Свойства цементного камня

Цементным камнем называется пористое твердое тело, об­разующееся при затвердевании ТР.

Разнообразные тампонажные материалы образуют цемент­ные камни с различными свойствами, однако общим для них является изменчивость свойств во времени. При затвердевании всех тампонажных материалов образующийся цементный ка­мень с той или иной скоростью проходит стадии структурообразования и затем деструкции, в ходе которых все свойства це­ментного камня непрерывно изменяются.

Свойства цементного камня являются функцией пористости, прочности элементов твердой фазы и контактов между ними, дисперсности и морфологии частиц твердой фазы.

Пори­стость зависит от исходного водоцементного отношения, со­става новообразований, их удельного объема и степени гид­ратации.

Прочность элементов твердой фазы, прочность контактов между ними, дисперсность и морфология их частиц зависят от их состава и условий образования в твердеющем цементном камне.

Зная степень гид­ратации, удельные объемы соответственно продуктов гидратации, исходного цемента, инертного наполни­теля и жидкости затворения, отношение химически связанной воды к массе цемента, а также отношение массы инертного наполнителя и массы жидкости затворения к массе цемента можно рассчитать пористость или коэффициент пористости.

К эффективной пористости, доступной для фильтрации жид­костей и газов, относятся поры размером более 20 нм.

Прочность цементного камня.Эта характеристика ЦК нестабильна во времени, особенно в условиях повышенных температур. В зависимости от минералогического состава, тонкости помола, исходного водосодержания суспензии кинетика роста прочности ЦК до максимальной величины, максимальная его прочность, момент начала снижения прочности, кинетика снижения прочности изменяются в довольно широких пределах.

Затвердевший цементный камень из базового ТЦ состоит из непрореагировавших остатков ча­стиц ПЦ клинкера, продуктов гидратации, ча­стиц инертных или не вступивших в реакцию остатков частиц активных добавок, воды и пузырьков вовлеченного воздуха. Всегда в том или ином количестве содержится карбонат каль­ция, как продукт карбонизации — реакции взаимодействия про­дуктов гидратации с газообразным или растворенным оксидом углерода (углекислым газом). Могут содержаться также про­дукты взаимодействия продуктов гидратации с другими химиче­ски активными веществами окружающей среды, обычно назы­ваемые продуктами коррозии.

Прочность ЦК на стадии ее роста может быть рассчитана по формуле, учитывающей ко­эффициент, отражающий прочность монокристаллов или их сро­стков, эмпирические коэффициенты, связанные с составом, дисперсностью и морфологией частиц новообразо­ваний, степень гидратации, удельные объемы соответственно исходного цемента, жидкости затворения и инертного наполнителя, а также отношение массы жидкости затвердевания и массы инертного наполнителя к массе цемента. При кавернозной поверхности наполнителя (типа керам­зита), длинноволокнистом армирующем наполнителе, рассчитать прочность по такой формуле невозможно, поскольку в таком случае необходимо введение дополнительных коэффициентов.

Если известен количественный вещественный состав ТЦ, то расчет ожидаемой прочности может быть произведен более точно в соответствии с эмпирическими коэффициентами для главной структурообразующей фазы. Другие новообразования следует относить к наполнителю.

Водопроницаемость цементного камня может быть ориенти­ровочно вычислена по формуле:

k = 0.182 ε_эф^4.7 R_эф²

где k — коэффициент водопроницаемости, м²; ε_эф — коэффи­циент эффективной пористости, доли единицы; R_эф — средняя полуширина (средний радиус) эффективных пор, м.

Усадка и набухание в процессе твердения. Цементный ка­мень при твердении в воде несколько увеличивается в объеме, при твердении на воздухе или в другой среде пониженной от­носительной влажности дает усадку.

Как капиллярно-пористое тело ЦК чувствителен к изменению влажности ОС. При неограниченном поступлении воды извне в поровое пространство ЦК в процессе твердения наблюдается некоторое увеличение внешнего объема ЦК, называемое набуханием. Удаление воды из пор ЦК при водит к уменьшению его объема, называемому усадкой. Она связана с капиллярными явлениями, а также сжатием слоистых минералов при удалении межслоевой воды. Усадка, как и набухание, зависит от минералогического состава клинкера и содержания добавок. Склонность к этим деформациям возрастает при увеличении содержания алюмоферритных минералов и тонкодисперсных наполнителей, таких, как глина, диатомит, опока, трепел. В отличие от контракции изменения внешнего объема ЦК больше связаны с явлениями физического, чем химического, характера.

С повышением температуры твердения способность ЦК к усадке и набуханию уменьшается. Некоторые цементы при повышенных температурах твердеют с усадкой даже в воде. Усадочные деформации ЦК тампонажных цементов нежелательны ввиду особой важности его изоляционных функций.