Работа 9. Определение предела прочности цементного камня при изгибе и сжатии

Работа 9. Определение предела прочности цементного камня при изгибе и сжатии 

Цель работы: определить прочность образцов-балочек при изгибе и сжатии.

Общие положения

В настоящее время оценку механических свойств цементов проводят в соответствии с ГОСТ 31108-2016 или ГОСТ 10178-85. Оценку строительно-технических свойств цемента проводят в заводских лабораториях в соответствии с ГОСТами, указанными в приложении.

В соответствии с ГОСТ 10178-85 по составу цементы подразделяют на следующие типы: 

-     портландцемент без минеральных добавок;

-     портландцемент с добавками (содержание добавки – до 20%);

-     шлакопортландцемент с добавками гранулированного шлака (содержание добавки – до 20%).

По прочности при сжатии в 28-суточном возрасте цемент подразделяют на марки (табл. 12):

-     портландцемент – 400, 500, 550 и 600; 

-     шлакопортландцемент – 300, 400 и 500; 

-     портландцемент быстротвердеющий – 400 и 500; 

-     шлакопортландцемент быстротвердеющий – 400.

При производстве цементов применяют:

-     клинкер с  массовой долей MgO – не более 5%.

-     гипсовый камень (или фосфогипс, борогипс, фторогипс);

-     гранулированные доменные или электротермофосфорные шлаки и другие активные минеральные добавки;

-     добавки, регулирующие основные свойства цемента и технологические добавки. 

Условное обозначение цемента состоит: 

-       из наименования: портландцемент (ПЦ), шлакопортландцемент (ШПЦ);

-       марки цемента: 300, 400, 500, 550, 600;

-       максимального содержания добавок: Д0, Д5, Д20;

-       обозначения быстротвердеющего цемента: Б;

-       обозначения пластификации и гидрофобизации цемента: ПЛ, ГФ; 

-       обозначения цемента, полученного на основе клинкера нормированного состава: Н;

-     обозначения стандарта.

Пример обозначения портландцемента марки 400, с добавками до 20%, быстротвердеющего, пластифицированного: ПЦ 400-Д20-Б-ПЛ ГОСТ 10178-85.

Таблица 12. Предел прочности цемента при изгибе и сжатии в соответствии с ГОСТ 10178-85

Обозначение цемента	Гарантированная марка	Предел прочности, МПа (кгс/см2)
		при изгибе в возрасте, сут		при сжатии в возрасте, сут
		3	28	3	28
ПЦ-Д0, ПЦ-Д5, ПЦ-Д20, ШПЦ	300	-	4,4 (45)	-	29,4 (300)
	400		5,4 (55)		39,2 (400)
	500		5,9 (60)		49,0 (500)
	550		6,1 (62)		53,9 (550)
	600		6,4 (65)		58,8 (600)
ПЦ-Д20-Б	400	3,9 (40)	5,4 (55)	24,5 (250)	39,2 (400)
	500	4,4 (45)	5,9 (60)	27,5 (280)	49,0 (500)
ШПЦ-Б	400	3,4 (35)	5,4 (55)	21,5 (220)	39,2 (400)

ГОСТ 31108-2016 гармонизирован с европейскими стандартами EN 197-1 и содержит требования к двенадцати видам общестроительных цементов и предусматривает испытания цемента по ГОСТ 30744-2001 с использованием полифракционного песка. Основные отличия ГОСТ 31108-2016 от ГОСТ 10178-85 сводятся к следующему:

-       вместо марок введены классы прочности на сжатие, аналогичные установленным EN 197-1;

-       для цементов классов 22,5Н и 32,5Н дополнительно установлены нормативы по прочности в возрасте 7 сут, для цементов всех остальных классов прочности – в возрасте 2 сут;

-       для всех классов прочности, кроме класса 22,5, введено разделение цементов по скорости твердения на нормальнотвердеющие и быстротвердеющие.

В соответствии с ГОСТ 31108-2016 по составу цементы подразделяют на следующие типы (табл. 13): 

-         ЦЕМ I – портландцемент (не содержит минеральных добавок);

-         ЦЕМ II – портландцемент с минеральными добавками;

-         ЦЕМ III – шлакопортландцемент;

-         ЦЕМ IV – пуццолановый цемент;

-          ЦЕМ V – композиционный цемент.

