Гидратация цемента это: Гидратация цемента — что это такое? |

Гидратация цемента — что это такое? |

14.09.2015 profipol_dp

958 просмотра

При смешивании цемента с водой присходит физико-химическая реакция, называемая гидратацией.

Гидратация вызывает твердение цементного клея и превращение его в прочный цементный камень.

Процесс твердения цементного камня (бетона) условно разделяется на две стадии:

• схватывание (кристаллизация, загустевание),
• твердение (набирание прочности)

Процесс схватывания начинается через 4-6 часов после смешивания цемента с водой и может длиться около суток, в зависимости от температуры окружающей среды.

Частички цемента начинают кристаллизоваться и связывают заполнитель цементного раствора или бетона (песок, щебень) между собой.

Бетон (раствор) начинает густеть, становится менее подвижным.

В зависимости от необходимости этот процесс можно ускорить или, наоборот, растянуть с помощью специальных добавок. Чаще всего это пластификаторы с комбинированными свойствами (ускоритель или замедлитель).

Условно говоря, через сутки начинается вторая стадия — твердение цементного камня (набор прочности). При идеальных условиях длится она 28 дней.

На начальном этапе ни о какой прочности не может идти и речи. Чатицы цемента кристаллизовались и скрепили заполнитель раствора вокруг себя, но эти соединения очень хрупкие и легко разрушаемые. При малейших механических воздействиях или подвижках эти соединения разрушаются и раствор уже никогда не свяжется и не затвердеет (не поможет и повторное заливание водой).

Пример 1: если походить по стяжке, которая только начала твердеть и набирать прочность, то разрушенные соединения раствора уже не схватятся между собой и стяжка начнет крошиться и высыпаться в этих местах.

Пример 2: кафель намного легче снять на следующий день после укладки, чем в сам день укладки.  Пока клей вязкий плитку очень тяжело оторвать от стены (пола). На след.день клей кристаллизуется, но стоит только пару-тройку раз постучать по плитке кулаком (резиновым молотком), так она сразу легко снимется.

За первые 7 дней цементный камень набирает около 70% всей своей прочности, затем процесс твердения замедляется и за оставшиеся три недели он набирает еще около 20-25% прочности.

Существует мнение, что бетон набирает прочность первые сто лет своей «жизни» и еще сто лет он ее утрачивает, т.е. через двести лет бетон может стать критично слабым и разрушиться (привет балконам на «екатерининках» и «сталинках»).

Но для того, чтобы бетон продолжал набирать прочность — он постоянно должен поддерживаться во влажном состоянии.

В первые 2-3 недели желательно периодически проливать его водой и, при жаркой погоде или на сквозняке, накрывать пленкой, чтобы влага не испарялась быстро.

Бетон (цементный раствор) должен застыть, а не высохнуть. 
Это огромная разница. В этом весь смысл.

Если влага испарилась или замерзла в растворе, то процесс набора прочности останавливается.

Поэтому принудительное высушивание стяжки просто не допустимо.

Забудьте об открытых настеж окнах и дверях, включении ТП, тепловентиляторов и т.п.

Это тоже интересно:

бетон, материалы, цемент,

Гидратация цемента и бетона — особенности процесса

Данная химическая реакция является основополагающим химическим процессом, благодаря которому мы с вами можем видеть окружающие нас здания и конструкции, дороги и тротуары и огромное число других сооружений. В этой статье мы с вами рассмотрим процесс гидратации цемента и его основные аспекты и постараемся объяснить его простыми словами.

Процесс гидратации цемента

Конечным результатом данной химической реакции является образование цементного камня. Это происходит благодаря смешению цементного клея с водой. Их взаимодействие образует кристаллогидраты, которые образуют кристаллическое соединение, удерживающее частицы и молекулы применяемого сыпучего компонента (щебень, гравий, песок и т.д.).

Как мы с вами знаем, первоначальным этапом набора прочности и сушки цемента является схватывание. Во время этого процесса происходит образование пространственных связей между молекулами. За это отвечают иглообразные кристаллы, получаемые при смешивании воды и цемента. Спустя примерно 10 часов после замеса, начинается застывание, выраженное в формировании силикатной структуры.

Спустя 28 суток образуется силикатная структура максимальной прочности (в зависимости от марки.

Стоит отметить, что несмотря на то, что реакция является экзотермической (выделяется тепло), очень важно соблюдение подходящих температурных условий. Нарушение температурного режима приведёт к снижению эксплуатационных свойств бетонной смеси. Из за этого могут появиться трещины, разрушения и дефекты.

Степень гидратации цемента напрямую зависит от соотношения воды и цемента в смеси. Она достигает своего пика в течении 1-5 лет.

Как можно повлиять на гидратацию цемента?

При строительстве во время холодного времени года, когда среднесуточная температура ниже, чем нужно для хорошего схватывания, допускается использование специализированных добавок. Компания Полихим предлагает вам несколько решений и положительных дополнений к вашему бетону:

Гидратация цемента — что это такое? | Пенообразователь Rospena

Гидратация цемента – это процесс прохождения реакции между компонентами смеси и водой. Без воды бетонный раствор получить не удастся, так как именно при ее добавлении начинается стадия схватывания цемента, а потом и твердения. Эти два этапа считаются основными для приобретения смесью заявленных характеристик (в первую очередь прочности, а также других важных параметров).

Согласно стандартам, начало схватывания портландцемента должно наступать через 45 и более минут после замеса смеси. После того, как процесс схватывания завершился (до 3 часов по регламенту), начинается твердение цементного раствора. Это более длительный процесс, который может занимать годы.

Марочной прочности бетонная смесь достигает через 28 дней, но и по истечении этого периода процесс твердения и набора камнем прочности продолжается.

Знать о том, каким образом проходит схватывание и твердение портландцемента, нужно обязательно. Уделив внимание этим этапам, удастся избежать ошибок при замесе и заливке, которые часто приводят к потере раствором клеящей способности, понижению прочности, деформациям и другим неприятным последствиям. Немаловажны эти знания и для производства, использования разнообразных добавок к цементу, которые меняют определенные характеристики и свойства монолита, способны продлевать или сокращать стадии.

Гидратация – что это такое

Гидратация цемента – это физико-химический процесс связывания воды и ингредиентов цементного порошка. Тут стоит внимательнее изучить состав цемента и понять, каким образом взаимодействуют с водой различные компоненты, как они влияют на сроки схватывания цемента и другие характеристики.

В состав портландцемента входят активные минеральные добавки, за счет которых бетон постепенно набирает нужный уровень прочности. Независимо от типа и марки цемента, в его состав входят четыре основных минеральных составляющих.

