Raimondirus.ru

RAiMONDI
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Механизм твердения цементного раствора

Механизм твердения цементного раствора

+7 (495)792-42-43 Посмотреть прайс-лист

midas@midas-beton.ru Заявка онлайн

Механизм гидратации и твердения

В результате гидратации портландцемента — конгломерата различных клинкерных фаз и небольшого количества гипса — образуется сложная система, состоящая из гидратов новообразований различной дисперсности, структуры и состава и значительного количества свободной, не вступившей в химические реакции воды. В этой системе новообразования взаимодействуют между собой и реагируют с исходными клинкерными фазами. Состав новообразований зависит от температуры среды, концентрации извести, щелочей в водной части системы, поэтому большое значение для процессов гидратации имеет количество воды затворения, т. е. водоцементное отношение.

Сложность картины твердеющего цемента обусловливается также тем, что процессы гидратации вызывают повышение температуры, которая приводит к изменению концентрации извести в растворе, повышению растворимости щелочей цемента и соответственно к изменению состава гидросиликатов кальция, ускорению перекристаллизации метастабильных гексагональных гидроалюминатов кальция. Вместе с тем продолжается гидратация и химическое связывание воды, уменьшается количество свободной воды, понижается пластичность цементного теста и начинается его заметное загустевание, т. е. наступает схватывание и затвердевание, после чего цемент начинает набирать прочность.

Существуют разные точки зрения на механизм реакций кристаллов с водой. Не имеется, в частности, общего взгляда на особенности «сквозьрастворного» и «топохимического» механизма твердения. М. М. Сычев отмечает, что в первые минуты гидратации происходит конгруэнтное растворение минералов и затем осаждение CSH-фазы из раствора на поверхности C3S. Дальнейший процесс образования этой фазы протекает в гелеподобном слое Тейлора. Эта схема не противоречит данным о «сквозьрастворном» механизме, поскольку в портландцементной пасте в растворе при смешении цемента с водой быстро образуется CSH.

Исследования гидратных новообразований, наблюдаемых в цементном камне и полученных в гидротермальных условиях, выявляют идентичность возникающих при кристаллизации типов кристаллических сростков. Высокоосновные гидросиликаты в отличие от низкоосновных характеризуются меньшей прочностью, так как в низкоосновных гидросиликатах значительно выше степень конденсации кремнекислородных радикалов.

Гидратация цемента сопровождается так называемой контракцией, характеризующейся уменьшением абсолютного объема системы «цемент+вода» по сравнению с объемами исходных реагирующих веществ, хотя при этом внешний объем цементного теста не только не уменьшается, но может даже увеличиться. Значение контракции оценивается в среднем в 6 см3 на 100 г цемента с колебаниями в зависимости от содержания алюминатов кальция и значения В/Ц. Например, при увеличении В/Ц от 0,25 до 0,8 контракция через 7 сут возрастает с 2,7 до 5,5 см3. Предполагают, что в связи с контракцией в цементном камне образуется вакуум, обнаруженный в некоторых исследованиях. Считают, что существует почти прямолинейная зависимость между размером контракции и прочностью при водоцементном отношении 0,6.

Цементный гель, состоящий из гидросиликатов кальция с исключительно высокой дисперсностью, имеет удельную поверхность около 3,0-10е см2/г, что примерно в 1000 раз больше удельной поверхности исходного цемента.

Общая пористость цементного камня зависит от значения В/Ц. С увеличением В/Ц от 0,35 до 0,7 пористость будет занимать от 25 до 50% общего объема затвердевшего цемента, а гидравлический радиус пор, представляющий собой частное от деления объема пор на площадь поверхности их стенок, достигает при этом от 3,4 до 225 А. Мелкие поры представляют собой промежутки между частицами геля, крупные — между агрегатами из частиц геля. Цементный камень, таким образом, следует рассматривать как конгломерат, состоящий из геля, из более крупных, чем частицы геля, кристаллических новообразований, из непрореагировавших клинкерных зерен с экранирующими гелевымн пленками и, кроме того, из пор — гелевых, капиллярных, воздушных, а также относительно больших по размеру пустот, заполненных воздухом либо водой.

