Довговічність цементного каменю - здатність цементного каменю зберігати необхідний рівень будівельно-технічних властивостей пої тривалої експлуатації. Виходячи з термодинамічної стійкості продуктів твердіння цементу, можна було б зробити припущення про високу (сотні і тисячі років) довговічності цементного каменю, однак прямих підтверджень такої стабільності цементного каменю немає, оскільки портландцемент був винайдений лише в 1824 р а лабораторний прогноз довговічності ненадійний. Крім того, існує велика кількість трудноучітиваемих факторів, що сприяють руйнуванню цементного каменю при тривалій експлуатації, обумовлених, насамперед, його лужний природою (рН> 12), а також пористою структурою, проникністю її для газів, води і розчинів, тобто цементний камінь схильний до хімічної взаємодії з навколишнім середовищем.
Можна виділити внутрішні і зовнішні чинники ризику руйнування (обмеженою довговічності) цементного каменю.
До внутрішніх факторів, поряд з лужною природою цементного каменю, слід віднести можливість прояву цементним каменем "нерівномірності зміни обсягу", високі усадочні деформації при висушуванні і деформації набухання при зволоженні, а також формування недостатньо щільної (проникною) поровой структури.
Зовнішні чинники недовговічності визначаються конкретними умовами експлуатації (служби) цементного каменю. Ці фактори можуть бути причиною руйнування цементного каменю при його багаторазовому заморожуванні і відтаванні в насиченому водою стані, а також в результаті хімічної (сульфатної, вуглекислотної, лужної) і біохімічної корозії (вплив бактерій, грибків, мохів і т.п.). До факторів ризику відносяться також багаторазовий нагрів (особливо вище 200 ° С) і охолодження цементного каменю, а також його почергове зволоження і висушування, що провокують висолоутворень.
Проектування довговічних конструкцій на портландцементі ґрунтується на необхідності отримання міцного каменю з низькою проникністю і захищеною від агресивних впливів поверхнею. Гарантований термін служби такого матеріалу, в залежності від умов експлуатації, може скласти 50-100 років і більше.
Морозостійкість - здатність цементного каменю протистояти багаторазовому поперемінному заморожування і відтавання в насиченому водою стані.
Критерієм морозостійкості цементного каменю є збереження їм після певної кількості циклів заморожування-відтавання (25, 50, до 500 і більше) вихідної міцності: втрата міцності при стисненні не повинна перевищувати 5%, а втрата маси - 3% (при стандартних базових випробуваннях бетону по ГОСТ 10060.1). Для визначення морозостійкості, крім прямого заморожування при (-15+ -20) ° С і відтавання зразків у воді при (+ 15-й-20) "З, застосовують також прискорені методи, засновані на використанні замість води розчину Na2SO4 і NaCl, і заморожування при температурі -50 ° С (ГОСТ 10060.2, ГОСТ 10060.4). Основним фактором стійкості до заморожування є структура порового простору. при проникненні води в пори і зниженні її температури до точки замерзання утворюється лід збільшується в об'ємі приблизно на 9%, що призводить до виникненню в структурі матеріалу в исокіх механічної напруги і відповідних їм деформацій. Якщо все пори в матеріалі будуть заповнені водою, руйнування має відбутися вже після першого циклу заморожування. Підвищення морозостійкості може бути обумовлено формуванням у структурі певного обсягу пір, чи не заповнюються водою, в які віджимається частина води при заморожуванні. зокрема, при твердінні цементного каменю виникає система пір, заповнених пароповітряної сумішшю, так звані «резервні пори», наявність яких і визначає морозостійкість це ентного каменю. Руйнування матеріалу відбувається тоді, коли обсяг «резервних пір», в які може віджиматися вода, малий у порівнянні з об'ємом утворюється льоду, або коли в результаті багаторазово повторюваних циклів заморожування все пори будуть поступово заповнені водою. Чим вище відносний обсяг «резервних пір» в порівнянні із загальним обсягом пір, заповнених водою, тим вище морозостійкість розчину, бетону. Основними джерелами таких резервних пір є пори C-S-H гелю, а також Контракційна пори, що утворилися в ході гідратації і твердіння цементу. Якщо обсяг цих пір виявляється недостатнім для досягнення заданої морозостійкості бетонів і розчинів, в їх склад вводять спеціальні воздухововлекающие добавки, що забезпечують додаткову кількість резервних пір.