По прочности на сжатие в возрасте 2 (7) сут (скорости твердения) каждый класс цементов подразделяют на три подкласса (табл. 13): М (медленнотвердеющий), Н (нормальнотвердеющий) и Б (быстротвердеющий).

По прочности при сжатии в 28-суточном возрасте цемент подразделяют на классы (табл. 14): 32,5; 42,5; 52,5.

Условное обозначение цемента состоит: 

-       из наименования цемента по табл. 13;

-       сокращенного обозначения цемента, включающего обозначение типа и подтипа цемента и вида добавки по табл. 13;

-       класса прочности;

-       обозначения подкласса;

-       обозначения стандарта.

 Примеры обозначения:

-                   Портландцемент со шлаком (Ш) от 21% до 35%, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий: Портландцемент со шлаком ЦЕМ II/В-Ш 32,5Н ГОСТ 31108-2016.

-                   Портландцемент класса 42,5 быстротвердеющий: Портландцемент ЦЕМ I 42,5Б ГОСТ 31108-2016.

-                   Портландцемент с известняком (И) от 6% до 20%, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий: Портландцемент с известняком ЦЕМ II/А-И 32,5Н ГОСТ 31108-2016.

-                   Композиционный портландцемент с суммарным содержанием доменного гранулированного шлака (Ш), золы-уноса (З) и известняка (И) от 12% до 20%, класса прочности 32,5, быстротвердеющий: Композиционный портландцемент ЦЕМ II/А-К(Ш-З-И) 32,5Б ГОСТ 31108-2016.

Таблица 13. Состав цементов в соответствии с ГОСТ 31108-2016

Таблица 14. Физико-механические характеристики цемента в соответствии с ГОСТ 31108-2016

-     Шлакопортландцемент с содержанием доменного гранулированного шлака от 36% до 65%, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий: Шлакопортландцемент ЦЕМ III/A 32,5H ГОСТ 31108-2016.

-     Пуццолановый цемент с суммарным содержанием пуццоланы (П), золы-уноса (З) и микрокремнезема (МК) от 11% до 35%, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий: Пуццолановый цемент ЦЕМ IV/A (П-З-МК) 32,5Н ГОСТ 31108-2016.

-     Композиционный цемент с содержанием доменного гранулированного шлака (Ш) от 18% до 30% и золы-уноса (З) от 18% до 30%, класса прочности 32,5, нормальнотвердеющий: Композиционный цемент ЦЕМ V/A(Ш-З) 32,5H ГОСТ 31108-2016.

Методика выполнения работы

Для определения прочностных характеристик цементного камня изготавливают образцы-балочки размером 1×1×3 см.

Изготовление образцов-балочек проводят в малых стальных разборных формах или силиконовых формах из теста нормальной густоты.

Перед началом испытаний поверхность формы очищают и смазывают тонким слоем машинного масла. Для изготовления образцов-                 балочек отвешивают 100 г цемента (гомогенизированной смеси цемента с добавкой, табл. 9) и помещают навеску в сферическую фарфоровую чашку. Затем отмеряют мерным цилиндром необходимое количество водопроводной воды, соответствующее нормальной густоте портландцемента. Делают в навеске цемента углубление и вливают в чашу отмеренное количество воды. Перемешивают массу в течение 2 мин, стараясь втирать воду в цементный порошок до получения цементного теста.

Заполняют половину объема формы тестом и производят уплотнение массы, после чего заполняют форму  оставшимся цементным тестом до краев. Уплотняют цементное тесто на лабораторном вибростоле в течение 2 мин  или штыкованием с последующим постукиванием о край стола (15–20 раз). После уплотнения поверхность образцов зачищают влажным шпателем вровень  с краями формы.

После формования форму с образцами маркируют, указывают: дату формования, вид добавки, концентрацию добавки. Форму с образцами помещают в эксикатор (в эксикатор предварительно наливают воду так, чтобы она покрывала дно на 3–5 см и не доходила до формы с образцами).

Расформовку образцов и чистку форм осуществляют после 1 сут твердения, при условии, что образцы набрали необходимую прочность. Все образцы маркируют и хранят до проведения испытаний (2–28 сут) в воздушно-влажных условиях в эксикаторе.

Определение прочности при изгибе и сжатии образцов-балочек размером 1×1×3 см. Для определения предела прочности при изгибе отбирают 3–6 образцов-балочек без дефектов, изготовленных по методике, описанной выше и хранившихся в воздушно-влажных условиях. Испытания проводят на прессе гидравлическом ПГ-0,5. Образец устанавливают на опоры прибора так, чтобы те грани его, которые были горизонтальными при изготовлении, находились в вертикальном положении (рис. 4, а). Образцы испытывают в срок 7, 14, 21 и 28 сут.