Читайте так же:
Песчано цементная кровля забудова

Удельная поверхность полностью гидратированного цементного камня достигает 2,1—2,5-10е см2/г. Вода, на которой был затворен цемент, обусловившая формирование цементного камня, содержится в последнем в трех видах. Это химически связанная в гидратных новообразованиях вода, являющаяся, таким образом, «твердой»; адсорбированная частицами цементного геля — «псевдотвердая» вода, находящаяся в порах тонких капилляров. Ее уже нельзя рассматривать как «псевдотвердую», но она играет большую роль в последующих процессах гидратации и твердения цемента. Наконец, третьим видом является вода, содержащаяся в крупных порах и свободном пространстве цементного камня — по существу «свободная вода».

Характер воды в порах геля и капиллярах оказывает важное влияние на процесс твердения. Было установлено, что процессы гидратации в цементном камне приостанавливаются на воздухе с пониженной относительной влажностью, при которой упругость воды, заключенной в капиллярах, вызывает ее испарение. Дальнейшая гидратация возможна, когда кристаллические гидратные новообразования размещаются в капиллярных порах, заполненных водой, участвующей в гидратации. «Псевдотвердая» вода геля не может участвовать в гидратации непрореагировавших зерен цемента, так как не может преодолеть значительные адсорбционные силы связи с гелевыми частицами; помимо этого имеет значение малый размер пор для размещения новообразований. Поэтому заполнение капилляров водой — одно из важных условий протекания дальнейших процессов гидратации. Количество химически связанной воды в цементном камне составляет обычно через месяц твердения около 15%, через три месяца — 20%, при последующем твердении содержание химически связанной воды составляет уже примерно 25—30%. Дальнейшее изучение этих сложных процессов позволит внести большую ясность в сущность механизма твердения цемента.

Твердение портландцемента

Твердение портландцемента – это процесс превращения цементного теста в камневидное тело, цементный камень. При твердении портландцемента происходит ряд сложных физикохимических процессов. При затворении водой каждый из клинкерных минералов реагирует с ней и дает новые соединения, которых не было в цементе. Все процессы взаимодействия отдельных минералов с водой протекают одновременно, но с разной скоростью, налагаются один на другой и влияют друг на друга.

Процесс твердения портландцемента можно разделить на три периода.

Первый период – период растворения, когда минералы цемента растворяются в воде, и происходит их химическое взаимодействие с образованием гидратированных соединений, которые образуются в растворе вплоть до образования насыщенного раствора. Образование гидратов может идти и топохимически, т.е. с прямым присоединением молекул воды.

Второй период – период коллоидации или схватывания, когда возникающие вследствие продолжающегося взаимодействия с водой новообразования не могут растворяться в уже насыщенном растворе, а выделяются в виде геля.

Третий период – период кристаллизации, или твердения, когда гелеобразные новообразования сближаются между собой, образуют кристаллы и превращаются в кристаллический сросток, что сопровождается увеличением его прочности (рис. 9 и 10).

Рис. 9. Образование гидратных фаз и формирование структуры цементного камня:

А – формирование структуры (схватывание); Б – уплотнение (твердение)

Типичными реакциями, характерными для твердения портландцемента и других вяжущих веществ, являются реакции гидратации, протекающие с присоединением воды. Они могут происходить без распада основного вещества или сопровождаться его распадом на два или несколько соединений реакция гидролиза.

Сразу после затворения цемента водой начинаются химические реакции. Силикаты кальция при взаимодействии с водой образуют два новых соединения двухкальциевый гидросиликат и гидроксид кальция по реакции

Читайте так же:
Оборудования для изготовления цементной черепицы

2(3СаО·SiO2) + 6H2O = 2СаО·SiO2·3H2O + 3Са(ОН)2,

2(2СаО·SiO2) + 4H2O = 2СаО·SiO2·3H2O + Са(ОН)2.

