Гидратация цемента

Гидратация цемента — химическая реакция цемента с водой с образованием кристаллогидратов.Шаблон:-1 В процессе гидратации жидкий или пластичный цементный клей превращается в цементный камень. Первая стадия этого процесса называется загустеванием, или схватыванием, вторая — упрочнением, или твердением.Шаблон:-1

Гидратация как пространственный процесс

Цементные частицы в виде дробленых зерен затвердения, окружены водой, объём которой относительно велик (50—70 объёмных процентов). Этот объём заполняется новообразованиями, чтобы возникла прочная структура (цементный камень). Благодаря химическим реакциям с водой уже через несколько минут как на поверхности зерен, так и в воде возникают иглообразные кристаллы. Через 6 часов образуется уже так много кристаллов, что между цементными зернами возникают пространственные связи. Через 8—10 часов весь объём между постепенно уменьшающимися зернами цемента заполнен скелетом иглообразных кристаллов. Его также называют «алюминатной структурой», так как он возникает из 3CaO*Al₂O₃. Будучи до сих пор пластичной, масса начинает застывать, при этом происходит быстрое нарастание прочности. В оставшихся пустотах возникают одновременно (но поначалу не слишком интенсивно) продукты гидратации клинкерных минералов 2(3CaO*SiO₂) и 2(2CaO*SiO₂). Последние образуют гомогенный чрезвычайно тонкопористый ворс из малых кристаллов (так называемую "силикатную структуру"). Значение этой структуры вce более увеличивается. Она становится носителем прочности цементного камня и приблизительно через сутки начинает вытеснять алюминатную структуру. Через 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 (толщины 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 (по массе) количества воды. Из неё только 60 % (то есть 0,25 массы цемента) связывается химически. Остальные 40 % исходной воды остаются слабо связанными в порах геля. Размер гелевых пор около 3-5 нм. Их образование неизбежно, именно они определяют тонко-пористое строение гелевой массы.

Химические реакции

Безводные минералы клинкера при реакции с водой превращаются в гидросиликаты, гидроаллюминаты и гидроферраты кальция. Все реакции являются экзотермическими, то есть протекают с выделением теплоты. На скорость гидратации влияют: степень помола цемента и его минеральный состав, количество воды, которой замешивается цемент, температура, введение добавок.Шаблон:-1 Степень гидратации зависит от водоцементного соотношения, и достигает своего максимального значения только через 1—5 лет.Шаблон:-1 Степень гидратации определяется различными способами: по количеству Ca(OH)₂, по тепловыделению, по удельному весу цементного теста, по количеству химически связанной воды, по количеству негидратированного цемента,Шаблон:-1 либо косвенно по показателям прочности цементного камня.Шаблон:-1 Продукты гидратации различаются по прочности. Основными носителями прочности являются гидросиликаты кальция.Шаблон:-1 В процессе гидратации клинкеров C₃S и C₂S помимо гидросиликатов кальция образуется гашёная известь Ca(OH)₂, сохраняющаяся в цементном камне и препятствующая коррозии стали внутри цементного камня.Шаблон:-1

Уравнения реакций для четырёх основных клинкерных минералов выглядят следующим образом:

Для трёхкальциевого силиката ${\ce {{3CaO.SiO2}}}$ (сокращённо ${\ce {{C3S}}}$):

${\ce {{2(3CaO.SiO2)}+ 6H2O -> {3CaO.2SiO2.3H2O}+ {3CaO(OH)2}+ 502{\frac {J}{g}}}}$

Для ${\ce {{C2S}}}$:

${\ce {{2(2CaO.SiO2)}+ 4H2O -> {3CaO.2SiO2.3H2O}+ {Ca(OH)2}+ 260{\frac {J}{g}}}}$

Для ${\ce {{C3A}}}$:

${\ce {{3CaO.Al2O3}+ 6H2O -> {3CaO.Al2O3.6H2O}+ 867{\frac {J}{g}}}}$

Для ${\ce {{C4AF}}}$:

${\ce {{4CaO.Al2O3.Fe2O3}+ {2Ca(OH)2}+ 10H2O -> {3CaO.Al2O3.6H2O}+ {3CaO.Fe2O3.6H2O}+ 419{\frac {J}{g}}}}$

Примечания

Комментарии

Источники

Литература

• Невилль А. М. Свойства бетона / Сокращённый перевод с английского канд. техн. наук В. Д. Парфёнова и Т. Ю. Якуб. — Москва: Издательство литературы по строительству, 1972. — 344 с.
• Райхель В., Конрад Д. Бетон: В 2-х ч. Ч. 1. Свойства. Проектирование. Испытание / Пер. с нем./Под ред. В. Б. Ратинова. — Москва: Стройиздат, 1979. — 111 с.
• Строительство: Энциклопедический словарь / Автор-составитель Д. В. Артюхович. — Ставрополь: Ставропольское издательство «Параграф», 2011. — 766 с. — ISBN 978-5-904939-17-5.