Компоненты, входящие в состав цемента:

• С2S – двухкальцивеый силикат
• С3S – трехкальциевый силикат
• С3А – трехкальциевый алюминат
• С4АF – четырехкальциевый алюмоферит

Все компоненты очень важны, обладают определенными свойствами, влияют специфическим образом на схватывание цемента, его твердение. Некоторые начинают сразу взаимодействовать с водой, другие работают постепенно, через какой-то отрезок времени.

Влияние компонентов на гидратацию:

1. Двухкальциевый силикат начинает работать через месяц после затвердения монолита. Все время он пребывает в покое, ожидая очереди. Специальные пластификаторы, добавляемые в смесь, позволяют существенно сократить этот период покоя без риска потери прочности бетоном. Данный компонент работает в долговременной перспективе, положительно влияет на укрепление бетонного монолита.
2. Трехкальциевый силикат работает все время существования цемента. Он является основой смеси, запускает процесс гидратации. При его прохождении выделяется тепло, значительно повышая температуру раствора.
3. Трехкальциевый алюминат в ответе за процесс схватывания, так как является самым активным минеральным компонентом и обеспечивает нарастание прочности бетона на протяжении первых дней. Дальше он перестает работать.
4. Четырехкальциевый алюмоферит минимально воздействует на процесс набора прочности бетона и его твердение, но все равно очень важен в составе. Он работает в финале, когда затвердевание цемента уже запущено, улучшая характеристики и завершая процесс.

Все минеральные составляющие цемента важны для его качества и правильного прохождения процесса гидратации. При смешивании портландцемента с водой в составе сразу создаются новые внутрикристаллические связи, демонстрирующие постепенно нарастающую прочность и доводящие бетон до состояния искусственного камня.

Ввиду того, что сроки схватывания цемента невелики и составляют в норме от 45 до 90 минут, готовить смесь нужно непосредственно перед использованием, чтобы успеть залить и выполнить все работы до начала достижения реакцией того этапа, когда работать со смесью уже невозможно (трудно заливать) или бесполезно (понижается уровень прочности).

Для полного прохождения реакции гидратации соотношение объемов цемента и воды обычно берут равное 3:2. Химически связывается до 25% молекул воды, остальные же остаются в гелевых порах бетона, пребывая в физически связанном виде. Уменьшение объема воды приведет к неполной гидратации, повышение – к появлению капиллярных пор в процессе связывания, что понижает прочность. Точные объемы составляющих всегда указываются в инструкции к цементу или рецептуре приготовления конкретной марки бетона.

Схватывание цемента

Это самый короткий этап набора прочности бетонной смеси, которая проходит первой. Сроки схватывания зависят от состава смеси (пластификаторы, присадки могут менять характеристики) и окружающей температуры воздуха. Чем более высокая температура, тем активнее проходят процессы.

Стандартные сроки схватывания цемента:

• При комнатной температуре – до 3 часов
• При низкой температуре – до 20 часов
• При высокой температуре (если бетон находится в камере пропаривания) – до 20 минут

Существуют разные типы цемента, которые выделяют в соответствии со временем схватывания. Медленный цемент начинает схватываться по истечении 2 часов после замеса, средний – через 45-120 минут, быстрый – через 45 минут. Даже если условия неблагоприятные для прохождения реакции, цемент схватывается максимум за сутки.

После того, как бетон схватился, он еще не обладает всеми параметрами по стандарту и продолжать строительные работы запрещено. Бетон может разрушаться даже при минимальных нагрузках, терять характеристики, неравномерно застывать и т.д. Поэтому в процессе набора прочности цемента нужно прекратить работы и обеспечить идеальные условия.

Процесс твердения цемента

Это второй и более длительный этап, который следует сразу за схватыванием. Твердеть цемент может на протяжении многих лет. Максимальных (100%) показателей прочности смесь достигнет через несколько лет, но уже через 28 суток набирает большую часть (до 90-95%), пригодных для выполнения дальнейших работ и эксплуатации.

Обычно процесс твердения цемента запускается через сутки после начала реакции гидратации. Сначала бетон не прочный и подвержен негативному воздействию среды: частицы цемента уже кристаллизировались, скрепили заполнитель смеси вокруг себя, но пока связи чрезвычайно хрупкие и могут легко разрушиться.

Минимальные механические воздействия разрушают связи и восстановлению они не подлежат. Так, если походить по твердеющей стяжке, соединения разрушатся и уже никогда не схватятся: в местах, где было воздействие, в скором времени бетон начнет высыпаться, трескаться и крошиться.

В течение первых 7 дней бетонный раствор набирает до 70% прочности, потом твердение идет медленнее и еще за 21 день монолит набирает около 20-25% прочности. Среди мастеров бытует мнение, что первые 100 лет бетон постепенно набирает прочность, а последующие 100 лет ее утрачивает.

Для обеспечения нормальных характеристик бетона застывания его нужно дожидаться правильно – в первые 14-20 дней создать влажную среду, брызгать водой при необходимости, защищать от ультрафиолета. Бетон должен застыть, но никак не высохнуть (в таком случае не избежать трещин, деформаций, увеличения усадки и других неприятностей).

Гидратация цемента – самый важный процесс, который должен проходить по технологии. Поэтому до начала работы с раствором необходимо правильно определить водо-цементное отношение, пропорции компонентов, изучить инструкцию и обеспечить раствору идеальные условия для прохождения всех реакций.

гидратация цемента, схватывание бетона, твердение бетона, гидратация

Многие знают, что цемент при взаимодействии с водой твердеет и превращается в так называемый цементный камень. Однако, немногие знают суть этого процесса: как твердеет, почему твердеет, что нам даёт осознание происходящей реакции и каким образом мы можем на неё воздействовать. На сегодняшний момент понимание всех стадий гидратации позволяет учёным изобретать новые добавки в бетон или цемент, так или иначе воздействующие на процессы, происходящие в период схватывания цемента и твердения бетонной или ЖБИ конструкции.

Заводы выпускающие ЖБИ или товарный бетон могут пользоваться этими добавками с огромной пользой для себя. Это и экономия электроэнергии и газа за счёт сокращения сроков пропаривания ЖБИ изделий, и снижение трудозатрат на вибрирование, и скорость оборачивания формоснастки или опалубки, и экономия цемента, и улучшение качественных характеристик товарного бетона и изделий ЖБИ. Всё это возможно за счёт применения специальных добавок для бетона или цемента. Перечень используемых на сегодняшний день добавок довольно велик, поэтому ему посвящён отдельный раздел добавки в бетон.