• взаимодействие с водой C3S и C2S протекает с различной

скоростью (табл. 9): C3S значительно активнее, чем C2S, что определяет нарастание прочности цемента в первые сроки его твердения (табл.10);

• при взаимодействии силикатов кальция с водой выделяется

Са(ОН)2 – воздушная известь, создающая щелочную среду в твердеющем цементе, что является условием для возникновения коррозии цементного камня;

• C3S выделяет Са(ОН)2 в три раза больше, чем C2S; общее

количество Са(ОН)2 достигает 15% от массы цементного камня.

Трехкальциевый алюминат при взаимодействии с водой очень быстро образует гидроалюминат кальция:

ЗСаО·Al2O3+ 6H2O = ЗСаО·Al2O3·6H2O .

Образовавшийся трехкальциевый гидроалюминат очень быстро кристаллизуется, что приводит к быстрому схватыванию цементного теста (1…2 мин). С таким тестом работать нельзя: должно быть определенное время для перемешивания смеси, ее транспортирования, укладки и уплотнения в форме. Для замедления схватывания цемента в него добавляют двуводный гипс, который, взаимодействуя с гидроалюминатом кальция, переводит его в гидросульфоалюминат кальция (эттрингит) труднорастворимую соль,

чем замедляет схватывание

Пока идет эта реакция, схватывания не наступает, поэтому гипс добавляют в цемент в зависимости от содержания трехкальциевого алюмината и требуемых сроков схватывания (обычно от

3,5 до 5% от массы цемента).

Образующаяся молекула гидросульфоалюмината кальция в 2,5 раза больше по объему исходной молекулы трехкальциевого гидроалюмината и гипса. В данном случае образование большой молекулы в пластичном, не затвердевшем ещё тесте можно считать явлением положительным: она уплотняет цементный камень. Впоследствии, при росте кристаллов минералов твердеющего цемента гидросульфоалюминат разрушается.

Взаимодействие четырехкальциевого алюмоферрита с водой может быть представлено в виде следующей реакции:

4СаО·Al2O3·Fе2О3 + mH2O = ЗСаО·Al2O3·6H2O + СаО·Fе2О3·nH2O .

Рис. 10. Твердение цемента:

а – рост прочности цемента во времени (Rсж); б – схема взаимодействия зерен цемента с водой в различные сроки; 1 – зерно цемента, 2 – вода; 3 – гидратные новообразования; 4 воздушные поры

Твердение образовавшихся соединений происходит с неодинаковой скоростью. Наиболее быстротвердеющими минералами являются: трехкальциевый алюминат C3A и трехкальциевый силикат C3S. Возникающие в процессе твердения гели трехкальциевого гидроалюмината и гидрата оксида кальция начинают кристаллизоваться и пронизывать кристаллами аморфную массу гидросиликата кальция, который длительное время остается в коллоидном состоянии. Гидросиликат кальция постепенно придает прочность твердеющему цементу, медленно уплотняясь и затвердевая.

Механизм твердения цементного раствора

Тонкость помола любого цемента характеризуют удельной поверхностью этого порошка — площадь зерен, см2 в грамме.

Удельная поверхность обычно у портландцемента — 2500…3300 см2/г. Еще количество цемента, проходящее через строительное сито № 008 (проходит не меньше 85 % проб). Портландцементы, затворенные водой, образуют пластичного вида цементное тесто.

 цементныйВодопотребность у такого цемента сравнительно небольшая. Нормально, когда густотой цементное тесто, это когда пестик стандартных приборов доходит до пластинки на 7 мм, составит 28 % от всей массы цемента. Повышение параметра водопотребности будет плохо сказываться на свойствах цемента: уменьшится прочность и морозостойкость, увеличится усадочная деформация и пр. Снижается водопотребность цемента добавками — пластификаторами.

