На рисунке 7.1-1 представлено строение частицы цемента в разрезе. При дей­ствии воды на порошок цемента составные части его вступают в реакцию с водой. В ходе этого процесса выделяется известь и образуются нерастворимые в воде новые соединения, так называемые гидросиликаты и гидроалюминаты кальция.

Химически связав часть воды, новые соединения, обладая меньшей раство­римостью, выпадают из раствора в виде мельчайших кристаллов, невидимых даже под обычным микроскопом. Эти кристаллы срастаются, переплетаясь между собой и образуя плотное камневидное тело.

Наиболее полную теорию твердения цементов создал русский ученый, академик А. А. Байков. Эта теория расширена и углублена в многочисленных работах советских ученых.

На рисунке 7.1.4-1 показан кусочек затвердевшего цементного камня, уве­личенный в 25 000 раз современным электронным микроскопом. Вещества, образующиеся при взаимодействии цемента с водой, по своему кристалличе­скому строению близки к минералам, составляющим обычные горные породы, поэтому они хорошо сцепляются с их поверхностью.

Чтобы улучшить свойства цемента, к нему при помоле добавляют не­большое количество гипса. Даже при 3-5 % в составе смеси его роль весьма существенна. Небольшая добавка гипса сильно влияет на сроки загустевания цементного теста, удлиняя его схватывание до нескольких часов, что позволя­
ет перевозить и укладывать бетонную смесь в конструкции. Кроме того, гипс увеличивает прочность и стойкость це­мента. Происходит это потому, что он химически соединяется с наиболее сла­бой составной частью цемента - трех- кальциевым алюминатом, превращая его в более стойкое вещество.

Цементы без гипса или с малым его количеством часто загустевают уже в процессе перемешивания, и это создает неудобства при работе с цементом.

Сроки схватывания зависят от тем­пературы материалов для бетона и са­мой бетонной смеси после затворения. Чем выше температура, тем быстрее на­чинается загустевание. При температу­ре выше +60°C обычно происходит быстрое схватывание большинства цементов. При температуре ниже 0°С схватывание и твердение цементов прекращается.

Прочность бетона в наибольшей степени зависит от прочности цементного камня. В свою очередь, прочность цементного камня в большой степени зави­сит от состава цемента, качества его обжига, тонкости измельчения и количе­ства воды, взятой для затворения. Чем больше воды взято на замес, тем меньше прочность цементного камня и, следовательно, бетона.

Изучение процессов твердения цементов показало, что при этом химиче­ски соединяется с цементом только 15-20 % воды по отношению к весу цемен­та. Но в состав бетонной смеси приходится вводить большее количество воды для придания ей подвижного удобоукладываемого состояния за счет образо­вания подвижного цементного теста, которое смазывает поверхность песка и каменных материалов. Обычно в бетонной смеси отношение количества воды к весу цемента находится в пределах 45-65%. Излишек воды по сравнению с ко­личеством, необходимым для химических реакций, раздвигает частицы песка и каменных материалов в составе бетона и увеличивает в нем объем пустот. Це­ментный клей становится разбавленным и прочность его понижается. Умень­шается и плотность бетона, а от плотности зависит его долговечность.

Для дорожного бетона допускается водоцементное отношение не более 0,50-0,55 в зависимости от климатических условий, в которых он будет работать.

Для того чтобы уменьшить количество воды в составе бетонной смеси, практикуется добавка небольшого количества так называемых поверхностно - активных веществ. Научные основы их действия разработаны в нашей стране

Академиком П. А. Ребиндером. Эти вещества, распределяясь по поверхности ча­стиц цемента, покрывают их тончайшей пленкой, создают смазывающий слой; при этом увеличивается пластичность бетонной смеси. Такие вещества назы­вают пластификаторами. Пластификаторы добавляются в очень небольшом количестве - десятые доли процента от веса цемента, но, несмотря на это, дей­ствие их очень сильное. На рисунке 7.1.4-2 приведены снимки под микроско­пом цемента, замешанного с водой без добавки пластификаторов и с добавкой. В обычном цементном тесте отдельные частицы слиплись в крупные хлопья, с добавкой же пластификатора все эти частицы разделились, увеличив таким образом пластичность теста.

В качестве пластификаторов применяется отход бумажного производ­ства - сульфитно-спиртовая барда, сейчас ее называют лигносульфонат техни­ческий (ЛСТ). Добавка пластификатора не только повышает пластичность бе­тонной смеси, но и улучшает технические свойства бетона, например, его моро­зостойкость. Если при добавке пластификатора не увеличивать пластичность бетонной смеси, а сократить водоцементпое отношение, то можно увеличить прочность бетона или уменьшить расход цемента. Цементная промышленность выпускает пластифицированные цементы в массовом количестве.

Для бетонных дорожных покрытий важное значение имеет добавление в состав смеси веществ, повышающих долговечность бетона. В условиях кли­мата средних и северных широт России основным фактором, вызывающим раз­рушение дорожного покрытия, является многократное замораживание бетона в то время, когда он насыщен водой. Улучшение морозостойкости делает бетон более долговечным. Необходимое повышение морозостойкости достигается введением в бетон микродоз специальных веществ, обладающих способностью образовывать небольшие количества пены в составе бетонной смеси. Как ни удивительно, но оказывается, что бетон, содержащий в своем объеме неболь­шое количество пустот (4-5 %) в виде мелких, равномерно распределенных пузырьков воздуха, обладает в 2-3 раза большей морозостойкостью, чем обыч­ный. Количество вспенивающих веществ, называемых воздухововлекающими добавками, составляет всего несколько сотых процента от веса цемента. В ка­честве таких добавок обычно применяется канифольное мыло (промышленное название - абиетиновая смола).

