8.3. Формирование структуры и свойств цементного теста

Путем тщательного смешения цементного порошка с водой получают цементное тесто; оно представляет собой концентрированную водную суспензию, обладающую характерными свойствами структурированных дисперсных систем: прочностью структуры, пластической вязкостью, тиксотропией. Цементное тесто до укладки бетонной смеси и начала схватывания имеет в основном коагуляционную структуру, в нем твердые частицы суспензии связаны ван-дер-ваальсовыми силами и сцеплены вследствие переплетения гидратных оболочек, покрывающих частицы.

Структура цементного теста разрушается при механических воздействиях (перемешивании, вибрировании и т. п.), вследствие этого резко падает предельное напряжение сдвига, и тесто с предельно разрушенной структурой, подобно вязкой жидкости, заполняет форму. Переход теста в текучее состояние носит тиксотропный характер, т. е. после прекращения механических воздействий структурные связи в системе вновь восстанавливаются.

Структурно-механические свойства цементного теста возрастают по мере гидратации цемента. Например, предельное напряжение сдвига цементного теста, измеренное после его изготовления, составило 0,01 МПа; к началу схватывания оно возросло до 0,15 МПа (т. е. в 15 раз), а к концу схватывания достигло 0,5 МПа (увеличилось в 50 раз). Следовательно, цементное тесто отличается способностью быстро изменять реологические свойства в течение 1—2 ч.

Формирование структуры цементного теста и прочности происходит следующим образом. Первыми элементами структуры, образующимися после смешивания цемента с водой, являются эттрингит, гидрат окиси кальция и иглы геля С—-S-—H, растущие из частиц клинкера. Присутствие эттрингита в виде коротких гексагональных призм обнаружено уже через 2 мин после затворения цемента водой, а спустя несколько часов появляются зародыши кристаллов Са(ОН)₂. Частицы геля гидросиликата, имеющие первоначально игольчатую форму, продолжая расти, ветвятся, становятся древовидными. Образование дендритных форм является одной из причин соединения частиц геля гидросиликата в агрегаты, имеющие характерную форму «снопов пшеницы» или в виде плотно агломерированных листков. Тонкие слои геля получаются и между кристаллами Са (ОН)₂, образуя с ними сросток, упрочняющий цементное тесто.

Первичная структура цементного теста представляет собой малопрочный пространственный каркас из дисперсных частиц продуктов гидратации и не полностью гидратированных зерен цемента, связанных ван-дер-ваальсовыми силами и переплетенными гидратными оболочками, адсорбированных на частицах воды. По мере увеличения количества новообразований подвижность твердых частиц снижается и цементное тесто загустевает. К концу периода схватывания формируется основная структура цементного теста, которое затем превращается в цементный камень.

Клеящая способность цементного теста зависит от дисперсности твердой фазы: она повышается по мере гидратации цемента, т. е. при превращении все большего количества цемента в гель. Однако удельная поверхность геля гидросиликата значительно уменьшается при высушивании, что видно из опытных данных. Цементный камень, изготовленный из раствора с В/Т =0,4 имел в возрасте 514 сут (при гидратации 86 % цемента) удельную поверхность, м²/г: 708 — при 100 %-ной, 330 — при 50 %-ной и 189 — при 12 %-ной относительной влажности. Укрупнение частиц новообразований при сильном высушивании не только снижает клеящую способность гидратированного цемента, но и повышает его хрупкость. Все эти исследования подтверждают необходимость ухода за бетоном, предотвращающего его раннее высушивание, а также создание соответствующих влажностных условий при тепловой обработке железобетонных конструкций.