Срок схватывания портландцемента строго нормирован: начало наступает не раньше 45 минут, а конец — не позже 10 часов с момента его затворения водой. Данные показатели определяются при температуре 20° С, притом используется тесто вполне нормальной густоты.

Читайте так же:
Оборудование для производства песчано цементной смеси

Прочность любого портландцемента характеризуется маркой, которую установили по пределам

прочности при сжимании и в изгибе образцов-балочек размера 40 х 40 х 160 мм. Такие балочки изготовляются из цементно-песчаных растворов состав 1:3 (цемент: к нормальному песку) стандартная консистенция при водоцементных отношениях В/П =0,4. Такие образцы затвердевают в форме на воздухе в течение суток, и в воде комнатной температуры (без формы) 27 суток.

Промышленностью выпускается портландцемент 4-х марок. В паспорте на отгружаемые цемента цементным заводом указывается не только марка, но и активность, т. е. фактическая прочность цемента на сжатия при пропариваниях в возрасте 1 суток.

Тепловыделение же при твердении цементов проходит довольно длительное время, поэтому сильного разогрева бетона и растворов не происходит. Если же объемы укладываемых в

конструкции бетонов велики (к примеру, при возведениях плотин или массивного фундамента), то разогрев может достигать 80° , что уже опасно — бетон растрескается, разрушится.

Равномерность в изменении объема цемента при затвердении — признак его хорошего качества. Цементы при твердении на воздухе уменьшаются в объеме — дают усадки; линейный уровень воздушной усадки цемента достигнет 1 мм/м. Затвердевая в воде, особенно в самом начале твердения, цемент будет увеличиваться в объеме — набухнет, и линейное набухание его достигнет 0,5 мм/м. Потом, в конце затвердения, цемент (даже в воде) уменьшится в объеме.

Равномерность изменений объемов цемента проверяется на лепешке, изготовленной из

цементного теста при нормальной густоте и выдержанной до испытания просто на воздухе до 24 часов. Лепешка не должна растрескаться, осыпаться или же деформироваться после пропариваний в течение трех часов.

Твердение портландцементов

Смешивая портландцемент с водой получается пластичное, легко формуемое довольно клейкое тесто, которое постепенно густеет и переходит в камневидное состояние. Затвердение любого цемента — довольно сложные процессы, включающие ряд химико- и физических явлений. При затворениях минералы в цементе реагируют и происходят различного рода новообразования. Благодаря присутствию гипса и воды, трехкальциевый алюминат будет образовывать эттрингит — гидросульфоалюминат кальция, который замедляет схватывание и твердение цемента.

Механизмы твердения цементов очень сложны. Химические реакции начнут проистекать сразу после смешиваний цемента с водой. Частички портландцемента начнут растворяться, одновременно совершается гидратация и гидролиз растворенных продуктов. Первыми такими гидратными новообразованиями проявляются эттрингит и гидроксид кальция. Такие компоненты в цементе растворяются слабо, довольно медленно, образуя насыщенные растворы, заполняющие пространство между зернышками. Затем образуется очень мелкий гидросиликат, гидроалюминат и гидроферрит кальция, почти нерастворимые в воде. Этот раствор становится сильно перенасыщенным и довольно быстро переходит в коллоидное состояние, там в виде мелких частиц из него выпадут гидратные соединения, образуя гель, обладающий клеящим свойством.

В дальнейшем процессе гидратации в цементном тесте уменьшится количество свободной влаги, клейкость геля увеличится. Тесто загустеет, произойдет его схватывание. Потом новообразования начнут кристаллизоваться. Затем образующиеся кристаллы начинают сращиваться между собой, обрастая длинными игольчатого вида кристаллами, в результате чего создаются кристаллические сростки, т. е. наступит конец схватывания цемента. Дальше цементные камни уплотняются за счет продолжающейся реакции взаимодействия меж цементом и водой, частично обезвоживаясь и дальше кристаллизируясь.

