Навигация:
ГлавнаяВсе 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.

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).

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)

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. 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. 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. 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.





Похожие статьи:
Ремонт и восстановление бетонных изделий

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Бетонная смесь

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум