Гидратация и твердение портландцемента

Портландцемент являет собой полиминеральную систему, в ней каждый из основных минералов привносит свой определенный вклад в формирование прочной монолитной структуры цементного камня.

В момент затворения порошка портландцемента водой (рис. 2.3, а) основные минералы, а также гипс начинают активно взаимодействовать с ней независимо друг от друга. При этом наиболее активны именно поверхности кристаллов, имеющих дефекты структуры (за счет образования ненасыщенных связей при резком охлаждении продукта обжига, дефектов, приобретенных кристаллом при помоле, и т. д.).

Твердение цемента

Рис. 2.3. Твердение цемента:

а — смешение цемента с водой; б — образование слабых связей;

в — формирование прочных связей; 1 — цемент;

  • 2 — гелеобразная пленка; 3 — слабые связи; 4 — волокнистые и столбчатые структуры на поверхности зерен и в порах;
  • 5 — сцепление волокон между собой

Вводимый при помоле двуводный гипс при затворении водой образует пересыщенный раствор, из которого CaS04 будет активно реагировать с С3А. При этом образуется эт- трингит — плохо растворимая высокосульфатная форма гидро- сульфоалюмината кальция (3Ca0-Al203-3CaS04-31—32Н20), кристаллизующегося в виде длинных игл или коротких призм, растущих по направлению к гидратирующимся зернам трехкальциевого алюмината, и снижается скорость гидратации С3А, улучшая этим сроки схватывания цемента. Этот период гидратации характеризуется некоторым повышением температуры цементного теста и, как следствие, скорости реакций гидратации в системе в результате увеличения растворимости и концентрации реагирующих веществ.

Сразу после затворения водой при нормальной температуре (20 ± 3 °С) трехкальциевый силикат (C3S) подвергается гидролитической диссоциации по уравнению:

Гидролиз и гидратация зерна C3S протекают по мере проникания воды под образующуюся пленку из продуктов гидратации, которая из-за образования большего количества (по объему) продуктов гидратации периодически отслаивается, облегчая доступ воды к новым, непрореагировавшим слоям материала. Первичные кристаллы гидросиликатов уже через 1 ч после начала гидратации и образования гелеобразной пленки (рис. 2.3, б) на поверхности кристаллов C3S достигают около 0,1 мкм. В твердеющем цементном тесте за счет роста эттрингита, портландита и других кристаллических новообразований создается первичный каркас, который по мере выделения из пересыщенного раствора гидратных соединений упрочняется из-за укрупнения кристаллов каркаса и образования новых контактов между ними.

Взаимодействуя с водой при нормальной температуре, C2S гидратируется практически без гидролиза с образованием гидросиликатов кальция C2SH2 и CSH(B), аналогичных образующимся при гидратации (гидролизе) C3S, но при этом не наблюдается существенного выделения Са(ОН)2. Продукты гидратации образуют на поверхности зерен исходного C2S плотные пленки, препятствующие прониканию воды в глубь реагирующей частицы.

Взаимодействие С3А с водой протекает очень активно, и в зависимости от условий гидратации (водотвердое отношение, концентрация Са(ОН)2 в растворе, температура и др.) образуются гидроалюминаты кальция различного состава.

Четырехкальциевый алюмоферрит C4AF при взаимодействии с водой подвергается гидролизу с образованием в среде, насыщенной гидроксидом кальция, трех- или четырех кальциевого гидроалюмината и гидроферрита кальция. Продуктом гидратации может также быть гель Fe(OH)3.

В период дальнейшего твердения системы (через примерно 3 ч) в пространстве между частицами цемента происходит свободный рост тонких густо расположенных волокон (рис. 2.3, в), которые растут в ходе реакций, постепенно пронизывая все пространство между зернами, и сцепляются друг с другом, формируя жесткий и прочный каркас.

Процесс гидратации и гидролиза при этом не прекращается благодаря неодновременности образования и отслаивания пленок на гидратирующихся зернах и активному выделению теплоты. Первые часы этой стадии твердений (через

6—10 ч с момента затворения) соответствуют концу схватывания цементного теста. На этой стадии твердения образуются длинноволокнистые кристаллы гидросиликатов кальция, которые прорастают в поровое пространство, причем чем дальше от гидратирующегося зерна они удалены, тем более отчетливую игольчатую форму кристаллов они имеют. Вблизи гидратирующейся поверхности C3S и C2S масса новообразований представлена в основном большим количеством тоберморитового геля, близкого по составу к C5S6H5, с включением очень мелких кристаллов новообразований.

Дальнейшее твердение цементного камня протекает за счет все более уплотняющейся оболочки новообразований и сопровождается уплотнением геля, усилением каркаса за счет кристаллизации гелеобразных новообразований, контракцией твердеющего теста.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >