Механизм твердения портландцемента кратко

Обновлено: 04.07.2024

Портландцемент – гидравлическое вяжущее, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера и небольшого количества гипса (1,5 … 3%). Клинкер получают обжигом до спекания сырьевой смеси, обеспечивающей в портландцементе преобладание силикатов кальция. К клинкеру для замедления схватывания цемента добавляют гипс. Для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости портландцемента допускается введение минеральных добавок.

Производство.

Основные операции при получении портландцемента: приготовление сырьевой смеси, обжиг ее до получения цементного клинкера и помол клинкера совместно с добавками. Соотношение компонентов сырьевой смеси выбирают с таким расчетом, чтобы полученный состав (%): СaO – 62… 68, SiO2 – 18 … 26, Al2O3 – 4 … 9, Fe2O3 – 2 … 6.

Тщательно подготовленную сырьевую смесь подают на обжиг во вращающуюся печь, которая представляет собой стальную трубу диаметром до 7 м и длинной до 185 м. Максимальная t обжига 14500 С. При таких высоких температурах оксид кальция СaO, образовавшейся в результате разложения известняка, взаимодействует с кислотными оксидами SiO2, Al2O3, Fe2O3, образующимися при разложении глины.

В состав портландцементного клинкера входят четыре основных минерала и небольшое количество стеклообразного вещества.

трехкальциевый силикат (алит)

двухкальциевый силикат (белит)

4CaO · Al2 O3 · Fe2O3

При взаимодействии с влагой воздуха активность портландцемента падает,

поэтому его предохраняют от действия влаги. Портландцемент хранят в силосах (высоких цилиндрических емкостях из бетона и металла). На строительство его доставляют в специальных вагонах, автомобилях – цементовозах или поли-этиленовые мешки.

При смешивании с водой частицы портландцемента начинают растворятся, причем одновременно может происходить гидролиз (разложение водой) и гидрация (присоединение воды) продуктов растворения с образованием гидратных соединений.

По этой схеме (гидролиз и гидратация) взаимодействует с водой главные компоненты клинкера алит C3S и белит C2S:

2(3CaO · SiO2) + 6H2O → 3CaO · 2SiO2 · 3H2O + 3Ca(OH)2

2(2CaO · SiO2) + 4H2O → 3CaO · 2SiO2 · 3H2O + 3Ca(OH)2

Необходимо подчеркнуть особенности этих реакций:

• С3S взаимодействует с водой намного активнее, чем C2S;

• При взаимодействии силикатов кальция с водой выделяется растворимый в воде компонент Ca(OH)2 – воздушная известь, создающая щелочную реакцию в твердеющем цементе;

• С3S выделяет Ca(OH)2 в 3 раза больше, чем С2S; общее количество Сa(OH)2 достигает 15% от массы цементного камня.

Алюминат кальция С3А подвергается только гидратации, причем этот процесс идет очень быстро с образованием крупных кристаллов

3CaO · Al2O3 + 6H2O → 3CaO · Al2O3 · 6H2O

Основной продукт твердения портландцемента – гидросиликаты кальция – не растворимы в воде. Они выпадают из раствора сначала в виде гели (жесткого студня). Этот гель пронизывают, укрепляя его, кристаллы Са(ОН)2.

Процесс гидратации зерен портландцемента из-за малой их растворимости

растягивается на длительное время. Поэтому прочность цемента определяют в возрасте 28 суток.

Технические характеристики.

К основным характеристикам портландцемента относятся истинная и насыпная плотность, тонкость помола, сроки схватывания, равномерность изменения объема при твердении и прочность затвердевшего цементного камня.

Плотность зерен портландцемента в зависимости от вида и количества добавок составляет 2900 … 3200 кг/м 3 ; насыпная плотность в рыхлом состоянии 1000 … 1100 кг/м 3 , в уплотненном – 1700 кг/м 3 .

Тонкость помола характеризуется количеством цемента, проходящим через сито с сеткой № 008 (размер отверстий 0,08 мм) и его удельной поверхностью. Согласно ГОСТу, через сито с сеткой № 008 должно проходить не менее 95% цемента. При этом удельная поверхность у обычного портландцемента в пределах 2000 … 3000 см 2 /г, а у быстротвердеющего 3500 … 5000 см 2 /г.

Сроки схватывания портландцемента, рассчитываемые от момента затворения, должны быть: начало – не ранее 45 мин; конец – не позднее 10 ч. Эти показатели определяют при температуре 20 0С. Если цемент затворяют горячей водой (более 400С), может произойти очень быстрое схватывание.

Прочность портландцемента характеризуется его маркой. Марку портланд-цемента определяют по пределу прочности при сжатии и изгибе образцов – балочек 40×40×160 мм, изготовленных из цементно–песчаного раствора (состав 1: 3) стандартной консистенции и твердевших 28 сут (первые сутки в формах на влажном воздухе и 27 сут в воде при 200С).

Равномерность изменения объема. При твердении цементное тесто уменьшается в объеме. Усадка на воздухе составляет до 2,5 мм/м. При твердении в воде немного набухает (до 0,5 мм/м).

Твердение портландцемента называется процесс происходящий при затворении портландцемента водой, во время которого образуется пластичное клейкое цементное тесто, постепенно густеющее и переходящее в камневидное состояние.

Теория твердения портландцемента развивается на базе основополагающих работ Ле-Шателье, Михаэлиса, А.А. Байкова, П.А. Ребиндера и других выдающихся ученых.

Цементное тесто приготовленное путем смешивания цемента с водой имеет три периода твердения.Вначале, в течение 1-3 ч после затворения цемента водой, оно пластично и легко формуется. Потом наступает схватывание, заканчивающееся через 5-10 ч после затворения. В это время цементное тесто загустевает, утрачивая подвижность, но его механическая прочность еще не велика.Переход загустевшего цементного теста в твердое состоянии означает конец схватывания и начало твердения, которое характерно заметным возрастанием прочности. Твердение бетона при благоприятных условиях длится годами-вплоть до полной гидратации цемента.

Читай также технические характеристики портландцемента

При твердении портландцемента происходит ряд весьма сложных химических и физических явлений. Каждый из минералов при затворении водой реагирует с ней и дает различные новообразования. Все процессы взаимодействия отдельных клинкерных минералов с водой протекают одновременно, налагаются один на другой и влияют друг на друга. Получившиеся новообразования могут в свою очередь взаимодействовать как между собой, так и с исходными клинкерными минералами и давать новые соединения.

Все это создает трудности при изучении твердения портландцемента. Типичными реакциями 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.
Взаимодействие C3S с водой при комнатной температуре происходит при полной гидратации:

Поскольку жидкая фаза твердеющей системы быстро и полностью насыщается оксидом кальция, полагают, что вначале образуется гидросиликат кальция C2SH2, который по мере выделения извести в твердую фазу переходит в CSH(B). Этому способствует также переход в раствор щелочей, снижающих в нем концентрацию извести.

Низкоосновные гидросиликаты кальция относятся к серии CSH(B). По структуре они близки к природному минералу тобермориту состава С: S = 0,8, и их называют тоберморитоподобными фазами. Гидратация β — C2S в тех же условиях идет по приведенной схеме, причем известь выделяется в меньшем количестве. Взаимодействие С3А с водой протекает с большей скоростью при температуре затворения 21 °С и значительном выделении тепла:

C3AH6 является единственно устойчивым соединением из всех гидроалюминатов кальция.Трехкальциевый алюминат при взаимодействии с водой в присутствии двуводного гипса, гидратируясь при обычных температурах, образует комплексные соединения, трисульфогидроалюминат кальция (эттринит):

