Гидратация цемента

Гидратация цемента — что это такое? |

При смешивании цемента с водой присходит физико-химическая реакция, называемая гидратацией.

Гидратация вызывает твердение цементного клея и превращение его в прочный цементный камень.

Процесс твердения цементного камня (бетона) условно разделяется на две стадии:

  • схватывание (кристаллизация, загустевание),
  • твердение (набирание прочности)

Процесс схватывания начинается через 4-6 часов после смешивания цемента с водой и может длиться около суток, в зависимости от температуры окружающей среды.

Частички цемента начинают кристаллизоваться и связывают заполнитель цементного раствора или бетона (песок, щебень) между собой.

Бетон (раствор) начинает густеть, становится менее подвижным.

В зависимости от необходимости этот процесс можно ускорить или, наоборот, растянуть с помощью специальных добавок. Чаще всего это пластификаторы с комбинированными свойствами (ускоритель или замедлитель).

Обратите внимание

Условно говоря, через сутки начинается вторая стадия — твердение цементного камня (набор прочности). При идеальных условиях длится она 28 дней.

На начальном этапе ни о какой прочности не может идти и речи. Чатицы цемента кристаллизовались и скрепили заполнитель раствора вокруг себя, но эти соединения очень хрупкие и легко разрушаемые. При малейших механических воздействиях или подвижках эти соединения разрушаются и раствор уже никогда не свяжется и не затвердеет (не поможет и повторное заливание водой).

Пример 1: если походить по стяжке, которая только начала твердеть и набирать прочность, то разрушенные соединения раствора уже не схватятся между собой и стяжка начнет крошиться и высыпаться в этих местах.

Пример 2: кафель намного легче снять на следующий день после укладки, чем в сам день укладки. Пока клей вязкий плитку очень тяжело оторвать от стены (пола). На след.день клей кристаллизуется, но стоит только пару-тройку раз постучать по плитке кулаком (резиновым молотком), так она сразу легко снимется.

За первые 7 дней цементный камень набирает около 70% всей своей прочности, затем процесс твердения замедляется и за оставшиеся три недели он набирает еще около 20-25% прочности.

Существует мнение, что бетон набирает прочность первые сто лет своей «жизни» и еще сто лет он ее утрачивает, т.е. через двести лет бетон может стать критично слабым и разрушиться (привет балконам на «екатерининках» и «сталинках»).

Но для того, чтобы бетон продолжал набирать прочность — он постоянно должен поддерживаться во влажном состоянии.

В первые 2-3 недели желательно периодически проливать его водой и, при жаркой погоде или на сквозняке, накрывать пленкой, чтобы влага не испарялась быстро.

Бетон (цементный раствор) должен застыть, а не высохнуть. Это огромная разница. В этом весь смысл.

Если влага испарилась или замерзла в растворе, то процесс набора прочности останавливается.

Поэтому принудительное высушивание стяжки просто не допустимо.

Забудьте об открытых настеж окнах и дверях, включении ТП, тепловентиляторов и т.п.

бетон, материалы, цемент,

Источник: http://profipol.dp.ua/gidratatsiya-tsementa/

гидратация цемента, схватывание бетона, твердение бетона, гидратация

Многие знают, что цемент при взаимодействии с водой твердеет и превращается в так называемый цементный камень.

Однако, немногие знают суть этого процесса: как твердеет, почему твердеет, что нам даёт осознание происходящей реакции и каким образом мы можем на неё воздействовать.

На сегодняшний момент понимание всех стадий гидратации позволяет учёным изобретать новые добавки в бетон или цемент, так или иначе воздействующие на процессы, происходящие в период схватывания цемента и твердения бетонной или ЖБИ конструкции.

Важно

Заводы выпускающие ЖБИ или товарный бетон могут пользоваться этими добавками с огромной пользой для себя.

Это и экономия электроэнергии и газа за счёт сокращения сроков пропаривания ЖБИ изделий, и снижение трудозатрат на вибрирование, и скорость оборачивания формоснастки или опалубки, и экономия цемента, и улучшение качественных характеристик товарного бетона и изделий ЖБИ.

Всё это возможно за счёт применения специальных добавок для бетона или цемента. Перечень используемых на сегодняшний день добавок довольно велик, поэтому ему посвящён отдельный раздел добавки в бетон.

Вообще, в процессе набора прочности бетона присутствуют две основные стадии:

  • схватывание бетона довольно короткая стадия, происходящая в первые сутки жизни бетона. Время схватывания бетона или цементного раствора существенно зависит от температуры окружающего воздуха. При классической расчётной температуре 20 градусов начало схватывания цемента происходит примерно через 2 часа после затворения цементного раствора, а конец схватывания наступает примерно через три часа. То есть — процесс схватывания занимает всего 1 час. Однако, при температуре 0 градусов этот период растягивается до 15-20 часов. Чего говорить, если само начало схватывания цемента при 0 градусов начинается лишь спустя 6-10 часов после затворения бетонной смеси. При высоких температурах, например при пропаривании ЖБИ в специальных камерах мы ускоряем период схватывания бетона до 10-20 минут!В течение периода схватывания бетон или цементный раствор остаются подвижными, на них ещё можно воздействовать. Тут действует механизм тиксотропии. Пока Вы «шевелите» несхватившийся до конца бетон, он не переходит в стадию твердения, и процесс схватывания цемента растягивается. Именно поэтому доставка бетона на бетоносмесителях, сопровождающаяся постоянным перемешиванием бетонной смеси, способна сохранить её основные свойства. При желании прочтите подробности про основные свойства и состав бетона.Из личного опыта могу вспомнить экстраординарные случаи, когда наши миксера с бетоном стояли и «молотили» на объекте по 10-12 часов, в ожидании разгрузки. Бетон в такой ситуации не твердеет, но происходят некие необратимые процессы, существенно снижающие его качества в дальнейшем. Мы называем это свариванием бетона. Особенно критичны такие мероприятия летом в жару. Вспомните сокращённые сроки схватывания цемента при высокой температуре, о которых мы говорили выше. Менеджеры и диспетчера Компании BESTO стараются избегать подобных казусов, но иногда происходят непредвиденные ситуации, в основном связанные с обрушением некачественной опалубки. Бетон разливается, все бегают, пытаясь его собрать, восстанавливают опалубку, а время идёт, а ещё не разгрузившиеся бетоносмесители с бетоном стоят и молотят. Хорошо, если есть куда переадресовать, а если нет? Одним словом — беда.
  • твердение бетона это процесс наступает сразу после окончания схватывания цемента. Представьте, что мы при помощи бетононасоса наконец-то уложили бетон в опалубку, он благополучно схватился, и тут собственно и начинается процесс твердения бетона. Вообще, твердение бетона и набор прочности ЖБИ идёт не месяц, и не два, а годы. 28 суточный срок регламентирован лишь для того, чтобы гарантировать определённую марку бетона на тот или иной период. График набора прочности бетона или ЖБИ нелинеен и в первые дни и недели процесс происходит наиболее динамично. Почему же так? А вот как раз давайте разберёмся. Пришла пора поговорить про процесс гидратации цемента.