Рис. 4. Схема расположения образца при испытаниях: а – на изгиб (методом трехточечного изгиба), б – на сжатие: 1 – образец-балочка, 2 – опорные ролики (зубья), 3 – верхняя и нижняя плита пресса, пластинки, 5 – половина образца

Предел прочности при изгибе (R_изг) вычисляют по формуле:

где  P – нагрузка, МПа; l – расстояние между роликами нижней изгибающей пластины; b – ширина образца, см; h – толщина образца, см².
    Определение предела прочности при сжатии (рис. 4, б) производят на половинках балочек, полученных после испытания на изгиб. Образцы помещают между двумя металлическими пластинками таким образом, чтобы боковые грани, которые при изготовлении прилегали к продольным стенкам форм, находились на плоскостях пластин, а упоры пластин плотно прилегали к торцевой гладкой стенке образца, (рис. 4, б). Образец вместе с пластинами подвергают сжатию на прессе. Испытания проводят в срок 7, 14, 21 и 28 сут.

Предел прочности при сжатии (R_сж) вычисляют по формуле:

где  P – нагрузка, МПа; F – площадь поперечного сечения образца, к которой приложена нагрузка.

В случае испытания прочности при изгибе и сжатии на 4-х и более образцах проводят статистическую обработку данных (тема 3, работа 18).

При определении прочности на изгиб и сжатие следует обратить внимание, в каких единицах отображаются показания прибора:

-                   если показания приведены в «кг∙с», пересчет прочности в МПа проводится следующим образом: [МПа]= [кг∙с]:10;

-                   если показания приведены в «кН», пересчет прочности в МПа проводится следующим образом: [МПа]= [кН]∙10.

Во всех случаях значения R_изг и  R_сж определяют и записывают с точностью до 0,1 МПа.

Материалы и оборудование

Изготовление образцов-балочек размером 1×1×3 см: цемент; добавка; весы технические, точность взвешивания 0,005 г; колба для смешения цемента с добавкой; мерный цилиндр на 50 мл; сферическая фарфоровая чаша; ложка; шпатель; форма для изготовления балочек; эксикатор.

Определение прочности при изгибе и сжатии: образцы-балочки размером 1×1×3 см – 4–6 шт; пресс гидравлический ПГ-0,5.

Индивидуальное задание

Формование образцов-балочек 1×1×3 см проводят по заданию преподавателя. Выбирают тот же состав цемента с добавкой, который исследовали в работе 8 (табл. 9). Формование производят при определенном для данного состава значении нормальной густоты цементного теста.

Форма записи результатов

Вид исследуемого цемента –

Вид добавки –

Концентрация добавки –

Нормальная густота –

Начло схватывания –

Конец схватывания –

Дата формования –

Проводят статистическую обработку полученных данных. Результаты сводят в табл. 15:

Талица 15. Определение прочности на изгиб и сжатие образцов-балочек

7 сут		14 сут		21 сут		28 сут
Rизг, МПа	Rсж, МПа	Rизг, МПа	Rсж, МПа	Rизг, МПа	Rсж, МПа	Rизг, МПа	Rсж, МПа
Rизг 1	Rсж 1
Rизг 2	Rсж 2
…	…
Rизг±ΔR	Rсж±ΔR
ε	ε

Сводные результаты:

По итогам определения нормальной густоты, сроков схватывания цементного теста, прочности на изгиб и сжатие образцов-балочек в период 7–28 сут студенты сводят все данные в единую таблицу в соответствии с табл. 9 в порядке увеличения концентрации каждой из добавок (табл. 16). Студенты делают вывод о влиянии вида и концентрации добавки на строительно-технические свойства портландцемента.

Таблица 16. Строительно-технические свойства портландцемента

№	ФИО	Вид добавки	НГ, %	Сроки схва-тывания, мин		Прочность
				нач.	конец	7 сут	14 сут	21 сут	28 сут
1		Без добав.				Rизг±ΔR Rсж±ΔR	Rизг±ΔR Rсж±ΔR	Rизг±ΔR Rсж±ΔR	Rизг±ΔR Rсж±ΔR
2		С-3 (0,5)
3		С-3 (1)
…

Выводы:

_____________________________________________________________________