Воздухововлекающие добавки должны найти широкое применение в до­рожном строительстве, так как позволят значительно повысить долговечность бетонных дорожных покрытий.

Среди специальных цементов, обладающих важными свойствами, следует отметить разработанный советскими учеными (М. И. Хигеровичем и Б. Г. Скрам - таевым) гидрофобный цемент. Само название говорит о том, что этот цемент от­талкивает воду.

Гидрофобность цементу придает добавление при помоле небольшого ко­личества вещества, которое не смачивается водой. Такое вещество образует тонкую молекулярную пленку на поверхности частиц цемента. Гидрофобный цемент, находясь даже во влажном воздухе, не теряет своей активности. Он гораздо устойчивее к длительному хранению, чем обычный портландцемент. Когда же в составе бетонной смеси гидрофобный цемент попадает в бетономе­шалку, то под действием трения о частицы песка и щебня жировая пленка на его поверхности прорывается, и он смачивается водой. Гидрофобный цемент придает бетону повышенную морозостойкость по сравнению с обычным порт­ландцементом. Так же, как и пластифицированный цемент, гидрофобный це­мент является улучшенной разновидностью портландцемента.

На основе портландцементного клинкера выпускается целый ряд цементов с добавками. В зависимости от вида добавки изменяется и название цемента. Если портландцемент смешивается с доменными шлаками, то его называют шлакопортландцементом. Если в качестве добавки используются природные материалы, обладающие способностью химически соединяться с известью (так называемые пуццоланы), то такие цементы называются пуццолановыми порт - ландцементами. И шлакопортландцемент, и пуццолановый портландцемент обладают более медленным твердением по сравнению с портландцементом и менее морозостойки, поэтому их применение для дорожных покрытий не допу­скается. Они могут быть использованы для подводных и подземных сооруже­ний и конструкций, повергающихся обычным атмосферным воздействиям.

Из специальных цементов представляет интерес глиноземистый цемент. Он отличается большой скоростью твердения. Такой цемент полностью затвер­девает в течение трех суток, приобретая за это время полную прочность. Одна­ко быстрое твердение сопровождается большим выделением тепла, способным привести к растрескиванию конструкций в результате неравномерного нагрева. Кроме этого, высокая температура (выше +25 °С) нарушает процесс твердения глиноземистого цемента; образующиеся при этом неустойчивые соединения снижают прочность и долговечность бетона.

Глиноземистый цемент применяют в тех случаях, когда нужно быстро вос­становить или забетонировать какую-нибудь конструкцию. Он применим толь­ко для тонкостенных сооружений. Применение такого цемента ограничено из - за большой стоимости (вдвое дороже портландцемента) и дефицитности сырья для его приготовления.

Одним из серьезных недостатков портландцемента является усадка - умень­шение размеров изготовленных на нем бетонных конструкций при нахождении их на воздухе. В последнее время созданы цементы, не обладающие этим недо­статком и даже расширяющиеся в процессе твердения. В СССР такой цемент был разработан группой ученых под руководством В. В. Михайлова и Б. Г. Скрамтаева.

Расширяющийся цемент характеризуется увеличением объема в первые часы и сутки твердения. Если изготовить из него изделие длиной 1 метр, то че­рез трое суток оно удлинится на 15 миллиметров. Дорожное покрытие из та­кого цемента на третьи сутки дало бы 15-метровый прирост длины на каждый километр - он как бы растет при затвердевании. Такое замечательное свойство расширяющегося цемента позволяет использовать его с наибольшим успехом для заделки швов в различных сооружениях. В частности, он применяется для уплотнения швов между тюбингами в тоннелях московского метро. Расширя­ющийся цемент находит применение для ремонта конструкций, когда важно обеспечить плотное прилегание их частей. Недостаточная морозостойкость бе­тона на таком цементе не позволяет применять его для сооружений, к которым предъявляются требования высокой морозостойкости.

Есть и другие виды специальных цементов: магнезиальный, кислотостой­кий и др. Их описание читатель найдет в специальных руководствах.

Для строительства дорожных покрытий обычно применяется портланд­цемент. Однако необходимо, чтобы этот цемент обладал высокой прочностью, небольшой изнашиваемостью, высокой морозостойкостью и хорошей устойчи­востью к переменам температуры. Не все заводы выпускают портландцемен - ты, удовлетворяющие этим требованиям. Технические условия на цемент для дорожного строительства предусматривают ограничение содержания (до 9 %) в цементе неустойчивого минерала, о котором мы уже говорили выше, - трех - кальциевого алюмината. Марка дорожного цемента должна быть не ниже 500.

Для растворов каменной кладки могут успешно применяться цементы на местных материалах - извести, шлаках, гипсе. Производство таких цементов с использованием в качестве активной составляющей молотой извести-кипелки развивается в нашей стране на основе предложений И. В. Смирнова и разрабо­танной им совместно с Б. В. Осиным теории. Они значительно дешевле обычно­го портландцемента и обладают необходимыми строительными качествами.

Применение извести-кипелки внесло переворот в технику использования извести. Активная энергия, заключенная в обожженной извести и терявшаяся прежде во время гашения, теперь используется при твердении растворов.