Гидратация цемента

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

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.

[править] 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. 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. 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.

[править] 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.