При затвердении цемента на воздухе цементные камни дополнительно упрочняются при карбонизации гидроксида кальция. Затвердевшие цементные камни представляют собой весьма прочные кристаллические каркасы, заполненные гелем, внутри которого находится не затронутый реакцией внутренний слой цементных зерен. Поры в цементных камнях заполнены воздухом и еще там капиллярная вода.

Читайте так же:
Как устанавливается цементный мост

Из-за малой растворимости всех компонентов процессы твердения портландцемента будут протекать длительное время — годы. Однако нарастание дальнейшей прочности раствора цемента в течении времени замедлится. Поэтому качество цемента приняли оценивать по той прочности, которая набирается через 28 суток от начала твердения.

Схватывание и твердение портландцементов зависит от ряда факторов: химические и минеральные составы клинкера, содержание добавок, тонкость помола, температура и влажность окружающей среды и др. Понижение температур от +20° до +5 °С замедлит твердение цемента почти в 3 раза; а повышение же температуры среды до +80 °С ускорит гидратацию в 6 раз.

Цемент будет нормально твердеть лишь при достаточной влажности в окружающей среде; повышение же температуры не должно сопутствовать высушивание раствора. Ускорение процесса твердения портландцементов при тепловой обработке — запаривание, пропаривание, электропрогрев — позволит получить в короткие сроки бетонные и железобетонные изделия необходимой отпускной прочности.

Стойкость цементных камней

Среди всех компонентов бетона и растворов наиболее подвержены коррозии цементные камни.

Цементные камни бетона и растворов должны быть коррозионно-, морозо- и атмосферостойкими.

Коррозия — процессы полного или частичного разрушения материалов от влияния различного агрессивного воздействия. Если влага, раствор солей или кислот просочатся сквозь цементные камни, они постепенно разрушаются, что приводит к разрушениям цементного бетона и раствора. Различаются несколько видов коррозий цементных камней. Одно из них является выщелачивания. Процессы выщелачивания продолжаются до полного разрушения материалов.

Стойкость цементных камней против выщелачивания можно увеличить, добавив активную минеральную добавку. Она свяжет Са(ОН)а в нерастворимые в воде гидросиликат и гидроалюминат кальция.

Особенно опасен для бетона водный раствор сульфата кальция Са. Соединившись с гидроалюминатом кальция, из сульфата кальция образуется гидросульфоалюминат кальция, объем которого за счет значительного там количества кристаллизационной воды почти в 2,5 раза превысит объем гидроалюмината, что вызовет сульфатную коррозию — разрушение затвердевших цементных камней.

Предотвратит коррозию цементных камней правильный выбор вида цемента и путем гидроизоляций бетона от фильтраций через него этой агрессивной воды.

Как делают цемент.

  • Цемент и портландцемент отличия


У человека, впервые столкнувшегося с таким строительным материалом, как цемент, закономерно может возникнуть вопрос: а есть ли различие между цементом и портландцементом? Прежде всего, нужно сказ…

Как происходит процесс затвердевания бетона

В своей самой простой форме бетон — это смесь пасты и наполнителей. Паста, сделанная из портланд-цемента и воды, покрывает поверхность наполнителя. Во время химической реакции под названием «гидратация», паста затвердевает и «набирает силу», формируя камнеподобный материал, известный как бетон.

В этом процессе и заключается отличительная особенность бетона: он пластичен и гибок, когда только что смешан, и надежен и прочен после затвердевания. Это объясняет, почему из одного материала — бетона — строят небоскребы, мосты, тротуары, суперхайвеи, дома и дамбы.

Пропорции материалов в бетоне

Ключ к изготовлению надежного, крепкого бетона — тщательный подбор пропорций и смешивание материала. Смесь, в которой недостаточно пасты, чтобы заполнить всю пустоту между частицами наполнителя, будет трудно размещать, она даст неровные поверхности и пористый бетон. Смесь с переизбытком цемента размещать будет легко, а ее поверхность будет гладкой; однако в результате бетон не оправдает свою стоимость и будет легко трескаться.

Читайте так же:
Новоросцемент способ производства цемента

Химия портланд-цемента начинает действовать в присутствии воды. Цемент и вода формируют пасту, покрывающую каждую частицу наполнителей — камней и песка. В результате бетон затвердевает и становится крепче.

Качество пасты определяет характеристики бетона. Прочность пасты, в свою очередь, зависит от отношения воды к цементу. Оно рассчитывается делением веса воды на вес цемента. Для получения хорошего бетона нужно понизить это отношение насколько возможно, не жертвуя при этом «работоспособностью» свежего бетона, позволяющей ему должным образом размещаться, схватываться и выравниваться.

Подобранная как следует смесь обладает желаемой гибкостью в свежем виде и надежностью в затвердевшем. Обычно смесь состоит из 15% цемента, 60-75% наполнителей и 15-20% воды. Также она может содержать 5-8% воздуха.

Другие ингредиенты

Почти любая природная питьевая вода без ярко выраженного вкуса и запаха может использоваться как компонент для бетона. Излишние примеси не только могут повлиять на время схватывания и прочность бетона, но и привести к изменению его цвета, пятнам, коррозии арматуры, нестабильности объема и уменьшению прочности. В требованиях к бетонным смесям также установлены ограничения на хлориды, сульфаты, алкалиды и твердые частицы в воде для тех случаев, когда определить влияние примесей на бетон невозможно с помощью тестов.

Хотя почти любая питьевая вода подходит для бетонных смесей, наполнители выбирают очень тщательно. Они составляют 60-70% общего объема бетона. Тип и размер используемых наполнителей зависит от плотности и цели конечной бетонной продукции.

Процесс гидратации бетона

Вскоре после того, как наполнители, вода и цемент соединяются, смесь начинает затвердевать. Все портланд-цементы — гидравлические. Они затвердевают благодаря гидратации — химической реакции с водой. При этой реакции на поверхности каждой частицы цемента формируется узел. Он растет и расширяется, пока не связывается с узлами других цементных частиц или близлежащим куском наполнителя.

Когда бетон тщательно перемешан и готов к использованию, его нужно поместить туда, где смесь затвердеет.

При размещении бетон закрепляют, чтобы лучше заполнить форму и чтобы избавиться от потенциальных недостатков, таких, как «соты» и «воздушные карманы».

Для брусков бетон оставляют до тех пор, пока влажная пленка на поверхности исчезнет, после чего его выравнивают специальным деревянным или металлическим «поплавком». Это дает относительно гладкую, но слегка шершавую текстуру, которая не скользит и зачастую является конечной стадией для строительного бетонного бруса. Если же требуется совсем гладкая, твердая, плотная поверхность, после этого его разглаживают стальным мастерком.

Уход за бетоном нужно начинать, когда поверхность достаточно затвердела, чтобы сопротивляться повреждениям. Он помогает убедиться, что гидратация продолжается и цемент все еще набирает силу. Бетонные поверхности обрызгивают водой или используют влагосохраняющие ткани, такие как брезент или хлопок. Другие методы ухода предотвращают испарение воды, запечатывая поверхность пластиковыми или другими специальными спреями, называемыми «смеси для ухода».

Специальные технологии ухода используются при экстремально жаркой или холодной погоде, чтобы защитить бетон. Чем дольше он остается влажным, тем сильнее и прочнее он станет. Время затвердевания зависит от состава и однородности цемента, пропорций смешивания и температурных условий. В основном, гидратация и затвердевание бетона происходит в первый месяц жизненного цикла бетона, но он продолжает гидрироваться на протяжении многих лет, хоть и медленнее.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector