ГИДРАТАЦИЯ ЦЕМЕНТА

При затворении портландцемента водой происходят реакции, обусловливающие твердение цементного теста. В присутствии воды силикаты и алюминаты, перечисленные в табл. 1.1, образуют продукты гидратации, которые постепенно затвердевают и превращаются в цементный камень.

При взаимодействии составляющих цемента с водой идут два процесса. Прежде всего происходит непосредственное присоединение молекул воды, или истинная гидратация. Второй процесс характерен взаимодействием минералов цемента с водой с их разложением — гидролиз.

Обычно применяют термин «гидратация» ко всем типам реакций цемента с водой, т. е. как к истинной гидратации, так и к гидролизу.

Продукты гидратации цемента характеризуются низкой растворимостью в воде, о чем свидетельствует высокая водостойкость цементного камня. Гидратированные новообразования цемента прочно связываются с непрореагировавшим цементом, однако механизм этой связи пока не ясен. Возможно, что гидратные новообразования создают оболочку, которая растет изнутри под воздействием воды, проникающей через эту оболочку. Или возможно, что растворенные силикаты проникают через оболочку и осаждаются на ней в виде внешнего слоя. И третья возможность: образование и осаждение коллоидного раствора во всей массе после того, как достигнуто насыщение, дальнейшая гидратация продолжается внутри этой структуры.

Каким бы ни был способ осаждения продуктов гидратации, скорость гидратации непрерывно уменьшается, так что даже после длительного времени остается заметное количество негидратированного цемента. Гак, например, через 28 суток после затворения водой зерна цемента прогидратировали только на глубину 4ц. Пауэрс подсчитал, что полная гидратация при нормальных условиях возможна только для цементных зерен размером менее 50ц, но при непрерывном размельчении цемента в воде полная гидратация была получена в течение 5 суток.

Микроскопическое исследование гидратированного цемента не подтверждает прохождения воды в глубь зерен цемента и выборочной гидратации наиболее реакционно способных составляющих (например, СзБ), которые могут находиться в центре зерна. Поэтому представляется, что гидратация развивается вследствие постепенного уменьшения размеров цементных зерен. Действительно, было обнаружено, что в возрасте нескольких месяцев негидратированные зерна цемента грубого помола содержат как СзБ, так и С2Б и, возможно, что мелкие частицы СгЭ гидратируются раньше, чем завершается гидратация крупных частиц СзБ.

Различные составляющие цемента обычно присутствуют во всех его зернах, и исследования показали, что оставшиеся зерна цемента после определенного периода гидратации имеют тот же относительный минералогический состав, что и целое зерно до гидратации. В течение первых 24 ч может все же происходить избирательная гидратация.

Основными гидратами являются гидросиликаты кальция и трехкальциевый гидроалюминат. Полагают, что С4АР гидратируется с образованием трехкальциевого гидроалюмината и аморфной фазы, возможно Са0-Ре203-ая. Возможно также, что некоторое количество Ее20з присутствует в твердом растворе гидроалюмината кальция К

Степень гидратации цемента может быть определена различными способами посредством измерения: количества Са (ОН)2 в тесте; тепловыделения при гидратации; удельного веса теста; количества химически связанной воды; количества негидратированного цемента (с помощью рентгеноструктурного анализа), а также косвенного по прочности цементного камня.

Реакция цемента с водой какая

Гидравлический цемент — это современное изобретение, которое химически реагирует с водой. Благодаря своим уникальным свойствам, он широко используется для всех видов строительства. В этой статье, мы расскажем, что такое гидравлический цемент, его свойства и чем он отличается от не гидравлических вариантов.

Быстрый совет
Очень важно, чтобы вы полностью подготовили помещение и все свои инструменты перед тем, как смешаете воду и этот цемент. Потому, что гидравлический цемент начинает затвердевать менее чем за две минуты.

Гидравлический цемент представляет собой строительный продукт, который в основном используется для закрытия трещин и протечек в бетонных конструкциях, особенно тех, что с возрастом ослабевают, или структуры, которые могут быть затронуты водой. Особенностью этого цемента является то, что устанавливает и затвердевает он очень быстро после того, как вступает в контакт с водой. Большинство строительных проектов в современном мире используют гидравлический цемент, потому что он прочный, застывает очень быстро, довольно дешевый, легкий для использования, будет оставаться прочным, даже когда помещен в воде, помимо многих других преимуществ.

Гидравлический и негидравлический цемент

Гидравлический цемент твердеет за счет гидратации, то есть, воздействие воды, в то время как негидравлический цемент твердеет за счет карбонизации, т. е. воздействие диоксида углерода в воздухе. Поэтому гидравлические цементы могут быть использованы под водой, а не гидравлический, не может.
Гидравлический цемент изготавливается из известняка, гипса и глины, которую обжигают при высокой температуре. Негидравлические цементы — делают из извести, гипса, и хлорокиси.
Гидравлический цемент высыхает и твердеет в течение нескольких минут, а затвердение не гидравлического цемента, может занять месяц или больше, чтобы достичь пригодных условий.

Виды и использование гидравлического цемента

Различные виды гидравлических цементов были созданы для конкретных целей. Они заключаются в следующем:

Гидравлический цемент общего-использования: цемент общего назначения используется для ремонта полов, тротуаров, зданий, мостов, трубопроводов и др. где он хорошо работает как стопор утечки.
Белый гидравлический цемент: единственная разница между этим цементом и цементом общего использования — это цвет. Он производится с использованием минимального количества железа и магния, что придает ему белый цвет. Он в основном используется в архитектуре, где белый цвет будет хорошо смотреться в декоративных целях.
Умеренно сульфатостойкий гидравлический цемент: когда вода или влажная почва соприкасается с бетоном, сульфаты могут химически реагировать в результате масштабирования крекинга и расширения, которое разрушает структуру. Этот цемент используется в таких конструкциях, в связи с его частичной устойчивостью к сульфатам, которые он получает за счет хлоридов, которые смешиваются с сырьем. По этой причине, он в основном используется в конструкциях, которые подвергаются воздействию морской воды.
Высоко сульфатостойкий гидравлический цемент: этот цемент используется в бетонных конструкциях, которые сталкиваются с большим количеством сульфатов на регулярной основе. Он использует низкое водоцементное соотношение, и, следовательно, теряет прочность намного медленнее, чем гидравлический цемент общего-использования. Она также обладает высокой устойчивостью к коррозионным веществам, таким как кислоты.
Умеренно теплостойкий гидратационный гидравлический цемент: в то время как гидравлический цемент общего-использования выделяет много тепла при реакции с водой, этот вариант специально разработан, чтобы выдавать меньше тепла. Такой цемент широко используется в конструкциях с огромной массой, таких как причалы, фундаменты зданий, и большие подпорные стенки. Этот цемент снизит температуру, что делает структуру более прочной.
Низко теплостойкий гидратационный гидравлический цемент: этот цемент набирает прочность гораздо медленнее, чем другие типы, потому что он выделяет очень мало тепла после смешивания с водой. Он используется только в крупнейших структурах, таких как дамбы, где необходима минимизация нагрева. Этот тип доступен только в больших количествах по требованию.
Высоко быстро прочный гидравлический цемент: этот цемент набирает полную прочность очень быстро (примерно за неделю). Весьма похож на цемент общего назначения, где основная разница заключается в том, быстротвердеющий цемент имеет очень мелкий помол. Он используется в местах, где структура должна быть использована немедленно.

Читайте так же:

Состав одного кубометра цементного раствора

Как применять гидравлический цемент

Гидравлический цемент наносится на поверхности, которые были тщательно очищены. Не должно быть никаких следов жира, масла, грязи или других загрязнений.
Настоятельно рекомендуется использовать гидравлический раствор на цементной основе под керамическую облицовку в тех местах, где цемент будет использоваться.
Гидравлический цемент должен быть смешан в машине с лопастями, вращения, чтобы получить равномерную смесь.
Смешивайте только небольшое количество за один раз, и следуйте инструкциям производителя, чтобы получить лучшие результаты.
Необходимо быстро использовать цемент, так как он остается в работоспособном состояние всего за 10 — 15 минут.

Испытания плотности гидравлического цемента

Плотность гидравлического цемента может быть определена как отношение веса данного объема цемента и весом равным объемом воды. Эта плотность отвечает за его качество и его долговечность. Для проверки плотности, вам потребуется фляга, вода, лоток, и баланс.

Процедура:

Проверьте, чтобы термос полностью высох, а затем заполнить его керосином на уровень между 0 и 1 мл.
Теперь, снова тщательно высушите колбу.
Поместите колбу в водяную баню при комнатной температуре в течение 10 до 15 минут.
Очень осторожно налейте гидравлический цемент в колбу. Смотрите, чтобы не было брызг. Кроме того, будьте осторожны, чтобы цемент не прилипал к фляжке выше уровня керосина.
Аккуратно поверните колбу в наклонном положении, пока пузырьки воздуха не выделятся.
Поместите колбу в очередной раз в ванну с водой, подождите некоторое время, и обратите внимание на новый уровень.
Разница между 2 показаниями показывает объем керосина, вытесненный цементом. Формула расчета плотности — масса цемента в граммах ÷ объем смещения в см3. Показания должны быть приняты до второго места после запятой.
Повторите тест еще раз с нуля, и в среднем от 2 показания плотности. Разница не должна быть более 0,03. Если Вы не получите этот результат, цемент не может считаться нормальной консистенции.