Минералогический состав и гидратация цемента

Мы не будем здесь разбирать сами стадии получения портландцемента, для этого есть специальный раздел, описывающий производство цемента более подробно.

Нас интересует лишь состав цемента и его основные компоненты, вступающие в реакцию с водой при затворении цементного раствора или бетона. Итак.

В качестве основы портландцемента рассматриваются четыре минерала, полученные в результате всех стадий производства цемента:

  • C3S трёхкальциевый силикат
  • C2S двухкальциевый силикат
  • C3A трёхкальциевый алюминат
  • C4AF четырёхкальциевый алюмоферит

Поведение каждого из них на разных стадиях схватывания бетона и его твердения, существенно отличается. Одни минералы вступают в реакцию с водой затворения сразу, другие немного погодя, а третьи — вообще не понятно зачем здесь «ошиваются». Давайте рассмотрим всех по порядку:

C3S трёхкальциевый силикат 3CaO x SiO2 минерал участвующий в процессе нарастания прочности цемента в течение всего времени. Без сомнения, он является главным звеном, хотя, в период первых суток жизни бетона у трёхкальциевого силиката есть серьёзный более шустрый соперник C3A, о котором мы упомянем позже.

Процесс гидратации цемента является изотермическим, то есть — химическая реакция сопровождающаяся выделением тепла.

Именно C3S «греет» раствор цемента при затворении, прекращает греть в период с начала затворения до момента начала схватывания, затем выброс тепла в течение всего периода схватывания и дальше происходит постепенное снижение температуры.

Трёхкальциевый силикат и его вклад в набор прочности бетона наиболее значим лишь в первый месяц жизни бетонной или ЖБИ конструкции. Это те самые 28 дней нормального твердения. Далее, его влияние на набор прочности цемента ощутимо уменьшается.

C2S двухкальциевый силикат 2CaO x Si02 начинает активно действовать лишь спустя месяц после затворения цемента в бетонной смеси, как будто принимая смену у своего трехкальциевого брата-силиката.

В течение первого месяца жизни бетона или ЖБИ он в общем-то валяет дурака и ждёт своего часа. Это период безделья и расслабухи можно существенно сократить за счёт применения специальных добавок в цемент.

Зато, его действие длится годами, в течении всего периода нарастания прочности железобетона, ЖБИ или бетона.

C3A трёхкальциевый алюминат 3CaO x Al2O3 наиболее активный из перечисленных. Он начинает кипучую деятельность с самого начала процесса схватывания.

Именно ему мы обязаны за набор прочности, в течение первых дней жизни бетона или железобетона. В дальнейшем его роль в твердении и наборе прочности минимальна, но в скорости ему нет равных.

Марафонцем его не назовёшь, а вот спринтером, пожалуй — да.

C4AF четрыёхкальциевый алюмоферит 4CaO x Al2O3 x Fe2O3 это как раз тот самый, который — «непонятно зачем вообще здесь ошивается». Его роль в наборе прочности и твердении минимальна. Незначительное воздействие на набор прочности отмечается лишь на самых поздних сроках твердения.

Совет

Все перечисленные компоненты при затворении водой вступают в химическую реакцию, благодаря которой происходит нарастание, сцепление и осаждение кристаллов гидратированных соединений. По сути, гидратацию можно назвать и кристаллизацией. Так наверное понятней.

Благодаря стараниям учёных и научным разработкам многочисленных испытательных лабораторий и НИИ стало возможным прогнозируемое и регулируемое воздействие на процесс гидратации цемента, влияние на начало и конец схватывания, регулируемая подвижность бетона, его прочность, коррозионная стойкость и так далее. В основном это делается за счёт применения специальных добавок в бетон. Спектр доступных методов воздействия на процесс схватывания цемента и дальнейшего набора прочности бетона или ЖБИ довольно широк и более подробно он описан в разделе добавки для бетона.

Компания БЭСТО поставляет товарный бетон и раствор, изготовленные с применением самых современных добавок, позволяющих получать бетонные смеси и цементные растворы с улучшенными показателями по морозостойкости, водонепроницаемости, подвижности и т.д. Современное дозирующее и бетоносмесительное оборудование помогает добиться наилучших результатов по однородности состава бетонной смеси или цементного раствора.

Надеюсь, что не загидратировал Вам мозги своими силикатами и алюминатами. С трёхкальциевым приветом, Эдуард Минаев.

Источник: https://www.avtobeton.ru/cement_tverdenie_betona.html

Гидратация бетона

Главная » Статьи » Гидратация бетона

Навигация: Главная → Все категории → Бетонная смесь

Сущность процесса гидратации

Сущность процесса гидратации

Под гидратацией понимают реакции клинкерных составляющих с водой (присоединение води), причем образуются твердые новообразования (гидраты), которые заполняют первоначально залитый цементом и водой объем плотным наслоением гелевых частиц, вызывая тем самым упрочнение. Таким образом, без воды твердение невозможно.