3CaO·Al2O3+3CaSO4·2H2O+26H2O=3CaO·Al2O3 x 3CaSO4·32H2O;
который предотвращает дальнейшую быструю гидратацию С3А за счет образования защитного слоя и замедляет (до 3…5 ч) первую стадию процесса твердения — схватывание цемента. Вместе с тем добавка гипса ускоряет процесс твердения цемента в первые сроки гидратации.
Алюмоферритная фаза, представленная в обыкновенных портландцементах четырехкальциевым алюмоферритом (C4AF), в условиях гидратации портландцемента, т. е. насыщенного известью раствора, при нормальной температуре взаимодействует с водой стехиометрически:

4СaO·Al2O3·Fe2O3+2Ca(OH)2+10H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+3CaO·Fe2O3·6H2O.
В результате образуются весьма устойчивые смешанные кристаллы С3(АF)Н6. Кроме описанных химических преобразований, протекающих при твердении цемента, большое значение имеют физические и физико-химические процессы, которые сопровождают химические реакции и приводят при затворении водой к превращению цемента сначала в пластичное тесто, а затем в прочный затвердевший камень.

Изучению химических и физических преобразований твердеющего цементного теста было посвящено много работ. Значительный вклад в развитие теории твердения цемента внесли выдающиеся советские ученые А. А. Байков, П. А. Ребиндер и др. В современном представлении механизм и последовательность процессов твердения могут быть представлены следующим образом.
После добавления к цементу воды образуется раствор, который пересыщен относительно гидроксида кальция и содержит ионы:

Сa 2+ , SO4 2- , OH — , Na + , K + .
Из этого раствора в качестве первичных новообразований осаждаются гидросульфоалюминат и гидроксид кальция. На этом этапе упрочнения системы не происходит, гидратация минералов носит как бы скрытый характер. Второй период гидратации (схватывание) начинается примерно через час с образованием вначале очень тонких кристаллов гидросиликатов кальция.

Гидросиликаты и гидросульфоалюминаты кальция растут в виде длинных волокон, пронизывающих жидкую фазу в виде мостиков, заполняющих поры. Образуется пористая матрица, которая постепенно упрочняется и заполняется продуктами гидратации. В результате подвижность твердых частиц снижается и цементное тесто схватывается. Такая первая высокопористая с низкой прочностью структура, обусловливающая схватывание, состоит главным образом из продуктов взаимодействия с водой С3А и гипса.

В течение третьего периода (твердения) поры постепенно заполняются продуктами гидратации клинкерных минералов, происходит уплотнение и упрочнение структуры цементного камня в результате образования все большего количества гидросиликатов кальция. В конечном виде цементный камень представляет собой неоднородную систему — сложный конгломерат кристаллических и коллоидных гидратных образований, непрореагировавших остатков цементных зерен, тонкораспределенных воды и воздуха. Его называют иногда микробетоном.

Свойства и формирование структуры цементного теста

Путем тщательного смешения цементного порошка с водой получают цементное тесто; оно представляет собой концентрированную водную суспензию, обладающую характерными свойствами структурированных дисперсных систем: прочностью структуры, структурной и пластической вязкостью, тиксотропией.

Цементное тесто до укладки бетонной смеси и начала схватывания имеет в основном коагуляционную структуру, в нем твердые частицы суспензии связаны ван-дер-ваальсовыми силами и сцеплены вследствие переплетения гидратных оболочек, покрывающих частицы.

Структура цементного теста разрушается при механических воздействиях (перемешивание, вибрирование и т. п.), вследствие этого резко падает предельное напряжение сдвига и тесто с предельно разрушенной структурой, подобно вязкой жидкости, заполняет форму. Переход теста в текучее состояние имеет тиксотропный характер, т. е. после прекращения механических воздействий структурные связи в системе вновь восстанавливаются.