Испытания на прочность при сжатии

Проверку гидравлического цемента на прочность при сжатии важно увидеть, так как цемент увеличивает прочность в течение определенного периода времени после того, как он устанавливает. Оборудование, которое вам потребуется для этого теста это куб (70.6 мм3), вибрационная машина, баланс, мастерка, штанга, эмалированный лоток, и мерный цилиндр 200 мл.

Процедура:

Смешайте 200 г гидравлического цемента с 600 г стандартного песка.
Добавьте воду в смесь, чтобы создать пасту и перемешивайте в течение 3 — 4 минут. Смотрите, чтобы вы получили правильный цвет мокрого бетона, если вы этого не сделаете, вылейте смесь и начните все сначала.
Устраните плесень на вибрирующей машине с хомутами.
Залейте форму цементной смесью, а вибрируйте ее со скоростью около 12000 за 2 минуты.
Дайте смеси отстояться в течение 24 часов в месте, с влажностью 90% и температурой около 26 градусов по Цельсию.
После того, как цементный куб полностью отстоится, выньте его из формы и положите в чистую воду.
Аналогичным образом создайте еще 5 кубов цемента.
Поместите один кубик для испытания в машину для сжатия, и примените нагрузку 35/Н/мм2/мин.
Рассчитайте мощность по формуле — Максимальная нагрузка, приложенная на Кубе в Ньютонах ÷ площадь сечения Куба в мм.
Важно, чтобы вы сразу протестировали кубики после забора их из воды, не позволяя им высохнуть в течение испытания.

Кроме того, важно, носить полный комплект защитной одежды, наряду с перчатками и маской при использовании гидравлического цемента, чтобы предотвратить любую опасность для здоровья. Надо сказать, что использование этого продукта довольно простое, а на поверку оказывается благом для профессиональных строителей и владельцев домов по всему миру.

Способы получения цемента

Известны два способа получения цемента: сухой и мокрый. В России, в основном, используют мокрый способ. В печь вводится суспензия тонко-измельченных компонентов сырьевой смеси (известняка и глины) в воде. Обычно используется в России вращающаяся печь, имеющая длину 185 м, диаметр – 5-7 м, частоту вращения печи – 0,8. 1,2 об/мин, угол наклона 2-5° (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема вращающейся печи

Добавление воды способствует борьбе с запылением. Используется принцип противотока. Сырьевая смесь загружается в верхний конец печи, а горячие газы за счет сгорания топлива (каменноугольная пыль, природный газ) поступают навстречу сырьевой смеси и обжигают ее.

Процессы, протекающие в печном пространстве, можно разделить на шесть зон.

В первой зоне происходит удаление свободной воды, суспензия высыхает. Обжигаемый материал нагревается до 200-250°С.

Вторая зона – зона дегидратации (500-800°С). В этой зоне происходит удаление химически связанной воды. Для одного из минералов (глины, каолинита) можно записать следующее уравнение реакции:

Третья зона – зона декарбонизации (900-1000°С). В этой зоне образуются оксиды кальция, алюминия, диоксид кремния по реакциям:

В этой зоне начинаются реакции между оксидами, но скорость реакций еще недостаточно высока.

Четвертая зона – зона твердофазных реакций (1100-1300°С). В этой зоне протекают экзотермические реакции синтеза минералов из оксидов:

Читайте так же:

Стоматологический цемент что это такое

Часть СаО остается в свободном состоянии.

На скорость реакции в твердом состоянии большое влияние оказывают строение и дефекты кристаллических решеток исходных веществ, а также величина поверхности контактов реагирующих веществ, которая растет с увеличением степени дисперсности.

При повышении температуры возрастает колебательное движение элементарных частиц, составляющих кристаллическую решетку, и они получают возможность диффундировать.

Пятая зона – зона спекания (1300-1500°С). При 1300°С появляется жидкая фаза – продукт плавления 3СаО · Аl2О3 и 4СаО · Аl2О3 · Fe2O3. В результате сложных физико-химических процессов с участием жидкой фазы образуются мельчайшие кристаллы трехкальциевого силиката – алита:

В этой же зоне обжигаемый материал спекается в кусочки размером 4-20 мм, называемые клинкером. Клинкер – это продукт обжига цемента.

Шестая зона – зона охлаждения. Температура клинкера понижается до 1000°С. По выходе из печи клинкер необходимо быстро охладить в специальных холодильниках, чтобы не образовывались крупные куски. Без быстрого охлаждения клинкера цемент будет иметь пониженную реакционную способность по отношению к воде.

После выдержки (1-2 недели), клинкер измельчают в тонкий порошок, добавляя небольшое количество двуводного гипса (3,5-6%) с целью нормализации сроков схватывания (см. ниже) и другие добавки: минеральные и органические (ПАВ).

2. Какие химические соединения возникают при гидратации портландцемента и как они влияют на свойства цементного камня?

При затворении портландцемента водой образуется пластичное клейкое тесто, постепенно густеющее и переходящее в камневидное состояние. Превращение цементного теста в камневидное тело обусловлено сложными химическими и физико-химическими процессами взаимодействия клинкерных минералов с водой, в результате которых образуются новые гидратные соединения, практически нерастворимые в воде (табл. 2).

Большинство клинкерных минералов по классификации Нараи-Сабо относится к двойным оксидам. В них существует связь Са-О-Ме₁, где Ме₁ – более электроотрицательный металл, чем кальций. Степени ионности здесь взаимосвязаны. С увеличением ε₁, начиная от ε, т.е. от электроотрицательности оксида кальция, возрастает степень ионности связи Са-О. При ε₁ — ε > 1 двойной оксид переходит в соль с типично ионным механизмом растворения в воде под влиянием прямой гидратации.

Каждая фаза клинкера вступает в реакции гидратации с водой, образуя с характерной для нее скоростью новые соединения. Типичными реакциями, характерными для твердения портландцемента и других вяжущих веществ, являются реакции гидратации, протекающие с присоединением воды. Они могут идти без распада основного вещества или сопровождаться его распадом (реакции гидролиза). Процесс твердения портландцемента в основном определяется гидратацией силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция.

Для понимания процесса гидратации портландцемента в целом необходимо рассмотреть отдельно гидратацию каждого из основных клинкерных минералов ПЦ.

Продукты гидратации

Трехкальциевый силикат. Трехкальциевый и двухкальциевый силикаты составляют 80-90 % от всей массы клинкера. В присутствии ограниченных количеств воды реакция между С₃S и водой может быть представлена следующим образом [1]:

или более конкретно:

Приведенные выше уравнения приблизительны, поскольку нелегко определить состав С-S-Н (низкоосновные, высокоосновные), кроме того имеются проблемы, связанные с определением Ca(OH)₂. В полностью гидратированном цементе или С₃S 60-70% твердой фазы состоит из С-S-Н. Он плохо закристаллизован, содержит частицы коллоидных размеров, показывает два размытых небольших пика на рентгенограмме. Состав фазы С-S-Н может быть изменен с помощью добавок.

Двухкальциевый силикат. При гидратации С₂S, как и С₃S, имеются неопределенности, связанные с нахождением стехиометрического состава фазы С-S-Н; гидратация двухкальциевого силиката может быть представлена следующим уравнением:

Количество 3Ca(OH)₂, образующегося в результате такой реакции, меньше, чем при гидратации С₃S. Фаза двухкальциевого силиката гидратируется намного медленнее, чем фаза трехкальциевого силиката.

Повышенную реакционную способность С₃S объясняют следующими причинами: в С₃S координационное число Са 2+ выше 6; координация Са 2+ нерегулярна; в кристаллической решетке С₃S имеются пустоты (дефекты структуры).

Большое количество подробных исследований системы СаО — SiO₂ — H₂O, а также гидратации С₃S и β-С₂S с добавками и без них при самых разнообразных условиях привели к обозначению их продуктов как С-S-Н (I), С-S-Н (II), тоберморит (G) и, наконец, С-S-H. Заметные различия в морфологии, а также в рентгенограммах позволяют установить разницу между С-S-Н (I) и С-S-Н (II): С-S-Н (I) с отношением С/S < 1,5 представляет собой слоистый гидросиликат кальция, а С-S-Н (II) с отношением С/S > 1,5 – в основном волокнистый гидросиликат кальция.

Отношения С/S и Н/S могут колебаться в пределах соответственно от 1,5 до 3 и от 1 до 3,84. В общем увеличение отношения С/S ведет к увеличению отношения Н/S. Различия могут быть объяснены неодинаковыми условиями гидратации, а также методами определения свободной гидроокиси кальция, связанной воды и непрореагировавших силикатов кальция. Что касается состава рассматриваемых фаз, то чрезвычайно важно учитывать, что С-S-H — фазы могут включать различные посторонние ионы. До 1/6 двуокиси кремния может быть замещено сульфатом, алюминием или железом. При этом 74% алюминия, 50% железа и 100% сульфата могут замещать SiO₂, а остальные доли алюминия и железа могут замещать ионы кальция. Щелочи, оксид магния и хлорид-ион могут входить в С-S-Н-фазы, что ведет к изменению морфологии, удельной площади поверхности и отношений С/S и Н/S и, в конце концов, к изменению прочности.

Наиболее заметное падение прочности затвердевшего цементного теста у образцов с самым высоким содержанием сульфата, равным 3%: их прочность составляет 56% прочности образцов, не содержащих сульфатов.

Гидросиликаты кальция, образующиеся из С₃S и β-С₂S, характеризуются отношениями С/S, лежащими в пределах от 1,5 до 3 при нормальных температуре и давлении и не слишком высоких значениях В/Т. Морфология и площадь поверхности этих гидратов могут изменяться при включении посторонних ионов, что в конечном счете приводит к изменению скорости гидратации и механических свойств.

Трехкальциевый алюминат. Так как рядовой белый портландцемент является высокоалюминатным (содержание С₃А до 13%), то рассмотрение гидратации данной является очень важной для изучения гидратации белого цемента в целом.

Влияние С₃А весьма заметно на начальной стадии гидратации. Он обычно ответственен за феномен «ложного» схватывания; образование различных гидратов алюминатов кальция, карбо- и сульфоалюминатов также имеет место при реакциях С₃А. Большие количества С₃А могут повлиять на долговечность смеси.

Читайте так же:

Чем можно выровнять стены кроме цемента

Трехкальциевый алюминат реагирует с водой, образуя С₂АН₈ и С₄АН₁₃ (гексагональные фазы). Эти продукты термодинамически нестабильны, поэтому без стабилизации или добавок они переходят в фазу С₃АН₆ (кубическая фаза). Соответствующие уравнения:

В насыщенном растворе Ca(OH)₂ С₂АН₈ реагирует с Ca(OH)₂, образуя в зависимости от условий С₄АН₁₃ или С₃АН₆. Кубическая форма (С₃АН₆) может образоваться и в результате непосредственной гидратации С₃А при повышенных температурах.

При нормальных условиях гидратации камень из С₃А дает меньшую прочность, чем из силикатных фаз, вследствие образования кубической фазы С₃АН₆.

При определенных условиях гидратации, т.е. при низких В/Ц и высокой температуре, прямое образование С₃АН₆ (приводящее к возникновению непосредственных связей между частицами) может существенно повысить прочность. В портландцементе гидратация фазы С₃А контролируется добавлением гипса. Таким образом снимается «ложное схватывание».

Фаза С₃А реагирует с гипсом в течении нескольких минут, образуя эттрингит,

После того как весь гипс перейдет в эттрингит, избыток С₃А вступает в реакцию с эттрингитом, образуя низкосульфатную форму гидросульфоалюмината кальция,

Гипс – более эффективный замедлитель гидратации С₃А, чем известь; вместе они еще более эффективны, чем каждый в отдельности.

Ферритная фаза. Фаза С₄АF дает в целом те же продукты гидратации, что и С₃А, но при более медленном протекании реакции. В присутствии воды образуются аморфные С₂(А, F)Н₆ или С₄(А, F)Н₁₃ и (А, F)Н₃:

Четырехкальциевый алюмоферрит при действии воды гидролитически расщепляется с образованием шестиводного трехкальциевого алюмината и гидроферрита кальция по схеме:

Однокальциевый гидроферрит, взаимодействуя с гидроксидом кальция, который образовался при гидролизе C₃S, переходит в более основный гидроферрит кальция 3(4)CaOFe₂O₃nH₂O. Гидроалюминат связывается добавкой гипса, а гидроферрит входит в состав цементного геля.

В цементе в присутствии гипса С₄АF реагирует значительно медленнее, чем С₃А.

При гидратации алюминатных и алюмоферритных фаз в составе портландцемента образуются продукты трех типов с совершенно различной морфологией и кристаллографией.

1. В гексагонально-призматических фазах, сходных с эттрингитом, глинозем может быть полностью или частично замещен железом или другими трехвалентными ионами, а сульфат кальция – хлоридом, сульфидом или гидроокисью кальция. Эти фазы, трудно различимые с помощью рентгеновского дифракционного анализа, можно обозначить как АFt-фазы ( трехсульфатный гидросульфоалюмоферрит кальция).

2. В гексагональных пластинчатых гидроалюминатах кальция типа С₄АН₁₉ окись алюминия может замещаться железом или другими трехвалентными ионами, в то время как сульфат кальция может быть полностью или частично замещен хлоридом, сульфидом или гидроокисью кальция. Эти фазы называются АFm-фазами (моносульфатный гидросульфоалюмоферрит кальция). Все эти фазы и твердые растворы трудно идентифицировать с помощью рентгеновского дифракционного анализа.

3. Существует, также, серия твердых растворов, образуемых четырьмя гидрогранатами (С₃АН₆, С₃FH_6, С₃АS₃ и С₃FS₃). Вопрос о возможности образования чистого С₃FH₆ до настоящего времени окончательно не решен. Кубические гидрогранаты редко образуются при гидратации портландцемента при нормальной температуре. Они являются равновесными продуктами только в условиях высокой температуры или при большой продолжительности гидратации.

При твердении цемента на воздухе рассмотренные выше реакции дополняются карбонизацией гидроксида кальция, протекающей на поверхности цементного камня.

Портландцемент. Изучение гидратации чистых цементных составляющих не может быть непосредственно применено к цементам вследствие сложности протекающих реакций. В портландцементе минералы состоят не из чистых фаз: они являются твердыми растворами, содержащими Аl, Mg, Na и т.д.

На гидратацию С₃А, С₄АF, С₃S и С₂S в цементе влияет изменение количества Са 2+ или ОН — в гидратном растворе. На гидратацию индивидуальных фаз оказывает влияние также присутствие щелочей в цементе. По их влиянию на скорость гидратации портландцемента в ранние сроки твердения минералы цемента можно расположить в следующем порядке: С₃А > С₃S > С₄АF > С₂S. Скорость гидратации составляющих портландцемента зависит от размеров кристаллов, их дефектности, размеров частиц и их распределения по размерам, скорости охлаждения клинкера, площади поверхности, наличия добавок, температуры и т.д [1].

В гидратированном цементе образуются такие продукты гидратации, как гель С-S-Н, Ca(OH)₂, эттрингит (А, F-3-фазы), моносульфатная фаза (А, F-1-фаза), гидрогранаты и, возможно, аморфные фазы с высоким содержанием ионов (Al 3+ и SO 2 ₄ — ).

Фаза С-S-Н представлена в цементном камне аморфными или полукристаллическими гидратами силикатов кальция. Состав С-S-Н меняется в зависимости от времени гидратации. Через 1 сут. отношение С/S близко к 2, а после нескольких лет гидратации данное соотношение составляет 1,4-1,6. С-S-Н может захватывать значительные количества ионов Al 3+ , Fe 3+ и SO 2 ₄ — .

В полностью гидратированном портландцементе Ca(OH)₂ составляет около 20-25% твердого вещества. Кристаллы плоские или призматические, легко раскалываются. Они могут плотно срастаться с С-S-Н.

В эттрингите часть Al может быть в некоторой степени замещена Fe и поэтому он обозначается Al-Fe-три (три обозначает число молекул СŜ). AF-три фаза образуется в первые часы гидратации, что влияет на сроки схватывания. Через несколько дней лишь небольшие количества этой фазы могут оставаться в цементном камне.

Моносульфатная форма (AF-1) образуется в портландцементе после того как исчезнет AF-3. Эта фаза может составлять около 10% твердого вещества в зрелом цементном камне.

Количество гидрогранатов в цементной фазе менее 3%. Это соединения типа С₃A₂(ОН)₁₂, в которых часть ионов алюминия замещена на Fe 3+ , а часть анионов ОН — — ионами SO 2 ₄ — , т.е. С₃(А_0,5F_0,5)SН₄. Эта фаза может присутствовать в цементном камне зрелого возраста. Гидрогранаты разлагаются углекислым газом с образованием СаСО₃.

Необходимо отметить, что значения ΔZ₂₉₈ многих реакций гидратации составляющих цемента имеют отрицательные величины (табл. 3), что обеспечивает самопроизвольный характер и высокую интенсивность этих процессов (реакции твердения вяжущих веществ протекают с образованием новых кристаллических фаз, выпадающих из пересыщенных по отношению к ним растворов).

Читайте так же:

Пигмент для белого цемента

Описание процесса гидратации цемента и его особенности

Цемент является одним из основных материалов, используемых строительстве.

Ни один вид ремонта, проводимого в доме либо квартире, не обходится без использования цемента. И естественно, что вопрос, затрагивающий сроки схватывания цемента, волнует многих людей. Можно с уверенностью сказать, что период застывания цемента напрямую зависит от многих различных факторов и условий, в которых происходит высыхание.

Схема производства бетонных блоков.

К факторам, влияющим на застывание цементного раствора, можно отнести марку используемого цемента, вид и качество песочной составляющей. Особое место среди факторов, влияющих на время застывания цемента, занимает температура воздуха, при которой происходит высыхание.

Гидратация бетона или цемента

Ингредиенты цементного порошка вступают в химическое взаимодействие с водой и начинается кристаллизация в получаемом монолите. Для полноценного прохождения гидратации бетона соотношение объема цемента и жидкости составляет 3:2 и должно быть точно соблюдено. Тщательный замес раствора позволяет создавать однородную структуру камня и управлять временем схватывания монолита.

Время от начала замеса до начала схватывания – это тот период, в течение которого раствор должен попасть в форму или опалубку. Согласно строительных регламентов он равен 45 минутам, однако модифицирующими присадками и постоянным перемешиванием в миксере может быть растянут.

Обратите внимание! После заполнения раствором форм или опалубки процесс связывания компонентов (схватывание) происходит в течении 3-х часов и тоже может быть изменено добавками, технологией и внешней средой. Процесс набора заявленной прочности бетона достигает 28 дней, но твердение цемента не прекращается и длится годами.