Модель структури цементного каменю можна спрощено уявити як що складається з трьох складових: непрореагировавших з водою полімінеральних частинок клінкеру, продуктів гідратації цементних мінералів - цементного гелю (CSH-гелю) і пор різного розміру: пір гелю і капілярних пір, а також Контракційна пір, утворилися з -за зменшення сумарного обсягу твердіє системи: цемент-вода. Структура цементного каменю включає також повітряні пори (порожнечі), що утворилися при перемішуванні цементного тесту.
Капілярні пори розрізняються за формою і розміром, формуючи на ранніх стадіях гідратації взаємопов'язану систему, розподілену за обсягом цементного каменю. Капілярні пори - це та частина загального обсягу системи цемент-вода, яка не заповнена продуктами гідратації. Капілярна пористість залежить від водоцементного відносини В / Ц) вихідної суміші і від ступеня гідратації цементу. Оскільки абсолютний обсяг продуктів гідратації в 1,5-2 рази перевищує обсяг вхідних негідратірованних фаз, ці продукти займають частину початкового порового простору, а в міру гідратації цементу обсяг капілярних пір зменшується. При досягненні певної міри гідратації цементний гель блокує капілярні пори в формуються структурі, оскільки середній розмір мікропор цементного гелю 1,5-2,0 нм) на кілька порядків менше розміру капілярних пір. Пори гелю займають близько 28% загального обсягу цементного гелю. Размеp капілярних пір знаходиться в широких межах - від десятків нанометрів до 100 мкм і більше, а обсяг капілярних пір може досягати 40% і більше в залежності від В / Ц, характеристик цементу (фазового складу, дисперсності), ступеня гідратації цементних мінералів, умов твердіння і т.д.
Капілярна пористість цементного каменю тим більше, чим вище початкове значення В / Ц і чим менше ступінь гідратації активних фазових складових цементу. У всіх випадках, в ході гідратації цементу значення загальної та капілярної пористості цементного каменю знижується, а капілярні пори заміщуються мікропорами гелю і порами, що утворюються внаслідок хімічної усадки (контракції).
Усадка - це природна властивість цементного каменю, що виражається в зменшенні його обсягу і маси. При первинній втраті вологи цементним зразком незворотні деформації усадки складають 30-50% від загальної усадки. При подальшому змінному зволоженні і висиханні спостерігаються оборотні знакозмінні деформації усадки-набухання. При усадки в межах до 0,2-0,6% в цементному камені немає видимих тріщин, при великих деформаціях спостерігаються характерні усадочні тріщини, які свідчать про тріщи але нестійкості цементного каменю.
Усадку цементного каменю пов'язують з наступними явищами: при відносній вологості 45-90% переважають викликають усадку напруги, пов'язані з випаровуванням води з капілярів певного розміру, при відносній вологості менше 20% і видаленні адсорбированной води переважає ефект поверхневого стиснення твердої фази. Іншою складовою усадки при висиханні цементного каменю є порушення іон-дипольної взаємодії при видаленні молекул води як з простору між частинками, так і втрата межслоевой води C-S-H гелем.
Основні фактори, що впливають на величину усадки цементносодержащіх матеріалів при висиханні, такі:
- підвищену кількість цементу в розчинах і бетонах;
- усадка більшою мірою проявляється при твердінні та службі виробів в умовах підвищених температур і низької відносної вологості;
- цементи особотонкомолотие (S> 500 м2 / кг) виявляють більшу схильність до усадки;
- збільшення значення В / Ц при інших рівних умовах призводить до зростання усадочних деформацій;
- мінералогічний склад клінкеру незначно впливає на усадочні деформації, хоча є тенденція до збільшення деформацій при переході до високоалюмінатний цементів і особливо до цементів белітового складу;
- збільшені деформації розчину (бетону) спостерігаються при підвищеному вмісті в їх складі тонкодисперсних наповнювачів (зол, шлаків, мінеральних наповнювачів).
Усадка при висиханні може бути істотним недоліком і вимагає регулювання і контролю для багатьох видів сухих будівельних сумішей: шпаклівок, затерли, сумішей для влаштування підлог.