Структура цементного камня

Отвердевший цементный камень, как это вытекает из рассмотренных теорий твердения, представляет собой микроскопически неоднородную систему, состоящую из кристаллических сростков и гелеобразных масс в виде частиц коллоидных размеров, т. е. имеет коагуляционно-кристаллизационную структуру. Неоднородность структуры усиливается тем, что в составе отвердевшего цементного камня содержится то или иное количество частиц цементного клинкера, неполностью прореагировавших с водой, либо остекловавшихся частиц, вовсе неспособных к гидратации. Эти различной формы и размеров частицы являются как бы инертными материалами, заполнителями в отвердевшем цементном камне. Подобный конгломерат называют «микробетоном» по аналогии со строением обычного бетона. Следует учесть, что в растворобетонном узле в большинстве случаев при помоле клинкера вводится то или иное количество активных или инертных минеральных добавок, которые также оказывают сильное влияние на структуру цементного камня разнообразием зернового состава и формой частиц. Рациональными методами подбора минералогического и зернового составов «микробетона» (в частности путем подбора количества и степени измельчения микронаполнителей) можно регулировать необходимые свойства цементного камня в желательном направлении. Структурная составляющая цементного камня, образованная непосредственно срастанием кристаллов, обладает повышенной и быстро нарастающей прочностью, совершенной упругостью и в то же время недостаточной деформативностью, т. е. хрупкостью. Гелевая структурная составляющая характеризуется замедленным, но более длительным во времени приростом прочности и более высокой деформативностью. Исследования подтверждают тесную связь между минералогическим составом цемента, структурой цементного камня и его физико-механическими свойствами. Подбирая минералогический состав цемента с необходимым соотношением клинкерных минералов, дающих при твердении цементного камня то кристаллические сростки, то гелевую структурную составляющую, можно воздействовать на структуру и физико-механические свойства цементного камня и бетона в необходимом направлении.

 

На структуру бетона значительное влияние оказывает также практически неизбежная пористость цементного камня, связанная с начальным содержанием воды в бетонной смеси. Известно, что количество воды, расходуемое на приготовление бетонной смеси в бетоносмесителях, требуемой подвижности и удобообрабатываемости, в 2—3 раза превышает количество воды, химически связываемой цементом в процессе твердения. Так, если содержание воды в смеси можно в среднем принять на основании практических данных равным 40—60% от веса цемента, то количество воды, вступившей в химическую реакцию с цементом, составляет от 15 до 25% от этого веса и то в достаточно позднем возрасте (до одного года) и при вполне благоприятных условиях твердения. Таким образом, полезно используется на процессы гидратации лишь часть воды затворения. Большая часть воды затворения, находящаяся в полусвязанном или в свободном состоянии, вместе с воздухом, попавшим в бетон во время перемешивания смеси в растворосмесителях  и укладки ее в формы на заводах бетона, образует в затвердевшем цементном камне сотни мелких пор и капиллярных ходов, рассеянных по всей массе камня. Общий объем таких пор составляет в среднем от 25 до 40% от объема цементного камня. Поры в цементном камне в зависимости от их диаметра, возраста и влажности бетона заполнены водой, водяными парами или воздухом. По мере уменьшения водоцементного отношения в бетонной смеси уменьшается пористость и повышается плотность структуры цементного камня, а это приводит к повышению его прочности, уменьшению проницаемости для воды и повышению морозостойкости. Однако даже при наиболее низком доступном для практического применения водоцементном отношении наличие пор и капилляров в цементном камне все же неизбежно. Вместе с тем при укладке бетонной смеси с малым водосодержанием, специалисты отмечают, что в ней могут появиться более крупные поры и каверны из-за неудовлетворительного уплотнения. Только при особых условиях интенсивного уплотнения можно получить относительно высокую плотность цементного камня при очень малых значениях водоцементного отношения.

 

Таким образом, цементный камень представляет собой весьма сложный конгломерат, состоящий из кристаллических и коллоидных новообразований, незатронутых еще водой частичек цементного клинкера и значительного количества микропор и сообщающихся капилляров, заполненных водой, водяным паром и воздухом. Для цементного камня характерно не только наличие пористости, но и огромное количество внутренних поверхностей, разделяющих твердую фазу вещества от жидкой и газообразной. Этим объясняется чувствительность цементного камня и бетона к изменениям влажностного состояния окружающей среды, возможность перемещения влаги в бетоне при определенных условиях, а также относительная нестойкость цементного камня в условиях агрессивного воздействия водной среды. Задача повышения прочности и стойкости бетона в значительной степени зависит от увеличения плотности и однородности структуры цементного камня, а это в свою очередь определяется составом и свойствами цемента и принятой технологией изготовления изделий.