Структурно-механические свойства цементного теста возрастают по мере гидратации цемента. Например, предельное напряжение сдвига цементного теста, по данным Е. Е. Сегаловой и др., измеренное после его изготовления, составило 0,01 МПа; к началу схватывания оно возросло до 0,15 МПа (т. е. в 15 раз), а к концу схватывания достигло 0,5 МПа (увеличилось в 50 раз). Следовательно, цементное тесто отличается способностью быстро изменять реологические свойства в течение 1 — 2 ч.

Формирование структуры цементного теста и прочности происходит следующим образом. Первыми элементами структуры, образующимися после смешивания цемента с водой, являются эттрингит, гидрат окиси кальция и иглы геля CSH, растущие из частиц клинкера. Присутствие эттрингита в виде коротких гексагональных призм обнаружено уже через 2 мин после затворения цемента водой, а спустя несколько часов появляются зародыши кристаллов Са(ОН)2.

Рисунок-1. Процесс гидратации цемента и развитие структуры цементного теста во времени (по Лохеру и Рихартцу):

1 — Са(ОН)2; 2 — эттрингит; 3а — гидросиликаты кальция, длинные волокна; 3б — то же, короткие волокна; 4 — 3CaO·Al2O3·CaS04· 12H2O; 5 —4Са0·Аl2Oз ·13Н20; 6 — кривая изменения объема пор; I — неустойчивая структура; II — формирование основной структуры; III — конденсация структуры и получение устойчивой структуры.

На рисунке-1 схематично показано развитие структуры цементного теста. Первичная структура представляет собой малопрочный пространственный каркас из дисперсных частиц продуктов гидратации, связанных ван-дер-ваальсовыми силами; ‘переплетение гидратных оболочек, образованных на частицах адсорбированной водой, тоже удерживает частицы друг около друга. Хотя прочность первичной структуры невелика, подвижность твердых частиц все же снижается, и цементное тесто загустевает. К концу периода схватывания формируется основная структура цементного теста, которое превращается в цементный камень.

Количество внутреннего гидросиликата кальция намного больше, чем внешнего CSH. Внутренний гидросиликат получается в результате топохимической гидратации алита и белита, т. е. путем непосредственного присоединения воды к твердой фазе. Внутренний гидросиликат имеет тонкую и плотную структуру; отношение CaO/SiO2 может быть от 0,5 до больших величин по Тейлору.

Внешние продукты гидратации образуются через растворение вне зерен цемента и состоят из небольшого количества внешнего гидросиликата, крупных кристаллов Са(ОН)2 и эттрингита.

Рисунок-2. Основные структурообразующие фазы цементного камня (твердение портландцементного теста в воде при 20°С, В/Ц=0,35, в течение 28 сут) по А. Ф. Щурову:

1- х 6000 и 2- х 10000-гель C-S-H;3-х 2400 и 4-х6000-портландит Ca(OH)2,сросшийся с гелем С-S-H

Следовательно, твердая фаза в гидратированном цементе находится в состоянии весьма сильного раздробления. Удельная поверхность портландцемента составляет 0,3 — 0,45 м2/г; в процессе гидратации происходит диспергация цемента и удельная поверхность твердой фазы возрастает в 100 — 200 раз. Например, удельная поверхность цементного камня, изготовленного с водоцементным отношением 0,6, после 512 сут твердения при 100%-ной влажности была равна 782 м2/г (при гидратации 91% цемента).

Клеящая способность цементного теста зависит от дисперсности твердой фазы: она повышается по мере гидратации цемента, т. е. при превращении все большего количества цемента в гель. Однако удельная поверхность самого геля гидросиликата значительно уменьшается при высушивании, что видно из опытных данных.

Цементный камень , изготовленный из раствора с В/Ц = 0,4, имел в возрасте 514 сут (при гидратации 86% цемента) удельную поверхность (м2/г): 708 — при 100%-ной, 330 — при 50%-ной и 189 — при 12%-ной относительной влажности. Укрупнение частиц новообразований при сильном высушивании не только снижает клеящую способность гидратированного цемента, но и повышает его хрупкость.