Ле Шателье около 80 лет назад впервые установил, что при одинаковых условиях продукты гидратации цемента имеют тот же химический состав, что и продукты гидратации его отдельных составляющих. Позже это было подтверждено Стейнором, а также Боггом и Лерчем, хотя и с оговоркой, что продукты реакции могут воздействовать друг на на друга или даже взаимодействовать друг с другом в системе. Силикаты кальция — основные составляющие цемента, поэтому физические свойства цемента во время гидратации определяются поведением каждого из этих составляющих в отдельности.

Каким бы ни был способ осаждения продуктов гидратации, скорость гидратации непрерывно уменьшается, так что даже после длительного времени остается заметное количество негидратированного цемента. Так, например, через 28 суток после затворения водой зерна цемента прогидратировали только на глубину 4ц,. Пауэре подсчитал, что полная гидратация при нормальных условиях возможна только для цементных зерен размером менее 50|л, но при непрерывном размельчении цемента в воде полная гидратация была получена в течение 5 суток.

Микроскопическое исследование гидратированного цемента не подтверждает прохождения воды в глубь зерен цемента и выборочной гидратации наиболее реакционно способных составляющих (например, C3S), которые могут находиться в центре зерна. Поэтому представляется, что гидратация развивается вследствие постепенного уменьшения размеров цементных зерен. Действительно, было обнаружено, что в возрасте нескольких месяцев негидратированные зерна цемента грубого помола содержат как C3S, так и C2S и, возможно, что мелкие частицы C2S гидратируются раньше, чем завершается гидратация крупных частиц C3S.

Основными гидратами являются гидросиликаты кальция и трех-кальциевый гидроалюминат. Полагают, что C4AF гидратируется с образованием трехкальциевого гидроалюмината и аморфной фазы, возможно CaO-Fe2O3-aq. Возможно также, что некоторое количество Fe2O3 присутствует в твердом растворе гидроалюмината кальция1.

Особенности реакции, как влияют компоненты

Основой цемента любой марки составляют 4 минеральных соединения в разных пропорциях входящие в строительную смесь:

C3S трёхкальциевый силикат;
C3A трёхкальциевый алюминат;
C2S двухкальциевый силикат;
C4AF четырёхкальциевый алюмоферрит.

Любой из них вступая в контакт с водой по-своему влияет на химический процесс в отдельных временных отрезках нелинейного графика превращения раствора в каменный монолит.

Трехкальциевый силикат C3S активно участвует в процессе кристаллизации раствора в монолит на всем его протяжении. Эта химическая реакция носит изотермический характер, и соединение C3S с водой обеспечивает выделение тепла при замесе, затем снижение нагрева при перемешивании. В период схватывания энергия выделяется интенсивно и в дальнейшем, на этапе нормального твердения, 28 суток постепенно снижается.

Трехкальциевый алюминат C3A отвечает за процесс схватывания раствора. Именно его взаимодействие с водой приводит к выделению тепла при схватывании в первое время после заливки. По мере набора прочности активность минерала слабеет, и он прекращает работу.

Читайте так же:

Пропорции разведения цемента для фундамента

Двухкальциевый силикат C2S включается в работу при выходе процесса нормального твердения на финиш (90% набора прочности бетона), то есть примерно через месяц соединения цементной смеси с водой. Его действие продолжает укреплять изделия из бетона после достижения заявленной прочности. Введение пластификаторов в смесь может сократить месячный промежуток времени и заставить работать этот компонент раньше без потери качества.

Четырехкальциевый алюмоферрит C4AF работает как катализатор на финишном отрезке твердения бетона. Взаимодействуя с водой, двухкальциевым силикатом C2S, а также модифицирующими добавками он существенно улучшает характеристики бетона.

Гидратация цемента — это длительный процесс взаимодействия его с водой, каждый ингредиент в нем играет основную роль на своем отрезке времени.

Гидратация цемента – получение прочного цементного камня

Когда смешивается вода с цементом, то происходит гидратация цемента. При этом начинается химическая реакция между клинкерными составляющими цемента и водой. Это реакция вызывает образование твердых новообразований (гилратов), они в свою очередь плотно наполняют ту емкость, в которую был залит цемент с водой. Объем плотно заполняется наслоением гелевых частиц и происходит упрочнение. Результатом гидратации цемента будет превращение жидкого и пластичного цементного клея в цементный камень. Первый этап этого процесса называется схватывание (загустевание), дальнейший процесс называется упрочнением (твердением).

Таким образом, когда взаимодействуют составляющие цемента и вода происходят два процента. Сначала молекулы воды присоединяются непосредственно к составляющим – это и есть настоящая гидратация цемента. Дальнейший процесс характеризуется гидролизом – взаимодействие воды с минералами цемента. Термин «гидратации» применим ко всем реакциям цемента с водой.