Первоначально жидкий или пластичный цементный клей превращается в результате гидратации в цементный камень. Первая стадия этого процесса называется загустеванием, или схватыванием, дальнейшая—упрочнением, или твердением.

Читайте также:  Как производят строительный цемент

Твердение цемента — очень сложный физико-химический процесс, который здесь будет рассмотрен упрощенно. Гидратацию рассмотрим в двух аспектах: как пространственный процесс (какие объемы занимают новообразования и какую структуру они имеют) и как химический процесс (каков состав новообразования).

Гидратация как пространственный процесс. Ответ на вопрос о том, какие образования возникают при гидратации, дан на рис. 19, где представлены продукты гидратации, возникающие в разное время. Одновременно показана кинетика нарастания прочности.

Можно различить следующие процессы.

Цементные частицы в виде дробленых зерен окружены водой затворе-ния, объем которой относительно велик (50—70 объемных процентов). Этот объем заполняется новообразованиями, чтобы возникла прочная структура (цементный камень).

Благодаря химическим реакциям с водой уже через несколько минут возникают как на поверхности зерен, так и в воде иглообразные кристаллы а.

Через 6 ч уже образуется так много кристаллов, что между цементными зернами возникают пространственные связи (б — в нижней части рисунка два крупных кристалла образуют двумя зернами цемента).

Обратите внимание

К этому моменту практик говорит, что цемент «схватывается». Через 8—10 ч весь объем между постепенно уменьшающимися зернами цемента заполнен скелетом иглообразных кристаллов, который вследствие возникновения из С3А называется также «алюминатной структурой».

Будучи до сих пор пластичной, масса начинает застывать, и происходит быстрое нарастание прочности. В оставшихся пустотах возникают одновременно, но сначала гораздо менее интенсивно продукты гидратации клинкерных минералов C3S и C2S.

Последние образуют гомогенный чрезвычайно тонкопористый ворс из очень малых кристаллов, так называемую силикатную структуру в. Значение этой структуры все более увеличивается.

Она является собственно носителем прочности цементного камня и приблизительно через сутки начинает вытеснять алюминатную структуру. В возрасте 28 сут (обычный срок испытания цемента и бетона) обнаруживается только силикатная структура г.

Кроме того, видны и неиспользованные цементные зерна (в — сверху, в середине). К этому времени процесс гидратации еще не закончен, в ряде случаев он может продолжаться годы.

Возникновение продуктов гидратации рассматривают как гелеобразование, а продукты гидратации — как гель.

Скорость, с которой протекают эти процессы, зависит от: Ф крупности цементных зерен (тонины помола цемента): 9 минерального состава клинкера цемента; – количества воды, которым замешивается цемент; – температуры гидратации; -введения добавок (разд. 2.4),

Рис. 20. Гидратация цемента в цементный клей (представлена на примере объемных изменений цементного клея, состоящего из 100 г Цемента и 40 г воды — ВЩ = 0,4)

Важно

Для полной гидратации цементного зерна необходимо присутствие 0,4-кратного количества воды от его массы. Из нее только 60% (т. е. 0,25 массы цемента) связывается химически. Остальные 40% исходной воды остаются в порах геля (гелевые поры) слабо связанными. Размер гелевых пор около 3-10~7 мм.

Они неизбежны и служат причиной тонкопористого строения гелевой массы. При химическом связывании вода, в какой-то мере, претерпевает объемную контракцию, которая составляет приблизительно ‘Д ее первоначального объема.

Поэтому плотный обьем геля (без пор) на такую величину меньше суммы объемов исходных компонентов цемента и воды. Этот процесс называют усадкой, а освобождающийся в цементном камне объем — объемом усадки. При наличии воды именно этот объем пор заполняется водой.

При полной гидратации цементного клея получаем гель, объем которого примерно на 30% состоит из пор. Схематически объемные изменения представлены на рис. 20.

До сих пор мы исходили из того, что цементный клей состоит из 1 ч. массы цемента и 0,4 ч. массы воды. На практике это не всегда так. Если количество цемента больше, то количество воды будет недостаточном, чтобы полностью гидратировались цементные зерна, и в цементном камне останутся непрореагировавшие зерна цемента.

Рис. 21. Объемные соотношения в цементном камне при различном В/Ц и максимально возможной степени гидратации (диаграмма и схема) 1 — объем гелевых пор; 2 — объем капиллярных пор; 3 — объем усадочных пор; 4 — масса геля; 5— неиспользованный цемент; 6 — вода; 7 — цементное зерно; 8 — капиллярные поры (вода)

При большем количестве воды часть ее не участвует в процессе гидратации и образует в цементном камне так называемые капиллярные поры диаметром около Ю-3 мм, которые на несколько порядков больше гелевых пор. Примерно таких же размеров достигают и пустоты, возникающие в результате уже упомянутой усадки.

Таким образом, соотношение масс воды л цемента в значительной мере определяет структурные отношения в цементном камне.-Пользуясь этим соотношением, можно определить важнейшие физические свойства цементного камня.

Совет

Поэтому соотношение масса воды =водоцементное масса цемента отношение (В/Ц) имеет определяющее значение в технологии бетона.

На рис. 21 представлены объемные соотношения при различных значениях В/Ц и предельно возможной степени гидратации. Можно видеть, что суммарная пористость цементного камня тем больше, чем больше значение В/Ц (другими словами, чем меньше цемента в цементном клее). Эти схемы и диаграмма приведены с целью наглядного представления для различных В/Ц, хотя и не вполне отвечают действительности.

Все изложенное – здесь позволяет вывести некоторые важные закономерности, характерные для цементного камня: – процесс гидратации протекает постепенно; – получающийся в результате цементный камень, хотя и является твердым телом, но имеет тонкопористую структуру; – в цементном камне различают поровое пространство усадки и геля(которые неизбежны) и капиллярное поровое пространство (возникающее в увеличивающемся объеме, если цементный клей содержит более 0,4-кратного по отношению к цементу количества воды, т. е. если он подвержен влиянию водоцементного отношения).

По значению В/Ц цементного клея можно оценить пористость возникающего из него цементного камня и сделать выводы о его физических свойствах.

Гидратация как химический процесс. Твердение, представленное как пространственный процесс, теперь рассмотрим как химический процесс. Из разд. 2 известно, что цемент в основном состоит из четырех клинкерных минералов: C3S, C2S, C3A, C4AF.

Возникающие таким образом продукты гидратации представляют собой уже упомянутый гель. Для простоты обозначают их так же, как и клинкерные минералы, из которых они возникли (например, силикат кальция — гидросиликат кальция). Продукты гидратации отдельных минералов имеют специфические свойства, знание которых необходимо для дальнейшего понимания процесса твердения.

Анализ уравнений реакции позволяет сделать некоторые важные заключения. Во-первых, при гидратации возникают совершенно новые вещества.

В процессе взаимодействия клинкерных минералов C3S и СгЗ с водой образуются гидросиликаты кальция и, кроме того, гашеная известь [Са(ОН)2], остающаяся внутри цементного камня.

Обратите внимание

Этому явлению мы обязаны тем, что помещенная в цементный клей сталь не ржавеет, благодаря чему стало возможным существование железобетона. Кроме того, следует помнить и о том, что при гидратации выделяется тепло.

Это практик обязательно должен знать. И особенно следует помнить об этом при выборе цемента для возведения определенных конструкций и при выборе той или иной технологии изготовления бетонных сооружений. Продукты гидратации клинкерных минералов различаются также по прочности.

Из рис. 22 видно, что главными носителями прочности являются силикаты кальция..

Особенно интересно, что клинкерный минерал с быстрым нарастанием прочности (C3S) выделяет большее количество тепла (502 Дж/г), чем клинкерный минерал с более медленным нарастанием прочности (C2S — 206 Дж/г).

Продукты гидратации клинкерных минералов различаются и по химическому составу.

Продукт гидратации называется этт-рингитом и раньше из-за своей палочковидной формы и вредного влияния назывался «цементной бациллой».

Для этой реакции характерно, что присоединение 32 молекул воды вызывает сильное приращение объема по сравнению с объемами исходных компонентов: СзА и гипса. Увеличение объема безопасно до тех пор, пока оно происходит в пластичной матрице.

В свежезамешенном цементном клее образование эттрингита вызывается с целью регулирования скорости твердения.

Рис. 22. Нарастание прочности клинкерных минералов

Механизм действия можно себе представить следующим образом. Очень быстро возникающие кристаллы эттрингита образуют оболочки вокруг цементных зерен. При этом затрудняется доступ воды и замедляется процесс гидратации. Без добавки гипса получился бы мгновенно схватывающийся цемент — «быст-ряк». Объемное расширение опасно, когда оно происходит в уже затвердевшем цементном камне (бетоне).

При этом наблюдается 4,6-кратное увеличение объема. Подобные реакции в затвердевшем цементном камне приводят к возникновению напряжений, нарушению структуры и ее разрушению (сульфатная коррозия). Поэтому для бетонных объектов, подверженных сульфатному воздействию, следует применять цементы, бедные СзА, чтобы ограничить или исключить образование эттрингита.

Важно

Итак, при гидратации клинкерных минералов C3S и C2S образуется помимо гидросиликатов кальция гашеная известь Са(ОН)2, .

Она предотвращает развитие коррозии стали, помещенной в цементный камень; – в процессе гидратации клинкерных минералов выделяется разное количество тепла; – в результате гидратации клинкерных минералов образуется искусственный камень с различной прочностью; – продукт гидратации С3А неустойчив по отношению к сульфатам.

Возникает эттрингит, причем изменение объема может привести к разрушению цементного камня (сульфатная коррозия); – в зависимости от поставленных задач в строительстве применяются цементы с различной долей каждого из клинкерных минералов, причем в качестве основных критериев при выборе служат четыре приведенных выше.

Источник: http://vest-beton.ru/stati/gidrataciya-betona.html

Гидратация цементов

В процессе гидратации цемента все ранее описанной операции в той или иной степени протекают частично одновременно, но частично и в разное время. Так что мы имеет сложную систему работы с несколькими частично взаимозависимыми индивидуальными реакциями.

Во время гидратации содержание фаз клинкера в реакционной смеси уменьшается независимо друг от друга и образуются гидратные фазы, некоторые из которых являются метастабильными и бывают конвертированы в процессе гидратации в термодинамически наиболее стабильные гидратные фазы.

Во время процесса гидрации продолжает происходить перекристаллизация гидратов, которая изменяет морфологию продуктов гидратации без дальнейшей реакции. На рисунке 1.

37 показано изменение содержания алита, портландита (Ca(OH)2), алюмината и испарение воды из цемента с использованием и без использования гипса в качестве замедлителя сроков схватывания.

Рисунок 1.37 Изменение содержания алита, портландита (Ca(OH)2), алюмината и испаряющейся воды из цемента [4, 134]

В 1976-1983гг. Лохер, Рихардс и Шпрунг разработали общую модель для гидратации цемента, которая описана ниже. Согласно этой точки зрения (см. рисунок 1.38) сразу после попадания воды вступает в реакцию небольшая часть (около 10%) алюмината, содержащегося в цементе.

Гидратация алита начинается с начальной реакции и приблизительно от 1 до 2 мас.% алита реагирует с водой (см. рисунок 1.37).

В качестве продуктов первичной реакции силикатов кальция и алюмината, таким образом, являются ограниченное количество гидроксида кальция и эттрингита.

Совет

Рисунок 1.38 — Схема последовательности образования гидратных соединений при взаимодействии цемента с водой (по Лохеру, Рихардсу и Шпрунгу) [134]:

1– пористость цементного камня; 2 – прочность цементного камня;

3 – моносульфат кальция; 4 – трисульфат кальция (эттрингит);

5–коротковолокнистые гидросиликаты кальция;

6 — длинноволокнистые гидросиликаты кальция; 7 – пластичное тесто;

8 – схватившаяся масса; 9 – кристаллическая структура прочного камня; 10 – кристаллическая структура камня, содержащего стабильные соединения

После первой интенсивной реакции гидратации наступает индукционный период. В течение последующего периода покоя гидратация затормаживается, тепловыделение почти прекращается, только очень небольшие количества клинкерных фаз алита и алюмината могут прореагировать.

Читайте также:  Колодцевая кладка кирпича

Приблизительно по истечении от одного до двух часов могут быть обнаружены C-S-H-фазы.

Из алюмината и сульфата кальция образуется эттрингит, первоначально в форме геля и поэтому рентгенографией не обнаруживается, а затем перекристаллизуется в течение нескольких часов, образует хорошо закристаллизованные иглы, которые могут быть обнаружены с помощью дифракции рентгеновских лучей и хорошо видны под электронным микроскопом ESEM. Концентрация C-S-H-фазы затем возрастает в процессе гидратации непрерывно, в результате чего увеличивается концентрация гидроксида кальция, а также уменьшается поровое пространство между гидратными соединениями. Концентрация эттрингита достигает максимума через несколько часов. Падающее (снижающееся) содержание сульфата с другой стороны, приводит к уменьшению концентрации эттрингита; одновременно увеличивается количество моногидросульфоалюмината кальция (ГСАК-1). Гидратация ферритной фазы протекает очень медленно [31, 134, 149].

Увеличение содержания элементов в растворе во времени обусловлено растворением минералов, а снижение их содержания вызывается вступлением их в реакцию друг с другом или с исходным вяжущим с образованием новых водосодержащих соединений – кристаллогидратов.

После достижения пересыщения из раствора кристаллизуются Са(ОН)2 и эттрингит (рисунок 1.38). Гидроксид кальция выделяется в виде тонких гексагональных пластин, способных быстро вырастать до больших размеров.

Эттрингит из пересыщенного раствора кристаллизуется в виде коротких призм, а при снижении концентрации раствора до состояния насыщения – в виде удлиненных призматических и игольчатых кристаллов.

Обратите внимание

Образующиеся в растворе кристаллы Са(ОН)2 и эттрингита образуют осадки в виде плотной корки на частичках цемента, обогащенных С3А и C4AF, которые затрудняют диффузию воды к негидратированной их части и замедляют тем самым процесс гидратации. Скорость процесса гидратации (выражаемая скоростью выделения теплоты) зависит от количества введенного сульфата кальция.

При небольшом количестве SO3 скорость тепловыделения вначале высока, но на зернах цемента сразу же образуется оболочка из кристаллов эттрингита, тормозящая дальнейшее протекание процесса гидратации. По мере возрастания количества SO3 скорость тепловыделения понижается и растягивается во времени, что связано с образованием и циклическим разрушением оболочек из кристаллов эттрингита на зернах цемента.

Начало образования кристаллов гидросиликатов кальция наблюдается по истечении примерно 1 часа гидратации цемента.

Волокнистые кристаллы гидросиликатов кальция участвуют вместе с призматическими кристаллами эттрингита и пластинками Са(ОН)2 в формировании оболочек на зернах цемента.

При этом если кристаллы гидросиликатов кальция являются трубчатыми, то они образуют рыхлые участки оболочки, через которые вода диффундирует интенсивнее.

На второй стадии процесса гидратации происходит выделение кристаллов большого числа гидратов.

Период заторможенных реакций (близкий к индукционному) продолжается 1…3 часа или даже более, а затем в результате разрушения оболочек растущими под ними кристаллами эттрингита и портландита процесс образования гидратов и в том числе эттрингита вновь ускоряется.

Через 4…6 часов от начала процесса гидратации наступает стадия ускоренной реакции.

По мере накопления новых продуктов реакции разрушенный участок оболочки залечивается и процесс гидратации вновь затормаживается до следующего разрыва оболочки кристаллами эттрингита.

Важно

Лишь после снижения концентрации ионов SO42- в растворе до равновесной, возможность дальнейшей кристаллизации эттрингита под оболочкой и ее разрыва устраняется.

Полагают, что процесс связывания сульфат-ионов (переходящих в раствор) в эттрингит завершается примерно по истечении 1 суток гидратации. Если при этом весь SO42- вступил в реакцию, а C3AHx еще остался в свободном состоянии, то возможно протекание в небольшом объеме реакции взаимодействия эттрингита с гидроалюминатом кальция с образованием гидросульфоалюмината кальция (моносульфата кальция):

3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O + 2(3CaO·Al2O3·13H2O) ®

® 3(3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O) + 21H2O

Количество трисульфата кальция в результате этой реакции снижается (см. рисунок 1.38). Возрастает также количество твердого раствора С4(А,F)Н13.

Кристаллы гидросиликатов кальция образуются на этой стадии преимущественно в виде длинных волокон, так как развитое поровое пространство позволяет им свободно расти. Одновременно с кристаллами образуется значительное количество тоберморитового геля.

В этот период формируется основной кристаллический каркас твердеющего цементного камня (рисунок 1.38).

В период третьей стадии (до 28 суток) гидратации развитие процесса лимитируется скоростью диффузии воды через узкие поры в продуктах реакции, окружающих негидратированные зерна цемента. На этой стадии вместо эттрингита образуется гидроалюминат кальция, часть оксида алюминия, в котором замещается оксидом железа; возможен также переход эттрингита в моносульфат.

Скорость гидратации портландцемента определяется скоростью гидратации отдельных минералов. Ю.М. Бутт расположил индивидульные минералы по убыванию степени их гидратации в следующие ряды: начальные сроки C3A>C4AF>C3S>C2S и поздние сроки C3S>C3A>C4AF>C2S.

Указанные отношения сохраняются и для минералов, находящихся в составе синтетических цементов, содержащих лишь CaO, SiO2, Al2O3 и Fe2O3. Если же в составе цемента присутствует сульфат кальция, то распределение соединений уже иное: C3S(алит)> C3A> C4AF >C2S(белит).

Совет

Используя современную технику — растровую электронную микроскопию ESEM — STARK недавно сделал дополнительные выводы по гидратации, что привело к уточненной модели (рисунок 1.39) [135, 136, 137, 138, 139]. Существенными отличиями от предыдущей презентации являются:

• временное образование метастабильной минеральной фазы сингенита (K2SO4·CaSO4·H2O) от агента сульфата и калия, который устанавливается в зависимости от степени сульфатации цемента в алюмината или присутствует в виде слегка растворимого K2SO4.

В цементе богатом щелочами сингенит наблюдался в виде крупных агрегатов, в малощелочном цементе наблюдается в виде отдельных, пластинчатых или полосообразных кристаллов (см. рисунок 1.40). Первые кристаллы сингенита уже видны через несколько минут после добавления воды.

Через 4-6 ч сингенит исчезает, возникает вторичный гипс, что приводит к увеличению образования эттрингита. Калий поступает в виде сульфата калия в поровом растворе;

• временное образование вторичного гипса из сингенита;

• C-S-H-фазы первой стадии (длиной до 300 нм) и конвертирование через несколько дней в гидратные фазы (длина 1,5 мк). Предыдущая идея, о том, что первоначально сформированные длинные волокна С-S-Н превращаются в короткие зернистые кристаллы, не может быть подтверждена с помощью электронных изображений Esem.

Рисунок 1.39 Схематическое представление процессов гидратации цемента в зависимости от времени по Старку [137]

Рисунок 1.40 — Кристаллы сингенита в цементе: пластинчатой ​​формы синтетический сингенит (слева); агрегаты сингенита в щелочно-богатом гидратирующем цементе через 30 минут

Особый интерес представляют процессы на поверхности и внутри цементного зерна. На рисунке 1.41 представлена схема Шривенера [127], показывающая последовательность сроков формирования гидратных фаз на поверхности или внутри цементного зерна. В результате гидратации имеют место следующие процессы:

• в начале видны частицы различных минеральных фаз клинкера;

• через 10 минут часть С3А реагирует с водой с образованием на поверхности зерен аморфного алюминатного геля; После растворения CaSO4 появляются ростки «первичных» кристаллов эттрингита в поровом растворе и на поверхности зерна;

• примерно через 10 часов реакция C3S с водой привела к появлению наружного покрытия, состоящего из С-S-H;

• примерно через 18 часов образовался игольчатый эттрингит из-за процесса рекристаллизации и от новообразований; начинается гидратация C3S, которая контролируется процессом диффузии из внутренних зон зерна;

• через 1-3 дня эттрингит реагирует с С3А с образованием моносульфата (моносульфатной формы гидросульфоалюмината кальция ГСАК – 1);

• примерно через 2 недели процесс гидратации силикатных фаз значительно продвинулся вглубь зерна. Поскольку скорость образования C-S-H-фаз зависит от скорости диффузии, то процесс гидратации зерна цемента будет завершен только после нескольких месяцев, а более крупных частиц цемента — после нескольких лет.

Процесс гидратации происходит первоначально только в очень тонком пограничном слое клинкерного зерна.

Образование малопроницаемых слоев продуктов гидратации на поверхности зерна с одной стороны, предотвращает попадание воды в негидратированные районы клинкера, во-вторых, этот слой затрудняет диффузию ионов из недр гидратирующего зерна цемента.

Обратите внимание

Только после разрушения этого защитного слоя, гидратация снова происходит быстро и достигает более глубоких слоев в клинкере. Дальнейший ход гидратации контролируется диффузией. В зависимости от размера частиц, гидратация может длиться в течение нескольких недель, месяцев или даже лет.

В начале производства технологии процесса помола цемента были не настолько совершенны, поэтому цемент раньше был относительно грубым. Это должно было означать, что бетон изготавливается из грубого цемента, скорость роста прочности медленная, рост прочности бетона происходит длительное время.

При достаточном количестве воды процесс гидратации цемента протекает до тех пор, пока все частицы клинкера полностью не прогидратируются. Например, прочность бетона защитных бункеров времен 1-ой и 2-й мировой войны до сегодняшнего дня продолжает увеличиваться. Таким образом, прочность бетона может увеличиваться на протяжении десятилетий.

Рисунок 1.41- Схематическое представление гидратации цементного зерна от [5] до [127] по Шривенеру

Гидратация клинкерных фаз различных цементов происходит с различной скоростью, прочности полученных продуктов гидратации также очень разные. Эти вопросы обсуждаются более подробно в разделе 2.1.11. В таблице 1.22 представлен обзор важных вяжущих свойств основных клинкерных минералов [4, 134, 149].

Таблица 1.22Основные технические характеристики цементного клинкера [33]

Свойства   Алит Белит Алюминат Феррит
Гидратационная способность высокая умеренная, в зависимости от скорости охлаждения и примесей очень высокая, должна быть замедлена добавкой гипса низкая  
Прочность высокая начальная прочность высокая прочность при длительном твердении способствует ранней прочности очень низкая  
Тепловыделение (при полной гидратации) 500 Дж/г 250 Дж/г 1340 Дж/г 420 Дж/г
Усадка гидратированных чистых фаз, % 0,05 0,02 0,10 0,02
Специальные характеристики основной источник прочности в портланд-цементе модификация имеет важное значение для развития прочности α >β>>γ низкое сопротивление сульфатной агрессии дает клинкеру и цементу цвет (по MgO серо-зеленый);
Стойкость образуется много Ca(OH)2 →позитивно для карбонизации; → негативно для химической стойкости при гидратации образуется меньше Ca(ОН)2→ плотная структура реагирует с сульфатами → снижает сульфатостой-кость устойчив к действию сульфатов  

Дата добавления: 2016-10-26; просмотров: 3591;

Источник: https://poznayka.org/s69116t1.html

Гидратация цемента

Гидратация цемента — химическая реакция клинкерных составляющих цемента с водой (присоединение воды), причем образуются твердые новообразования (гидраты), которые заполняют первоначально залитый цементом и водой объем плотным наслоением гелевых частиц, вызывая тем самым упрочнение. Первоначально жидкий или пластичный цементный клей превращается в результате гидратации в цементный камень. Первая стадия этого процесса называется загустеванием, или схватыванием, дальнейшая — упрочнением, или твердением.

Гидратация как пространственный процесс

Цементные частицы в виде дробленых зерен окружены водой затворения, объем которой относительно велик (50—70 объемных процентов). Этот объем заполняется новообразованиями, чтобы возникла прочная структура (цементный камень).

Благодаря химическим реакциям с водой уже через несколько минут возникают как на поверхности зерен, так и в воде иглообразные кристаллы. Через 6 ч уже образуется так много кристаллов, что между цементными зернами возникают пространственные связи.

Через 8—10 ч весь объем между постепенно уменьшающимися зернами цемента заполнен скелетом иглообразных кристаллов, который вследствие возникновения из 3CaO*Al2O3 называется также «алюминатпой структурой». Будучи до сих пор пластичной, масса начинает застывать, и происходит быстрое нарастание прочности.

Важно

В оставшихся пустотах возникают одновременно, по сначала гораздо менее интенсивно продукты гидратации клинкерных минералов 2(3CaO*SiO2) и 2(2CaO*SiO2). Последние образуют гомогенный чрезвычайно тонкопористый ворс из очень малых кристаллов, так называемую силикатную структуру. Значение этой структуры вce более увеличивается.

Читайте также:  Приготовление цементного раствора для кладки кирпича

Она является собственно носителем прочности цементного камня и приблизительно через сутки начинает вытеснять алюминатную структуру. В возрасте 28 суток (обычный срок испытания цемента и бетона) обнаруживается только силикатная структура.

Возникновение продуктов гидратации рассматривают как гелеобразование, а продукты гидратации — как гель. Скорость, с котором протекают эти процессы, зависит от:

  • крупности цементных зерен (тонины помола цемента):
  • минерального состава клинкера цемента;
  • количества воды, которым замешивается цемент;
  • температуры гидратации:
  • введения добавок

Для полной гидратации цементного зерна необходимо присутствие 0,4-кратного количества воды от его массы. Из нее только 60 % (то есть 0,25 массы цемента) связывается химически. Остальные 40 % ИСХОДНОЙ воды остаются в порах геля (гелевые поры) слабо связанными. Размер гелевых пор около 3-10 мм. Они неизбежны и служат причиной тонко-пористого строения гелевой массы.

Гидратация как химический процесс

Безводные минералы клинкера при реакции с водой превращаются в гидросиликаты, гидроаллюминаты и гидроферраты кальция.

3CaO*SiO2+H2O -> 3Ca2SiO4*H2O+Ca(OH)2 +502 Дж/г

Ca2SiO4+H2O -> Ca2SiO4*H2O +206 Дж/г

3CaO*Al2O3+6H2O -> 3CaO*Al2O3*6H2O +867 Дж/г

Образовавшийся Ca(OH)2 под действием CO2 воздуха постепенно превращается в CaCo3, гидроаллюминаты кальция с гипсом в присутствии воды дают двойные основные сульфаты, например Ca6Al2(OH)12(SO4)3*26H2O и Ca4Al2(OH)12SO4*6H2O При получении бетона образовавшийся Ca(OH)2 с CO2 воздуха и SiO2 превращается в очень прочную массу, состоящую из карбонатов и силикатов кальция.

Райхель В., Конрад Д. Бетон: В 2-х ч. Ч. 1. Свойства. Проектирование. Испытание. — М.: М.: Стройиздат, 1979. С. 33.Пер. с нем./Под ред. В. Б. Ратинова.

Категории:

  • Незавершённые статьи о технике
  • Строительство
  • Химия

Источник: http://mediaknowledge.ru/215b8324cfffb38d.html

Гидратация цемента

При затворении портландцемента водой происходят реакции, обусловливающие твердение цементного теста. В присутствии воды силикаты и алюминаты 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.

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.

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.

Совет

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.

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.

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.

Обратите внимание

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.

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.

Источник: http://uralzsm.ru/spravochnik/gidratatsciya-tscementa

41 Ускорители гидратации цемента

Ускорители гидратации цемента

Добавки-ускорители применяют при бетонировании в холодную погоду. Сильное увеличение ранней прочности бетона при обычной и низкой температурах облегчает уход за бетонной смесью и сокращает период набора распалубочной прочности.

В качестве ускорителей могут использоваться большинство минеральных солей, таким образом применимость их определяется большей частью их стоимостью. Хлорид кальция (ХК) является одним из самых дешевых и изученных в своем действии на цемент. Однако многие аспекты его действия до сих пор  не ясны и спорны.

Влияние ХК на гидратацию клинкерных минералов. C3S и C2S

По ускоряющему действию мин.ионы располагаются в ряды:

Кальций>стронций>барий>литий> натрий>калий

Сульфат-ион>гидроксид>хлор-ион>бром>иод>нитрат>ацетат

Таким образом, в хлориде кальция (ХК) оба иона являются самыми сильными ускорителями. Кроме этого, ХК может реагировать с гидросиликатами, изменяя их прочность, пористость, морфологию, удел.поверхность.

Гидратация.

В присутствие 1% ХК резко ускоряется гидратация C3S(~6 раз) и к 5 суткам количество Ca(OH)2 превышает таковое на 30-е сутки без ХК. Одновременно изменяется структура гидросиликатов в связи со встраиванием хлора в структуру гидросиликатов.

Если же ввести 4% ХК, то степень гидратации продолжает расти (C3S+4%CaCl2> C3S+1%CaCl2> C3S), тогда как количество Ca(OH)2, напротив, снижается (C3S+1%CaCl2> C3S> C3S+4%CaCl2). Причиной этой аномалии является образование большего количестве высокоосновных силикатов в присутствие 4%ХК.

Неясен вопрос о составе гидросиликатов. Считается, что независимо от количества вводимого ХК хим.состав гидросиликатов изменяется в сторону роста отношения C/S. Однако по некоторым данным, это отношение либо не меняется, либо даже снижается по сравнению с эталоном.

Механизм действия ХК неизвестен. Одни считают, что ХК является катализатором гидратации C3S, другие считают, что ХК способствует образованию зародышей новой фазы. Однако известно, что в присутствие ХК снижается рН поровой жидкости ~5-10% (это очень много!), т.е. происходит «закислении» среды.

Микроструктура.

Важно

В общем, считается, что в присутствие ХК форма кристаллов меняется от игольчатой к сферической, решетчатой, пластинчатой или даже фибриллярной. Причиной этого является встраивание хлора в поверхностные слои гидросиликатов.

Подобное изменение структуры приводит, по разным оценкам, к 50-70% росту прочности камня из C3S. Причем при снижении В/Т различия в морфологии снижаются.

Из этого следует, что наибольшая эффективность ХК будет проявляться при высоких В/Т.

Морфология кристаллов вообще чувствительна к присутствию ионов. Но, среди катионов и анионов наибольшее влияние на нее оказывают анионы, а не катионы.

Поровая структура

В первом приближении, можно считать, что пористость ЦК  в присутствие ХК снижается. Однако, на самом деле, общая пористость остается прежней – происходит перераспределение пор по размерам.

В камне, полученном из C3S в присутствие ХК, большая часть пор приходится на долю пор с радиусом менее 0,0065 мкм – эти поры не определяются ртутной порометрией – отсюда ошибка. В целом, можно утверждать, что в присутствие ХК радиус пор снижается от 5.33 нм (эталон) до 3.18 нм.

Некоторые авторы считают, что снижение радиуса пор является основной причиной повышения прочности ЦК.

Прирост прочности

Нет однозначной зависимости от количества ХК. Необходимо учитывать В/Т-отношение. Для В/Т=0,5 оптимальным является 2%-ое содержание ХК, тогда как при В/Т=0,3 прирост прочности почти одинаков что для 2%, что для 5% ХК. При этом повышение степени гидратации  не обязательно сопровождается приростом прочности.

Совет

Обнаружено, что в присутствие ХК ускоряется превращение ортосиликата кальция (мономерная форма)в димер и полимер.

Усадка

Независимо от В/Т, количества ХК и глубины степени гидратации, усадка в его присутствие всегда выше.

Гидратация С3А и С4АF в присутствие ХК

ХК образует с С3А два гидрохлоралюмината:

C3A-CaCl2-xH2O

C3A-3CaCl2-yH2O

При этом образуется наибольшее количество низкохлодирной формы – последнее связано с низкой концентрацией ХК. Во всех случаях (для всех концентраций) ХК ускоряет как гидратацию С3А, так и превращения высокосульфатной формы гидроалюмината (эттрингита) в низкосульфатную форму, и кубическую форму гидроалюминатов.

Камень из чистого С3А, полученный в присутствие ХК имеет пониженную прочность из-за возникающих растягивающих напряжений. Однако, при гидратации цемента в присутствие ХК указанное явление отсутствует, т.к. образуется повышенное количество Ca(OH)2, вступающего в реакцию с гидрохлоралюминатами.

Технологические и эксплуатационные свойства бетонов с ХК

В присутствие ХК увеличивается удобоукладываемость при снижении водопотребности, проявляет воздухововлекающий эффект. Одновременно сокращаются сроки схватывания пропорционально дозировке. Однако сокращение сроков схватывания не имеет прямой корреляции с ростом конечной прочности бетона. Введение ХК приводит, также, к снижению водоотделения вследствие роста вязкости  и плотности жидкой фазы.

Дозировка ХК нелинейно влияет на прочности изделий. При дозировках 0,0005%; 0,005; 0,01; 0,05; 0,5 и 1% ХК достигается прирост прочности раствора в 0,8; 0,6; 0,9; 2, 1,8; и 2,1 раза соответственно. Для бетонных смесей оптимальным является интервал 1-4% (2%), т.к. при большей дозировке наблюдается сброс прочности

Одним из отрицательных явлений, сопровождающих использование ХК, является усиление процессов зелочной коррозии заполнителей, увеличение которой, в зависимости от исходной щелочности цемента, может составлять до 30%. Предотвращение щелочной коррозии наполнителя можно предотвратить только введением пуццолановых добавок.

Другой отрицательной стороной использования ХК является усиление процессов коррозии арматуры. Коррозия заключается в растворении защитной оксидной пленки и образовании растворимого хлорида железа. Но следует помнить, что «вредным» является только растворимый хлор.

Другие ускорители

Обратите внимание

В качестве таковых применяют карбонаты щелочных металлов, нитраты, нитриты тиосульфаты кальция. Применение этих солей увеличивает прочность на 28 сут. И сокращает сроки схватывания.  Параллельно снижается содержание малых (менее 10нм) пор и увеличивается содержание больших пор. Среднее сокращение сроков схватывания составляет 0,5-2 часа.

В качестве ускорителей можно применять продукты гидратации цемента, которые в количестве 2% эквивалентны по действию 2-ум процентам хлорида кальция.

Источник: https://studizba.com/lectures/107-himija/1451-himija-v-stroitelstve/26915-41-uskoriteli-gidratacii-cementa.html

Ссылка на основную публикацию