Твердение портландцемента
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:
2(3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2.
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:
3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O
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.
Частицы геля гидросиликата, имеющие первоначально игольчатую форму, продолжая расти, ветвятся, становятся древовидными. Образование дендритных форм является одной из причин соединения частиц геля гидросиликата в агрегаты, имеющие характерную форму «снопов пшеницы» или в виде плотно агломерированных листков. Тонкие слои геля получаются и между кристаллами Са (ОН)2, образуя с ними сросток, упрочняющий цементное тесто.
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.
Структура цементного камня в значительной степени определяется механизмом его гидратации. В результате взаимодействия цемента с водой образуются «внутренние» продукты гидратации в пространстве, первоначально занятом цементными зернами, и «внешние» продукты гидратации, заполняющие пространство, первоначально занятое водой.
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
На рисунке-2 можно видеть основные фазы портландцементного камня. Частицы геля гидросиликата (кристаллиты) представляют собой субмикрокристаллические тонкие пластинки («фольгу») из двух-трех структурных слоев; толщина каждого слоя — около 6 А, а диаметр частицы — менее 100 А.
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.
*****