Можно подробнее рассмотреть весть процесс гидратации цемента. Каждая частица цемента, которая выглядит в виде дробленного зерна, окружена водой затворения, объем воды 50-70 объемных процентов. Он наполняется новыми образованиями и возникает прочная структура, которая называется цементным камнем. При взаимодействии воды с зернами идет химическая реакция, благодаря которой, на поверхности зерен и в воде происходит возникновение иглообразных кристаллов.

Спустя 6 часов их становится так много, что цементные зерна между собой образуют пространственную связь. По прошествии 8-10 часов весь объем, в котором постепенно уменьшаются цементные зерна, заполняется иглообразными кристаллами. По-другому его называют «алюминатной структурой». Теперь пластичная до этого масса застывает, при этом она быстро становится прочной.

Оставшиеся пустоты заполняются, правда не так интенсивно, продуктами гидратации клинкерными минералами. Они образуют “силикатную структуру” – это гомогенный очень тонкопористый ворс из маленьких кристаллов. Эта структура становится все более значимой и превращается в цементный камень. Через сутки она начинает вытеснять алюминатную структуру. Когда пройдет 28 суток остается только силикатная структура, это является сроком испытания цемента.

Процесс гидратации характеризуется возникновением гелеобразных образований, а конечный продукт являются гелием.

Основные стадии затвердевания

В создании монолитного бетонного сооружения или товарной железобетонной продукции принято выделять два существенных этапа: схватывание цементного раствора и твердение бетонного массива. Последовательное успешное выполнение этапов позволяет получить запланированные характеристики сооружений.

Схватывание цемента

Первый этап длится не более суток. На скорость схватывания влияют соотношение основных ингредиентов цемента, модифицирующих присадок и температуры окружающей среды.

В зависимости от состава цементные смеси различаются:

Быстрые, начало схватывания от 45 минут после замеса;
Медленные, по истечении 2 часов соединения с водой;
Средние, время схватывания между 45 и 120 минутами.

Температура окружающей среды для схватывания после выбора смеси играет определяющую роль. Зависимость от нее прямая: чем она выше, тем быстрее схватывается раствор цемента.

При комнатной температуре плюс 20° бетон схватится максимально через 3 часа (сам этап схватывания длится час).

Если заливка производится при 0° и ниже, процесс схватывания может затянутся до 20 часов. Это происходит из-за задержки начала этапа до 10 часов от заполнения форм.

При выпуске товарных бетонных изделий в камерах с насыщенным паром и высокой температурой (пропариванием) на заводах ЖБИ время схватывания сокращают до 20 минут.

Цементный раствор, который прошел этап схватывания, еще не продукт с нужными параметрами. Он еще не стал бетоном и может разрушаться при небольших нагрузках, терять образовавшиеся слабые связи, которые уже не восстановить. До завершения второго этапа нельзя производить механических работ и ухудшать температурный режим.

Процесс твердения цемента

Второй этап получения прочного бетона запускается примерно через сутки после начала гидратации. В первую неделю после схватывания цементный раствор приобретает до 70% заявленных характеристик. Затем твердение замедляется и на 90-95% прочности бетон выходит по истечении 28 дней. Остальные 5% прочностных характеристик цементный камень может добирать несколько лет.

Четырехнедельный срок твердения бетона определен производителями различных марок цементных смесей для гарантированного получения качественного монолита.

Во время застывания нельзя подвергать массив механическим воздействиям, чтобы не нарушать связи заполнителя с кристаллизирующимися частицами цемента. При необходимости, до 20-го дня процесса, можно увлажнять бетон, защищать от солнечного света (ультрафиолета) и обеспечить температуру выше 0° (желательно).

Схватывание цемента

Это самый короткий этап набора прочности бетонной смеси, которая проходит первой. Сроки схватывания зависят от состава смеси (пластификаторы, присадки могут менять характеристики) и окружающей температуры воздуха. Чем более высокая температура, тем активнее проходят процессы.

Стандартные сроки схватывания цемента:

При комнатной температуре – до 3 часов
При низкой температуре – до 20 часов
При высокой температуре (если бетон находится в камере пропаривания) – до 20 минут

Существуют разные типы цемента, которые выделяют в соответствии со временем схватывания. Медленный цемент начинает схватываться по истечении 2 часов после замеса, средний – через 45-120 минут, быстрый – через 45 минут. Даже если условия неблагоприятные для прохождения реакции, цемент схватывается максимум за сутки.

После того, как бетон схватился, он еще не обладает всеми параметрами по стандарту и продолжать строительные работы запрещено. Бетон может разрушаться даже при минимальных нагрузках, терять характеристики, неравномерно застывать и т.д. Поэтому в процессе набора прочности цемента нужно прекратить работы и обеспечить идеальные условия.

голоса

Рейтинг статьи