Все эти исследования говорят о необходимости ухода за бетоном, предотвращающего его раннее высушивание, а также о создании соответствующих влажностных условий при тепловой обработке железобетонных конструкций.

а) пояснительная записка_______________________________с.

б) иллюстративная часть___________________лист(ов) формата

Руководитель проекта __________________

Задание принял студент __________________

Реферат

Курсовая работа: __ с., __ табл., ___ рисунков, ___ источников, ___ приложений.

БЕТОН, ЖЕЛЕЗОБЕТОН, ГИДРАТАЦИЯ, СТАДИЙНОСТЬ ПРОЦЕССА, МИКРОБЕТОН, ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ЗОНЫ, СБРОСЫ ПРОЧНОСТИ, НАДЕЖНОСТЬ БЕТОНОВ

Текст реферата должен отражать:

- объект исследования или разработки;

- метод или методологию проведения работы;

- результаты работы и их новизну;

- технологические или технико-экономические преимущества;

- экономическая эффективность или значимость работы;

- прогнозные предположения о развитии объекта исследования.

Если отчет не содержит сведений по какой-либо из перечисленных структурных частей реферата, то в тексте реферата она опускается, при этом последовательность изложения сохраняется.

Содержание

1. Механизм твердения портландцемента.

2. "Скачкообразный" характер твердения цементных систем.

3. Электростатическая основа гидратации цемента.

Введение

В настоящее время в области бетоноведения решена масса вопросов, но некоторые из них по-прежнему остаются невыясненными. К одному из них относится "скачкообразный" характер твердения цементных систем (В.А. Кинд, В.Ф. Журавлев), косвенно подтверждаемый волнообразной (ступенчатой) динамикой многих сопровождающих отвердевание цементных систем свойств и явлений (И.Н. Ахвердов, Л.Н. Маргулис, А.Е. Шейкин и др.)

В то же время есть общий для вышеупомянутых классических гидратационных схем признак – момент контакта цементных зерен с водой затворения. Это дает основание предположить определяющую роль неизбежных, но малоучитываемых сил электрической природы, возникающих на границе раздела фаз цементной системы и нашедших прямое экспериментальное подтверждение в виде положительного, весьма динамичного (неоднократно увеличивающегося и понижающегося) заряда гидратирующихся цементных частиц (О.Л. Алексеев, Г.Р. Вагнер, А.Е. Шейкин и др.).

Нормативные ссылки

ГОСТ Р 8.000-2000 ГСИ. Основные положения

ГОСТ Р 21.1101-2013 СПДС. Основные требования к проектной и рабочей документации

ГОСТ 2.316-2008 ЕСКД. Правила нанесения надписей, технических требований и таблиц на графических документах. Общие положения

ГОСТ 3.1127-93 ЕСТД. Общие правила выполнения текстовых технологических документов

ГОСТ 7.9-95 СИБИД. Реферат и аннотация. Общие требования

ГОСТ 7.32-2001 СИБИД. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления

ГОСТ Р 54257-2010 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения и требования

ГОСТ 310.3-76 Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема

ГОСТ 22690-88 Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля

ГОСТ 23732-2011 Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия

ГОСТ 8829-94 Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости

СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия

Механизм твердения портландцемента

Физическая сущность превращения пластичной вяжущей массы в камень занимала умы исследователей на всем протяжении строительной практики.

Вторая точка зрения пошла от немецкого ученого-силикатчика В.Михаэлиса. Согласно его теории, процесс отвердевания сводится к появлению на поверхности цементных зерен коллоидальных студней (гелей) путем проникновения молекул воды в кристаллическую решетку и их прямого присоединения к минералам клинкера. Гидросиликатный гель приобретает все более высокую плотность и цементирующую способность по мере вовлечения в процесс гидратации новых порций исходного материала. Твердение системы происходит в результате образования коагуляционной структуры и ее последующего самоуплотнения за счет обезвоживания гидрогелей. И хотя решающее значение в процессе гидратационного твердения портландцемента Михаэлис придавал сморщивающемуся со временем гелю, но наряду с этим он отвел в своей теории известное место и кристаллическим образованиям, играющим, по мнению автора, вспомогательную и сопутствующую роль.

Однако, ни теория Ле-Шателье, ни теория Михаэлиса, в отдельности взятые, не могут квалифицироваться как общее объяснение процесса твердения всех вяжущих веществ, твердеющих с присоединением воды.

Таким общим объяснением является теоретическое построение А.А. Байкова. Он представлял твердение цемента и материалов на его основе комплексом коллоидно-кристаллизационныхпроцессов, рассматривал коллоидальное состояние промежуточной стадией, с последующим появлением кристаллогидратов. При соприкосновении цемента с водой на поверхности зерен вяжущего топохимическим путем образуются продукты реакции. Дальнейший процесс пояснялся последовательностью следующих трех периодов: подготовительного (растворения), коллоидации (схватывания) и перекристаллизации (твердения). В подготовительный период растворимые продукты (преимущественно, известь и гироалюминаты кальция) переходят в жидкую фазу, обнажая негидратированные слои вяжущего, инициируя тем самым взаимодействие компонентов. Гидросиликаты кальция, практически нерастворимые в воде, выделяются в виде мельчайших твердых частичек и образуют с водой коллоидную систему. Второй период характеризуется тем, что в насыщенной жидкой среде продукты реакции (известь, гидроалюминаты и гидросиликаты кальция) выделяются в виде геля. В третьем периоде растворимые продукты начинают перекристаллизовываться, образуя кристаллические контакты и сростки. Процесс протекает в результате растворения мельчайших частиц и выделения из пересыщенного раствора более стойких крупных кристаллов. Гель гидросиликата со временем уплотняется, что предопределяет увеличение прочности и прочих свойств цементного камня и бетонов.

Представление А.А. Байкова о подготовительном (растворительном) периоде и образовании коллоидных цементных растворов было уточнено П.А. Ребиндером. Он считал, что начальная стадия взаимодействия цемента с водой представляет собой процесс самопроизвольного диспергирования первоначально грубодисперсных частиц твердой фазы под влиянием адсорбционного взаимодействия с окружающей жидкой средой – водой. Адсорбция молекул воды и различных ионов в микротрещинах и прочих поверхностных дефектных участках клинкерных зерен приводит к ослаблению сил сцепления между элементами структуры твердого тела и его диспергации. Развитие процесса определяет образование коллоидной фракции вяжущего вещества, частицы которого с поверхности покрыты пленкой гидратных новообразований [2], что приводит в итоге к пересыщению водной среды, появлению центров кристаллизации, формированию вначале рыхлой, затем все более уплотняющейся и упрочняющейся кристаллизационной структуры цементного камня.

Рисунок 1- Нарастание структурной прочности бетонной смеси

Изложенная теоретическая позиция используется и в настоящее время профессором Ю.М. Баженовым для описания гидратационного и структурообразующего процессов взаимодействующих цементных систем с некоторым отличием причины перехода от периода формирования к упрочнению бетонов. Если в предыдущем варианте начало резкого упрочнения пояснялось началом кристаллизации гидроокиси кальция, эттрингита и гидросиликата кальция, то в современном – осмотическими силами. В индукционном (скрытом) периоде гидратации вяжущего происходит постепенное поглощение поверхностными оболочками цементных зерен воды, толщина водных прослоек между зернами уменьшается, постепенно понижается подвижность теста и бетонной смеси. В гелевых оболочках появляется осмотическое давление. Внутренние слои цементных зерен, реагируя с водой, стремятся расшириться. В результате наступает разрушение гелевых оболочек, облегчается доступ воды вглубь цементных зерен, ускоряется процесс гидратации цемента и твердения бетона.

2. "Скачкообразный" характер твердения цементных систем

В настоящее время в области бетоноведения решена масса вопросов, но некоторые из них по-прежнему остаются невыясненными. К одному из таких вопросов относится "скачкообразный" характер твердения цементных систем.

Скачкообразность процесса экспериментально подтверждается волнообразным изменением щелочности жидкой среды и скорости тепловыделения (рис. 2).

Рисунок 2- Скорость тепловыделения гидратирующих цементов

клинкера Воскресенского завода

Профессор Иосиф Николаевич Ахвердов обнаружил такой же характер кривых электрического сопротивления цементного геля различного водосодержания (рис. 3), а профессор Юрий Сергеевич Малинин с сотрудниками – аналогичную картину при изучении кинетики пластической прочности и концентрации различных ионов в жидкой фазе гидратирующегося цемента (рис. 4). Таким образом, несмотря на неоспоримость немонотонного характера формирования и развития физико-механических свойств при твердении минеральных вяжущих, бетонов и тому подобных систем , данная структурообразующая закономерность нередко игнорируется, относится к аномалиям неких некондиционных цементов.

Рисунок 3- Кинетика электрического сопротивления цементного геля в процессе схватывания портландцемента М-500 с различным значением В/Ц

Рисунок 4- Кривые комплексного исследования образца C₃S+C₃A+гипс

В начальном периоде (по всей векроятности, до максимума тепловыделения) при конкретной температуре твердения моменты внезапного самоупрочнения цементной системы наблюдаются через близкий интервал времени – циклически (стадийно). Данная структурообразующая особенность обычно вызывает недоумение и недоверие, хотя ничего нет проще, чем лично убедиться в этом. Для этой цели необходимо коническим пластометром исследовать кинетику структурной прочности цементного теста и растворных смесей различных консистенций при обычных условиях твердения (с интервалом испытаний не более 10 мин с момента затворения цемента водой) и проанализировать полученные пластограммы.

Рисунок 5- Нарастание просности бетона с В/Ц=0,47 на Белгородском п/ц М400

Сбросы прочности имеют место не только в стадии интенсивного отвердевания, но и спустя многие годы и даже десятилетия. Малообъяснимый деструктивный аспект имеет чрезвычайную практическую значимость, тем более в условиях наметившейся в последние годы тенденции строительства высотных и большепролетных железобетонных объектов.

Теория твердения портландцемента развивается на базе основополагающих работ Ле-Шателье, Михаэлиса, А. А. Байкова, П. А. Ребиндера и других выдающихся ученых. Большой вклад в науку о вяжущих веществах внесли П. И. Боженов, П. П. Будников, Ю. М. Бутт, А. В. Волженский, В. А. Воробьев, С. И. Дружинин, В. А. Кинд, О. П. Мчеделов-Петросян, В. Н. Юнг и др.

Цементное тесто, приготовленное путем смешивания цемента с водой, имеет три периода твердения. Вначале, в течение 1 — 3 ч после затворения цемента водой, оно пластично и легко формуется. Потом наступает схватывание, заканчивающееся через 5 — 10 ч после затворения; в это время цементное тесто загустевает, утрачивая подвижность, но его механическая прочность еще невелика. Переход загустевшего цементного теста в твердое состояние означает конец схватывания и начало твердения, которое характерно заметным возрастанием прочности. Твердение бетона при благоприятных условиях длится годами — вплоть до полной гидратации цемента.

Химические реакции. Сразу после затворения цемента водой начинаются химические реакции. Уже в начальной стадии процесса гидратации цемента происходит быстрое взаимодействие элита с водой с образованием гидросиликата кальция и гидроокиси:

2 (ЗСаО • Si02) + 6Н20 = ЗСаО • 2Si02 • ЗН20 + ЗСа(ОН)2

После затворения гидрат окиси кальция образуется из алита, так как белит гидратируется медленнее алита и при его взаимодействии с водой выделяется меньше Са(ОН)2, что видно из уравнения химической реакции

2 (2СаО • Si02) + 4Н20 = ЗСаО • 2SiOa • ЗН20 + Са(ОН)2

Гидросиликат кальция 3CaO-2Si02-3H20 образуется при полной гидратации чистого трехкальциевого силиката в равновесии с насыщенным раствором гидроокиси кальция. Молярное соотношение CaO/Si02 в гидросиликатах, образующихся в цементном тесте, может изменяться в зависимости от состава материала, условий твердения и других обстоятельств. Поэтому применяется термин CSH для всех полукристаллических и аморфных гидратов кальциевых силикатов.

Для замедления схватывания при помоле клинкера добавляют небольшое количество природного гипса (3 — 5% от массы цемента).

В насыщенном растворе Са(ОН)2 эттрингит сначала выделяется в коллоидном тонкодисперсном состоянии, осаждаясь на поверхности частиц ЗСаО-А12Оз, замедляет их гидратацию и оттягивает начало схватывания цемента. Кристаллизация Са(ОН)2 из пересыщенного раствора понижает концентрацию гидроокиси кальция в растворе, и эттрингит уже образуется в виде длинных иглоподобных кристаллов. Кристаллы эттрингита и обусловливают раннюю прочность затвердевшего цемента. Эттрингит, содержащий 31 — 32 молекулы кристаллизационной воды, занимает примерно вдвое больший объем по сравнению с суммой объемов реагирующих веществ (С3А и сульфат кальция). Заполняя поры цементного камня, эттрингит повышает его механическую прочность и стойкость. Структура затвердевшего цемента улучшается еще и потому, что предотвращается образование в нем слабых мест в виде рыхлых гидроалюминатов кальция.

Гидроалюминат связывается добавкой природного гипса, как указано выше, а гидроферрит входит в состав цементного геля.

Свойства и формирование структуры цементного теста. Путем тщательного смешения цементного порошка с водой получают цементное тесто; оно представляет собой концентрированную водную суспензию, обладающую характерными свойствами структурированных дисперсных систем: прочностью структуры, структурной и пластической вязкостью, тиксотропией.

Рис. 48. Процесс гидратации цемента и развитие структуры цементного теста во времени (по Лохеру и Рихартцу): 1 — Са(ОН)2; 2 — эттрингит; За — гидросиликаты кальция, длинные волокна; Зб — то же, короткие волокна; 4 — 3CaO-Al203'CaS04-12H20; 5 —

4Са0'А120з'13Н20; 6 — кривая изменения объема пор; 1 — неустойчивая структура; /1 — формирование основной структуры; //1 — конденсация структуры и получение устойчивой структуры

На рис. 48 схематично показано развитие структуры цементного теста. Первичная структура представляет собой малопрочный пространственный каркас из дисперсных частиц продуктов гидратации, связанных ван-дер-ваальсовыми силами; 'переплетение гидратных оболочек, образованных на частицах адсорбированной водой, тоже удерживает частицы друг около друга. Хотя прочность первичной структуры невелика, подвижность твердых частиц все же снижается, и цементное тесто загустевает. К концу периода схватывания формируется основная структура цементного теста, которое превращается в цементный камень.

Количество внутреннего гидросиликата кальция намного больше, чем внешнего CSH. Внутренний гидросиликат получается в результате топохимической гидратации алита и белита, т. е. путем непосредственного присоединения воды к твердой фазе. Внутренний гидросиликат имеет тонкую и плотную структуру; отношение CaO/SiOj может быть от 0,5 до больших величин по Тейлору.

Рис. 49. Основные структурообразующие фазы цементного камня (твердение портландцементного теста в воде при 20°С, В/Ц=0,35, в течение 28 сут) по

На рис. 49 можно видеть основные фазы портландцементного камня.

Читайте также: