абсолютный объем, см3

Пористость камня, %

тесто

камень

Портландцемент

15

0,723

0,473

35

Пуццолановый портландцемент

12

0,751

0,471

37

Глиноземистый цемент

20

0,733

0,533

27

Как видим из таблицы, при использовании глиноземистого цемента, мы получаем наименьшую пористость цементного камня и максимальный абсолютный объем камня. Пуццолановый портландцемент обладает наименьшим процентом связанной воды и максимальной пористостью, что, в принципе, является логичным – большее количество воды выходит за счет испарения, образуя пористую структуру.

Следующий пример также посвятим расчету пористости – определим пористость цементного камня из теста с В/Ц = 0,4, если степень гидратации λ равна 30% и 50%. При полной гидратации связывается 36% воды по отношению к массе цемента, плотность цемента возьмем равной ρ = 3,14 г/см3.

Как и выше, формулы для расчета абсолютных объемов цементного теста и цементного камня из единицы массы цемента возьмем следующие:

VТ = 1/ρ + В/Ц,

VК = 1/ρ + В/Цсв.

            Тогда, при степени гидратации λ = 30%:

VТ = 0,428, и пористость – χ = 1 – VК/VТ = 41%;

            при степени гидратации λ = 50%:

VТ = 0,5, и пористость – χ = 1 – VК/VТ = 31%;

            Таким образом, как и следовало ожидать, пористость при более полной гидратации уменьшается.

В последнем примере сравним тепловыделение для двух типов цемента, состав которых задан таблицей:

Минералогический состав цемента и теплота гидратации

Минералы

Теплота гидратации минералов, ккал/г

Содержание в %, минералов в цементах

3 суток

28 суток

цемент 1

цемент 2

3CaO·SiO2

97

116

65

32

2CaO·SiO2

15

40

18

48

3CaO·Al2O3

141

209

5

12

4CaO·Al2O3·Fe2O3

42

90

8

8

Для цемента 1 тепловыделение на 1 кг вычисляется по формуле:

0,65·97 + 0,18·15 + 0,05·141 + 0,08·42 = 76,1 ккал – за 3 суток

0,65·116 + 0,18·40 + 0,05·209 + 0,08·90 = 100,35 ккал – за 28 суток;

            По аналогии для цемента 2 получим за трое суток – 58,66 ккал и за 28 суток – 88,7 ккал. Полученные данные являются необходимыми, например, при расчете прогрева бетона в зимнее время, поскольку они позволяют учесть внутреннее тепловыделение.

Комментарии закрыты.