Вообще, в процессе набора прочности бетона присутствуют две основные стадии:

• схватывание бетона довольно короткая стадия, происходящая в первые сутки жизни бетона. Время схватывания бетона или цементного раствора существенно зависит от температуры окружающего воздуха. При классической расчётной температуре 20 градусов начало схватывания цемента происходит примерно через 2 часа после затворения цементного раствора, а конец схватывания наступает примерно через три часа. То есть — процесс схватывания занимает всего 1 час. Однако, при температуре 0 градусов этот период растягивается до 15-20 часов. Чего говорить, если само начало схватывания цемента при 0 градусов начинается лишь спустя 6-10 часов после затворения бетонной смеси. При высоких температурах, например при пропаривании ЖБИ в специальных камерах мы ускоряем период схватывания бетона до 10-20 минут!В течение периода схватывания бетон или цементный раствор остаются подвижными, на них ещё можно воздействовать. Тут действует механизм тиксотропии. Пока Вы «шевелите» несхватившийся до конца бетон, он не переходит в стадию твердения, и процесс схватывания цемента растягивается. Именно поэтому доставка бетона на бетоносмесителях, сопровождающаяся постоянным перемешиванием бетонной смеси, способна сохранить её основные свойства. При желании прочтите подробности про основные свойства и состав бетона.Из личного опыта могу вспомнить экстраординарные случаи, когда наши миксера с бетоном стояли и «молотили» на объекте по 10-12 часов, в ожидании разгрузки. Бетон в такой ситуации не твердеет, но происходят некие необратимые процессы, существенно снижающие его качества в дальнейшем. Мы называем это свариванием бетона. Особенно критичны такие мероприятия летом в жару. Вспомните сокращённые сроки схватывания цемента при высокой температуре, о которых мы говорили выше. Бетон разливается, все бегают, пытаясь его собрать, восстанавливают опалубку, а время идёт, а ещё не разгрузившиеся бетоносмесители с бетоном стоят и молотят. Хорошо, если есть куда переадресовать, а если нет? Одним словом — беда.
• твердение бетона это процесс наступает сразу после окончания схватывания цемента. Представьте, что мы при помощи бетононасоса наконец-то уложили бетон в опалубку, он благополучно схватился, и тут собственно и начинается процесс твердения бетона. Вообще, твердение бетона и набор прочности ЖБИ идёт не месяц, и не два, а годы. 28 суточный срок регламентирован лишь для того, чтобы гарантировать определённую марку бетона на тот или иной период. График набора прочности бетона или ЖБИ нелинеен и в первые дни и недели процесс происходит наиболее динамично. Почему же так? А вот как раз давайте разберёмся. Пришла пора поговорить про процесс гидратации цемента.

Минералогический состав и гидратация цемента

Мы не будем здесь разбирать сами стадии получения портландцемента, для этого есть специальный раздел, описывающий производство цемента более подробно. Нас интересует лишь состав цемента и его основные компоненты, вступающие в реакцию с водой при затворении цементного раствора или бетона. Итак. В качестве основы портландцемента рассматриваются четыре минерала, полученные в результате всех стадий производства цемента:

• C3S трёхкальциевый силикат
• C2S двухкальциевый силикат
• C3A трёхкальциевый алюминат
• C4AF четырёхкальциевый алюмоферит

Поведение каждого из них на разных стадиях схватывания бетона и его твердения, существенно отличается. Одни минералы вступают в реакцию с водой затворения сразу, другие немного погодя, а третьи — вообще не понятно зачем здесь «ошиваются». Давайте рассмотрим всех по порядку:

C3S трёхкальциевый силикат 3CaO x SiO2 минерал участвующий в процессе нарастания прочности цемента в течение всего времени. Без сомнения, он является главным звеном, хотя, в период первых суток жизни бетона у трёхкальциевого силиката есть серьёзный более шустрый соперник C3A, о котором мы упомянем позже. Процесс гидратации цемента является изотермическим, то есть — химическая реакция сопровождающаяся выделением тепла. Именно C3S «греет» раствор цемента при затворении, прекращает греть в период с начала затворения до момента начала схватывания, затем выброс тепла в течение всего периода схватывания и дальше происходит постепенное снижение температуры.

Трёхкальциевый силикат и его вклад в набор прочности бетона наиболее значим лишь в первый месяц жизни бетонной или ЖБИ конструкции. Это те самые 28 дней нормального твердения. Далее, его влияние на набор прочности цемента ощутимо уменьшается.

C2S двухкальциевый силикат 2CaO x Si02 начинает активно действовать лишь спустя месяц после затворения цемента в бетонной смеси, как будто принимая смену у своего трехкальциевого брата-силиката. В течение первого месяца жизни бетона или ЖБИ он в общем-то валяет дурака и ждёт своего часа. Это период безделья и расслабухи можно существенно сократить за счёт применения специальных добавок в цемент. Зато, его действие длится годами, в течении всего периода нарастания прочности железобетона, ЖБИ или бетона.

C3A трёхкальциевый алюминат 3CaO x Al2O3 наиболее активный из перечисленных. Он начинает кипучую деятельность с самого начала процесса схватывания. Именно ему мы обязаны за набор прочности, в течение первых дней жизни бетона или железобетона. В дальнейшем его роль в твердении и наборе прочности минимальна, но в скорости ему нет равных. Марафонцем его не назовёшь, а вот спринтером, пожалуй — да.

C4AF четрыёхкальциевый алюмоферит 4CaO x Al2O3 x Fe2O3 это как раз тот самый, который — «непонятно зачем вообще здесь ошивается». Его роль в наборе прочности и твердении минимальна. Незначительное воздействие на набор прочности отмечается лишь на самых поздних сроках твердения.

Все перечисленные компоненты при затворении водой вступают в химическую реакцию, благодаря которой происходит нарастание, сцепление и осаждение кристаллов гидратированных соединений. По сути, гидратацию можно назвать и кристаллизацией. Так наверное понятней.

Благодаря стараниям учёных и научным разработкам многочисленных испытательных лабораторий и НИИ стало возможным прогнозируемое и регулируемое воздействие на процесс гидратации цемента, влияние на начало и конец схватывания, регулируемая подвижность бетона, его прочность, коррозионная стойкость и так далее. В основном это делается за счёт применения специальных добавок в бетон. Спектр доступных методов воздействия на процесс схватывания цемента и дальнейшего набора прочности бетона или ЖБИ довольно широк и более подробно он описан в разделе добавки для бетона.

Современное дозирующее и бетоносмесительное оборудование помогает добиться наилучших результатов по однородности состава бетонной смеси или цементного раствора.

Надеюсь, что не загидратировал Вам мозги своими силикатами и алюминатами. С трёхкальциевым приветом, Эдуард Минаев.

Гидратация цемента и бетона — особенности процесса

Данная химическая реакция является основополагающим химическим процессом, благодаря которому мы с вами можем видеть окружающие нас здания и конструкции, дороги и тротуары и огромное число других сооружений. В этой статье мы с вами рассмотрим процесс гидратации цемента и его основные аспекты и постараемся объяснить его простыми словами.

Процесс гидратации цемента

Конечным результатом данной химической реакции является образование цементного камня. Это происходит благодаря смешению цементного клея с водой. Их взаимодействие образует кристаллогидраты, которые образуют кристаллическое соединение, удерживающее частицы и молекулы применяемого сыпучего компонента (щебень, гравий, песок и т.д.).

Как мы с вами знаем, первоначальным этапом набора прочности и сушки цемента является схватывание. Во время этого процесса происходит образование пространственных связей между молекулами. За это отвечают иглообразные кристаллы, получаемые при смешивании воды и цемента. Спустя примерно 10 часов после замеса, начинается застывание, выраженное в формировании силикатной структуры.

Спустя 28 суток образуется силикатная структура максимальной прочности (в зависимости от марки.

Стоит отметить, что несмотря на то, что реакция является экзотермической (выделяется тепло), очень важно соблюдение подходящих температурных условий. Нарушение температурного режима приведёт к снижению эксплуатационных свойств бетонной смеси. Из за этого могут появиться трещины, разрушения и дефекты.

Степень гидратации цемента напрямую зависит от соотношения воды и цемента в смеси. Она достигает своего пика в течении 1-5 лет.

Как можно повлиять на гидратацию цемента?

При строительстве во время холодного времени года, когда среднесуточная температура ниже, чем нужно для хорошего схватывания, допускается использование специализированных добавок.

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.

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.

Технология бетона, стр. №38

Сущность процесса твердения бетона

Твердение бетона связано с гидролизом и гидратацией минералов, составляющих вяжущее, что бывает в том случае, если они реагируют с водой. Такие изменения можно назвать коррозионными. Указанные процессы могут протекать не только на этапах «склеивания» сыпучих каменных материалов после уплотнения, но и в период эксплуатации, когда из бетонной смеси сформованы конструкции (сооружения). Следовательно, при выборе вяжущих учитывают не только возможность их реакции с водой затворения, но и недопустимость дальнейшего развития реакции воды-среды с новообразованиями — цементным камнем.

Однако стойкость цементного камня, состоящего из гидратиро-ванных соединений, нельзя сохранять только за счет выбора минералогического состава вяжущего, так как при длительном воздействии избыточной воды-среды все соединения постепенно корродируют, что приводит к разрушению бетона (раствора) По, этой причине нельзя допускать непосредственного контакта воды-среды с массой цементного камня. Следовательно, выбор химико-минералогического состава цемента необходимо дополнить требованиями, позволяющими получить бетон (раствор), цементный камень которого имел бы минимальный контакт с водой, а в ряде случаев создать дополнительную защиту внешних поверхностей сооружений (например, путем устройства защитных покрытий).

Итак, рассмотрение твердения бетона (раствора) не следует ограничивать изучением собственно процессов гидролиза и гидратации, которые протекают даже при хранении цемента на воздухе, так как в нем имеется влага. Такие условия гидролиза и гидратации приводят только к порче цемента — снижению его вяжущих свойств.

Для использования вяжущих свойств с наибольшим эффектом надо применять: цементы с высокими строительно-техническими свойствами; бетонные смеси с минимально возможным количеством воды, допускающим их формование до такой степени сближения зерен цемента, которая обеспечивает последующее формирование новообразований с пассивными капиллярами и, следовательно, систематическую сработку микробетона Юнга и др. Сказанное о комплексе показателей, имеющих технический смысл при оценке твердения бетона, связано с созданием оптимальных условий для получения искусственных технических камней, для омоноличивания рыхлых каменных материалов, тщательно упакованных при уплотнении бетонных (растворных) смесей, у которых были заранее определены и подобраны зерновые составы.

Многочисленными опытами и анализом работы сооружений в конструкций показано, что высокие плотности цементного камня и, текстуры бетона имеют решающее значение для его долговечности. Под плотной текстурой нужно понимать такое состояние, когда все межзерновое пространство материала заполнено не воздухом, а-водой, обеспечивающей длительный процесс гидролиза и гидратации цемента зерна которого в минимально возможной степени раздвинуты, пленками воды. В зависимости от тонкости помола цемента, его свежести, зернового и химико-минералогического составов, наличия в нем минеральных и других добавок этот процесс протекает годами. Отсутствие воды в межзерновых пространствах, незаполненных цементным тестом, создает неблагоприятные условия для структурообразования цементного камня, резко снижает его технические свойства. Из этого не следует делать вывод, что по указанной причине в бетонную смесь нужно вводить возможно больше воды.

Как известно, вода, рведенная сверх оптимального количества для обеспечения гидролиза и гидратации на контактах цементных зерен при их максимально возможном сближении, приводит к снижению прочности и других технических свойств. Стремление получить бетон с минимальным содержанием воды должно быть всегда 1) поле зрения строителей; это, в частности решается при приготовлении бетонных смесей на бетоносмесительных установках принудительного перемешивания, при предварительном приготовлении цементного теста и вибрировании бетонных смесей.

Акад. А. А. Байков указывал на сложность процесса твердения цементов, представляющего комплекс химических, физических и механических факторов. Сказанное относится к твердению бетона, которое, если не соблюдать ранее изложенные положения о важности получения бетона только плотных текстур, покажет, что процесс твердения цемента не обеспечил получение бетона высоких свойств.

Твердение бетона нельзя рассматривать на основе только химических процессов между цементом и водой, протекающих в лабораторных условиях, отвлекаясь от материала, в котором они будут происходить, и от их условий, которые исключительно разнообразны и нестабильны. Ошибки в производстве работ связаны именно с неучетом указанного различия в результатах химического процесса твердения цемента, когда при одних и тех же новообразованиях и одном и том же их количестве получаются бетоны с разными свойствами.

Твердение бетона невозможно без химического процесса между цементом и водой, однако результаты твердения зависят не только от этого.

Следовательно, зависимость предела прочности бетона при сжатии от В/Ц действительна в строго ограниченных условиях (в нашем случае при одном и том же качестве цемента и других материалов одинаковой технологии бетонных работ). Это легко установить прямыми испытаниями. В частности, при испытании контрольных образцов бетона на сжатие могут быть ошибки, если не учитывается: ровность поверхности образцов (грани, прилегающие к плитам пресса должны быть строго параллельны), скорость приложения нагрузки, центрирование образца и недеформируемость опорных стальных плит пресса. При недостаточной толщине таких плит происходит их деформирование и снижение показателей прочности у испытываемых образцов.

Технике испытания прочности бетона посвящен ряд исследований. Несоблюдение требований испытания приводит к серьезным ошибкам как при проектировании составов бетона, так и при оценке прочности сооружений или их частей (конструкций, деталей и элементов из бетона и железобетона). Указанные закономерности, определяющие прочность бетона на какой-либо срок твердения, являются частным случаем более широкой математической зависимости прочности бетона от различных факторов и используются при непременном условии параллельных приготовлений опытных составов смеси и бетона для каждого случая расчета. Действительно, прочность бетона на любой срок твердения зависит от многих переменных факторов.

Как следует из приведенной записи, подавляющее число характеристик связано с качеством и условиями твердения цемента. В частности, при производстве работ особое внимание уделяется условиям формования смесей, в том числе времени от момента ее приготовления до начала уплотнения. Вылеживание ряда смесей не только снижает их пластичность, но и значительно повышает Прочность из-за изменения межзернового состава в формующемся цементном тесте. Следовательно, в зависимости Rб=f/(В/Ц) всегда должны учитываться сроки твердения бетона, а также сроки от конца приготовления смеси до ее формования в образец (конструкцию).

Результаты опытов, многократно повторенные с различными материалами, подтверждают, что в случае вылеживания смесей нельзя пользоваться зависимостью Rб=f/(В/Ц), без коррективов к показателям прочности бетона. Действительно, бетон с В/Ц при 8,5 ч вылеживания смеси без испарения воды обладает большей прочностью, чем бетон с В/Ц=0,8, если образцы были сформованы вслед за приготовлением смеси. Указанная причина по многих случаях приводит к расхождению в показателях прочности контрольных кубов, сформованных при производстве работ, и кубов, сформованных при подборе состава бетона.

Для лучшего понимания сказанного рассмотрим, как вода распределяется в бетоне. Зерна цемента различны по размерам и минералогическому составу. Известно, что изготовляется большое число цементов различного вида (портландцементы с минеральны-ными добавками, пуццолановые портландцементы и другие вяжущие, зерна которых обладают различной активностью к воде).

Реакция с водой начинается с поверхностных слоев зерен цемента (в том числе и с поверхности трещин в зернах). По мере течения i процесса исходные зерна цемента, вступившего в реакцию с водой, систематически изменяются в размерах.

Количество химически связанной роды будет определяться при анализе воды и полученных новообразований. Количество несвязанной воды находят из разности между количествами воды затворения и снизанной воды в процессе гидролиза и гидратации цемейта. Указанный пример распределения воды в бетоне можно иллюстрировать опытами по ее связыванию зернами цемента различного размера. Так, если зерна цемента мельче 30 мкм могут удерживать в своей массе количество воды, соответствующее В/Ц> 0,8, то более крупные зерна удерживают значительно меньше воды, что определяется по значениям В/Ц<0,25. Такое распределение воды в бетонах (растворах) подсказывает нам причины значительной неоднородности строительно-технических свойств. Указанные зависимости, в первую очередь, необходимо использовать при разработке путем повышения технических свойств бетона и на этой основе его долговечности в сооружениях (конструкциях).

Рассмотрим понятие — нормальные условия твердения цемента. Различие в условиях твердения изменяет скорость гидролиза и гидратации минералов цемента и условия формирования новообразований из них. По этой причине стандартными считают условия, когда относительная влажность среды, в которой твердеет цемент, составляет 100%, а температура воздуха —20±3° С (ГОСТ 310—60). Данные условия не являются оптимальными для всех минералов. По этой причине прочность некоторых бетонов при несовершенном уходе оказывается выше прочности бетонов тех же составов, твердевших при тщательном уходе. Однако долговечность бетонов с высокой прочностью будет меньшей. Понятие «нормальные условия твердения» достаточно условно и необходимо для сравнительной оценки цементов.

На практике нормальными следует считать такие условия, при которых на цементе конкретного состава при его минимально допустимом расходе на кубический метр бетона можно получить больший эффект. В частности, критерием такого нормального режима твердения следует считать предел прочности с 1 кг цемента при наибольшей долговечности бетона (раствора). Например, для шлакопортландцемента с высоким содержанием гранулированного мелкомолотого шлака нормальным режимом будет пропаривание при 100° С и 100% относительной влажности воздуха.

Рассмотрим связь прочности бетона (раствора) с другими техническими характеристиками. Иногда считают, что водонепроницаемость, морозостойкость и другие свойства находятся в прямой зависимости с прочностью бетона. Однако это частный случай, а не закономерность. Действительно, причины, обеспечивающие прочность бетона, связаны с совокупностью условий, не вскрываемых приемами испытания образцов, например при сжатии. Так, наличие в бетоне большего или меньшего числа пассивных капилляров, являющихся решающим фактором в его морозостойкости, никак не может быть вскрыто проверкой прочности бетона существующими методами. Несомненно, различие в капиллярах в какой-то мере отражается на показателях прочности.

Другие характеристики текстуры бетона превалируют над различием в структуре капилляров и поэтому не улавливаются достаточно грубыми приемами испытания прочности бетона. При исключении таких разнородных факторов прочность бетона коррелирует с его морозостойкостью. В этом случае различие в капиллярах четко улавливается по изменению прочности бетона. Однако из сказанного не следует, что, сравнивая морозостойкость бетонов разного состава по показателю морозостойкости, можно судить о большей или меньшей их прочности. Это также относится к любым свойствам (в частности, к ползучести бетона, химической стойкости и т. д.).

Оценка свойств бетона по показателю прочности, как правило, не возможна без привлечения других сведений (качества материалов, анализа, состава смеси и бетона по ряду показателей, анализа условий производства работ). Примером такого приема оценки свойств бетона по многозначной, а не однозначной зависимости тут служить рекомендации по оценке морозостойкости и коррозиной стойкости, приведенные в табличной форме. Смысл сказаного вытекает из широких понятий структуры компонентов, оставляющих текстуру бетона. В частности, определение ползучсти, морозостойкости, водонепроницаемости выявляет дифференциальное качество структурных компонентов в микрообъемах, в то время как определение прочности не позволяет улавливать эти особенности структур компонентов текстуры бетона.

Страницы:

Гидратация цемента — Специальные цементы

Схватывание и твердение бетона — в чем разница?

Основной компонент любой бетонной смеси — это цемент. Он является вяжущей составляющей и обеспечивает твердение материала после испарения воды. Реакция гидратации портландцемента проходит в несколько стадий. Длительность каждого этапа зависит от совокупности условий: температуры, влажности, характера наполнителя и его зернистости.  Для строителей и производителей бетона контроль над процессом схватывания и твердения бетонного раствора имеет огромную важность. Для проведения строительных работ в жару, мороз и других нестандартных условиях применяются разные методы контроля над гидратацией бетона.

Схватывание и твердение бетона — в чем разница?

Первый этап твердения бетонной смеси — это схватывание. Оно завершается в первые сутки после заливки раствора в опалубку или форму. Чем выше температура воздуха, тем быстрее происходит схватывание. При температуре в 20°С материал схватывается через 2 часа после заливки, процесс длится около часа. При температуре близкой к 0°С длительность этого этапа может растянуться на 15-20 часов. Если смесь при незавершенном процессе схватывания «шевелить», срок первой стадии гидратации автоматически продлится, поскольку будет изменена подвижность состава.

Твердение — это вторая стадия застывания цемента. Длительность данного этапа условно укладывается в 28 календарных дней. На практике затвердевание бетона может длиться годами, и все это время прочность изделия будет постепенно возрастать. Нормативный период в 28 дней гарантирует соответствие набранной прочности конкретной марке бетона. Процесс твердения не является линейным, он зависит от влажности, погодных условий, нагрузок на конструкцию и массы других показателей. Однако повлиять на него сложнее, чем на схватывание.

Классификация цементов по характеру гидратации

Портландцемент производят из смеси минералов, в состав которых входят гидросульфоалюминаты кальция, двух- и трехкальциевые силикаты, оксиды кальция и магния. Эти компоненты отвечают за скорость и качество твердения.

По особенностям протекания гидратации различают несколько видов вяжущих веществ:

• расширяющиеся цементы. Способны застывать на воздухе, при условиях повышенной влажности и в воде. При гидратации такого вяжущего вещества увеличивается объем и плотность бетона, а в стесненных условиях возникает самонапряжение материала;
• безусадочные цементы. В процессе гидратации расширяются незначительно и не образуют трещин;
• напрягающие цементы. Способны обеспечивать натяжение арматуры без потери прочности бетона.

Для получения вяжущего с определенными характеристиками применяется смешение перечисленных типов цемента. Также для контроля над процессом гидратации активно используют специальные добавки: пластификаторы, противоморозные компоненты. С помощью внесения добавок удается задать время начала и завершения схватывания смеси, регулировать подвижность и плотность бетона на разных стадиях процесса.

Равномерность застывания бетона в опалубке зависит от условий заливки и от качества материала. Чтобы быть уверенным в качестве стройматериала, приобретайте его у проверенного производителя. Завод «Бетон Центр» изготавливает и реализует строительные смеси по выгодной цене, а также обеспечивает их своевременную доставку бетононасосом на объект и заливку в Твери и Тверской области. Позвоните нам, и необходимое количество бетона поступит на стройку в указанный срок. Оплатить покупку можно как в офисе, так и представителю компании при получении.

Гидратация

Гидратация
Гидратация портландцемента

Введение

Портландцемент является гидравлическим цементом, поэтому его прочность
химические реакции между цементом и водой. Процесс известен
как увлажнение.

Цемент состоит из следующих основных соединений (см. состав
цемента):

• Трехкальциевый силикат, C ₃ S
• Двухкальциевый силикат, C ₂ S
• Трехкальциевый алюминат, C ₃ A
• Тетракальциевый алюмоферрит, C ₄ AF
• Гипс, C S H ₂

Химические реакции при гидратации

При добавлении воды в цемент происходит следующая серия реакций:

• Трехкальциевый алюминат реагирует с гипсом в присутствии воды.
  для производства эттрингита и тепла:
Трехкальциевый алюминат + гипс + вода ®
эттрингит + тепло

C ₃ A + 3C S H ₂ + 26H ®
С ₆ КАК ₃ Н ₃₂ , Д
H = 207 кал/г

Эттрингит состоит из длинных кристаллов, устойчивых только в растворе.
с гипсом.Состав не влияет на прочность цемента.
клей.


• Трехкальциевый силикат (алит) гидратируют с получением силиката кальция.
  гидраты, известь и тепло:
Трехкальциевый силикат + вода ® кальций
гидрат силиката + известь + тепло

2C ₃ S + 6H ® C ₃ S ₂ H ₃
+ 3CH, D H = 120 кал/г

CSH имеет структуру волокон с короткой сетью, которая вносит большой вклад в
до начальной прочности цементного клея.

• Как только весь гипс израсходован по реакции (i), эттрингит становится
  нестабилен и реагирует с любым оставшимся алюминатом трикальция с образованием моносульфата
  кристаллы гидрата алюмината:
Трехкальциевый алюминат + эттрингит + вода ®
моносульфат алюминат гидрат

2C ₃ A + 3 C ₆ A S ₃ H ₃₂
+ 22H ® 3C ₄ ЯСЕНЬ ₁₈ ,

Кристаллы моносульфата стабильны только в растворе с дефицитом сульфата. В присутствии сульфатов кристаллы снова превращаются в эттрингит.
кристаллы которого в два с половиной раза больше моносульфата. Это
Это увеличение размера вызывает растрескивание цемента при воздействии на него
к сульфатной атаке.


• Белит (двухкальциевый силикат) также гидратируется с образованием силиката кальция.
  гидраты и тепло:
Двухкальциевые силикаты + вода ® кальций
гидрат силиката + известь

C ₂ S + 4H ® C ₃ S ₂ H ₃
+ CH, D H = 62 кал/г

Как и в реакции (ii), гидраты силиката кальция вносят вклад в
прочность цементного теста.Эта реакция выделяет меньше тепла и протекает
медленнее, а это означает, что вклад C ₂ S в
сначала прочность цементного теста будет низкой. Однако это соединение
отвечает за длительную прочность бетона на портландцементе.


• Феррит вступает в две последовательные реакции с гипсом:
• в первой из реакций эттрингит реагирует с гипсом и
  воды с образованием гидроксидов эттрингита, извести и оксида алюминия, т. е.е.
• Феррит + гипс + вода ® эттрингит
  + гидроксид железа алюминия + известь
• C ₄ AF + 3C S H ₂ + 3H ®
  C ₆ (A,F) S ₃ H ₃₂ + (A,F)H ₃
  + СН

• феррит далее реагирует с образовавшимся выше эттрингитом с образованием
  гранаты, т.е.

• Феррит + эттрингит + известь + вода ®
  гранаты
• C ₄ AF + C ₆ (A,F) S ₃ H ₃₂
  + 2CH +23H ® 3C ₄ (A,F) S H ₁₈
  + (А,F)Н ₃

Гранаты только занимают место и никоим образом не способствуют
прочность цементного теста.

Затвердевшая цементная паста

Затвердевшая паста состоит из следующих компонентов:

Эттрингит
— от 15 до 20%

Гидраты силиката кальция, CSH     — от 50 до 60%

Гидроксид кальция (известь)
— от 20 до 25%

Пустоты     — от 5 до 6% (в виде капиллярных пустот
и захваченный и вовлеченный воздух)

Заключение

Таким образом, можно видеть, что каждое из соединений в цементе имеет
роль в процессе гидратации. Изменяя пропорцию каждого
составных соединений в цементе (и других факторов, таких как зерно
размера), возможно изготовление разных видов цемента
чтобы удовлетворить несколько потребностей строительства и окружающей среды.

Каталожные номера:

Сидни Миндесс и Дж. Фрэнсис Янг (1981): Бетон, Прентис-Холл,
Inc., Englewood Cliffs, NJ, стр. 671. .

Стив Косматка и Уильям Панарезе (1988): Дизайн и управление
Concrete Mixes, Portland Cement Association, Скоки, Иллинойс.стр. 205.

Майкл Мамлук и Джон Заневски (1999): Материалы для гражданского и
Инженеры-строители, Addison Wesley Longman, Inc.,

Какие продукты гидратации цемента? [PDF]

🕑 Время чтения: 1 минута

Химическая реакция, происходящая между цементом и водой, известна как гидратация цемента. Эта реакция является экзотермической по своей природе, что означает выделение тепла во время реакции, а выделяющееся тепло называется теплотой гидратации .

Обычно цемент выделяет 89-90 кал/г тепла за 7 дней и 90-100 кал/г за 28 дней. Гидратация не является мгновенным процессом, и для полной гидратации частиц цемента могут потребоваться годы.

В основном в цементе присутствуют четыре типа соединений, а именно C ₃ A, C ₄ AF, C ₃ S и C ₂ S, широко известные как соединения Боуга, которые принимают участие в химической реакции. реакция.

Гидратация этих составов приводит к образованию определенных продуктов, что в свою очередь приводит к схватыванию и твердению цемента и, как следствие, превращению в затвердевшую прочную массу.

Основные продукты гидратации

1.

Гидрат силиката кальция

Как только к частицам цемента добавляется вода, C ₃ S и C ₂ S реагируют с водой с образованием гидрата силиката кальция (C-S-H) и гидроксида кальция (Ca(OH) ₂ ).

Химическая реакция показана ниже:

2C ₃ S + 6H —— C ₃ S ₂ H ₃ + 3Ca(OH) ₂
2C ₂ S + 4H S ₂ H ₃ + Ca(OH) ₂

Продукт C-S-H также известен как Тоберморитовый гель.

Термин C-S-H написан через дефис, потому что нет четко определенного соотношения CaO и SiO ₂ . Его состав в гидратированном продукте колеблется в пределах 50-60%. Это самый важный из всех продуктов, и он отвечает за все хорошие свойства бетона, т. е. прочность, долговечность и т. д.

Было обнаружено, что гидратация C ₃ S дает меньше CSH, чем Ca(OH) ₂ , по сравнению с гидратацией C ₂ S. Кроме того, качество и плотность CSH, продуцируемого C ₃ S уступает C ₂ S.

2.

Гидроксид кальция

Ca(OH) ₂ является еще одним продуктом гидратации C ₃ S и C ₂ S. Он составляет от 20 до 25% затвердевшего объема гидратированного цементного теста. Гидроксид кальция помогает поддерживать значение pH 13 вокруг арматуры, что действует как пассивный защитный слой, предотвращающий коррозию арматуры. Это единственное преимущество присутствия гидроксида кальция в бетонной массе.

Приводит к потере прочности бетона по следующим трем причинам:

1. Ca(OH) ₂ легко растворяется в воде и выщелачивается, делая бетонную массу пористой, что приводит к низкой прочности и долговечности.
2. Ca(OH) ₂ реагирует с сульфатами, присутствующими в воде или почве, и образует CaSO _4, , который, в свою очередь, реагирует с C ₃ A и образует продукты большего объема, что приводит к образованию трещин и разрушению бетона. Это явление также называют сульфатной атакой .
3. Ca(OH) ₂ реагирует с CO ₂ , присутствующим в атмосфере, и образует CaCO ₃ . Вначале реакция протекает на поверхности бетона, но постепенно проникает в массу.Если бетонная масса малопористая и снижает значение рН пассивного защитного слоя, это делает арматуру подверженной коррозии. Этот вид износа называется карбонизацией бетона .

Таким образом, видно, что Ca(OH) ₂ в основном нежелателен в бетоне, но из-за его способности защищать арматуру его ценность не может быть полностью подорвана.

3.

Гидрат алюмината кальция

C ₃ A и C ₄ AF представляют собой алюминаты, присутствующие в цементе и после гидратации превращающиеся в гидрат алюмината кальция. C ₃ AH ₆ и C ₃ FH ₆ являются относительно стабильными соединениями гидратации C ₃ A и C ₄ AF соответственно.

Эти продукты гидратации не придают бетону прочности или уникальных свойств; вместо этого их присутствие вредно для бетона, особенно в тех случаях, когда бетон подвержен сульфатному воздействию.

4. Эттрингит

Хорошо известно, что из-за быстрой гидратации C ₃ A и C ₄ AF происходит мгновенное схватывание цемента, что может привести к развитию трещин в бетоне.Чтобы предотвратить это явление, при производстве цемента добавляется гипс (CaSO ₄ ), который снижает растворимость C ₃ A и C ₄ AF и контролирует характеристики мгновенного схватывания.

Этот сульфат из гипса реагирует с C ₃ A и C ₄ AF и образует сульфат алюмината кальция, также известный как эттрингит .

Следует отметить, что это соединение образуется до затвердевания бетона, и, следовательно, это первичное образование эттрингита не приводит к каким-либо вредным воздействиям на бетон.То же самое соединение становится вредным для бетона, если оно образуется после затвердевания бетона.

В народе известен как Delayed Ettringite Formation (DEF), который приводит к развитию микротрещин в бетоне, делая его пористым и менее прочным.

Часто задаваемые вопросы о продуктах гидратации цемента

Дайте определение гидратации цемента?

Химическая реакция, происходящая между цементом и водой, известна как гидратация цемента. Эта реакция является экзотермической по своей природе, что означает выделение тепла во время реакции, а выделяющееся тепло называется теплотой гидратации .

Какие четыре основных компонента цемента?

В основном в цементе присутствуют четыре типа соединений, а именно C ₃ A, C ₄ AF, C ₃ S и C ₂ S, широко известные как соединения Бога, которые принимают участие в химическая реакция.

Что такое эттрингит в цементе?

Сульфат, присутствующий в гипсе, реагирует с C ₃ A и C ₄ AF и образует сульфат алюмината кальция, также широко известный как эттрингит .

Подробнее:
1. Низкотемпературный цемент — состав, свойства, применение и преимущества
2. Жаропрочный бетон или огнеупорный бетон — установка и применение

Кинетика гидратации цемента

Кайла Хэнсон, P.E.

Когда вы видите слово «гидратация», вы можете подумать о воде, рекламе спортивного напитка или, может быть, о жарком солнечном летнем дне. Возможно, вы даже думаете о цементе.

Гидратация

Когда речь идет о бетоне, гидратация так же важна, как и для человека.Это серия химических реакций, происходящих при контакте воды и гидравлического цемента. При соединении воды и цемента в цементное тесто большая часть зерен цемента сразу же начинает растворяться, что инициирует процесс гидратации. В результате реакций образуется множество новых соединений, и чем больше цемента гидратируется, тем больше расходуется воды и цемента и образуется больше соединений. Соединения, развивающиеся в пасте, разрастаются, распространяются, а также начинают накапливаться и соединяться между собой. В конце концов, накопление компаундов приводит к увеличению жесткости, отверждению и увеличению прочности, превращая пластиковый бетон в прочный и долговечный продукт, от которого мы зависим каждый день.И все благодаря увлажнению.

Но гидратация — это не просто соединение цемента и воды. Успешная гидратация и скорость гидратации цемента зависят от множества факторов.

(фото из архива NPCA)

Понимание четырех основных фаз портландцемента и важности сульфатов

Четыре основных минеральных компонента, образующихся при производстве портландцементного клинкера, называются фазами. Они похожи на традиционные соединения, но содержат следы других элементов и оксидов.Четыре основные минеральные фазы в цементе представляют собой силикат трикальция, силикат двухкальция, алюминат трикальция и алюмоферрит тетракальция, которые часто обозначаются аббревиатурой C ₃ S, C ₂ S, C ₃ A и C ₄ AF. соответственно.

Помимо четырех фаз, дигидрат сульфата кальция или гипс также является важным компонентом любого цемента. Гипс смешивают с клинкером во время измельчения, чтобы регулировать время схватывания цемента. Без гипса пластиковый бетон мгновенно застынет.Другие сульфаты кальция также могут быть использованы в качестве регуляторов.

Другие материалы, часто в виде промышленных побочных продуктов, добавляются при производстве клинкера, чтобы усилить действие сульфатов и четырех основных минеральных фаз. Добавление этого сырья обеспечивает дополнительные источники кальция, железа, кремнезема, глинозема и сульфата для создания различных типов цемента.

Типы цемента и их поведение

Каждый тип цемента имеет разный химический состав, что позволяет при правильном использовании давать определенные желаемые результаты.Количество и состав сульфатов, основных минеральных фаз и других материалов, используемых в производстве цемента, определяет тип и свойства цемента, а также его поведение.

Цементы с содержанием C ₃ A от относительно низкого до очень низкого обладают наибольшей стойкостью к сульфатам. Цементы с низким содержанием C ₃ A, низким содержанием C ₃ S и более высоким содержанием C ₂ S имеют более низкую теплоту гидратации. Цементы с высоким и очень высоким содержанием C ₃ S способны быстрее набирать начальную прочность.

ASTM C150 обозначает 10 типов цемента:

Тип I: Нормальный
Тип IA: Нормальный, воздухововлекающий
Тип II: Умеренная сульфатостойкость
Тип IIA: Умеренная сульфатостойкость, воздухововлекающий
Тип II (MH): Умеренная теплота гидратации и умеренная сульфатостойкость
Тип II (MH)A: Средняя теплота гидратации и умеренная сульфатостойкость, воздухововлекающие
Тип III: Высокая начальная прочность
Тип IIIA: Высокая начальная прочность, воздухововлекающие
Тип IV: Низкая теплота гидратации
Тип V: Высокое содержание сульфатов сопротивление

ASTM C1157 описывает шесть типов цемента:
Тип GU: Общего назначения
Тип HE: Высокая начальная прочность
Тип MS: Средняя сульфатостойкость
Тип HS: Высокая сульфатостойкость
Тип MH: Средняя теплота гидратации
Тип LH: Низкая теплота гидратации

ASTM C595 идентифицирует три основных типа цемента с добавками:
Тип IS: Портландцемент с доменным шлаком
Тип IP: Портланд-пуццолановый цемент
Тип IT: Тройной цемент с примесью

Продукты гидратации цемента

Основными продуктами реакций гидратации цемента являются гидрат силиката кальция (CSH), гидроксид кальция (CH), а также фазы AFt и AFm. Фазы AFt и AFm, обнаруженные в гидратированном цементе, представляют собой соединения C ₃ A, ангидрита и воды. Наиболее распространенной фазой AFt является эттрингит, а наиболее распространенной фазой AFm является моносульфат.

Гидратированная портландцементная паста обычно состоит примерно на 50% из CSH и примерно на 15-25% из CH по массе. Большая часть прочности, проявляемой гидратированным цементным тестом, особенно прочность, может быть отнесена к CSH.

C ₃ A является наиболее реакционноспособной из четырех основных минеральных фаз цемента, но она лишь незначительно способствует ускорению набора прочности.C ₃ A легко вступает в реакцию с водой в цементном тесте с образованием геля, богатого алюминатом, при этом процессе выделяется значительное количество тепла. Выделяемое тепло быстро уменьшается, обычно в течение нескольких минут. Однако полученный гель реагирует с различными сульфатами в цементе, включая гипс, ангидрит и полугидрат, и образует эттрингит. Развитие эттрингита на ранних стадиях гидратации помогает контролировать жесткость пластичного бетона. Через несколько дней гидратации эттрингит постепенно расходуется в результате реакций с C ₃ A и заменяется моносульфатом.

C ₃ S и вода реагируют с образованием CSH и CH. C ₃ S, также называемый алит, гидратируется, вступает в реакцию и быстро затвердевает и вносит наибольший вклад в начальное схватывание бетона и раннее развитие прочности. C ₂ S также реагирует с водой с образованием CSH и CH. Однако C ₂ S, или белит, вступает в реакцию медленнее по сравнению с алитом и, в свою очередь, вносит большой вклад в прирост прочности бетона после однонедельного возраста. C ₄ AF является наименее распространенной из четырех основных минеральных фаз и мало способствует развитию прочности.

Роль составов смесей в кинетике гидратации цемента

Добавки, ускоряющие схватывание, предлагают варианты для увеличения скорости гидратации, увеличения раннего набора прочности и сокращения времени до начального и окончательного схватывания, часто без влияния на долговечность. Ускорители работают, ослабляя барьер вокруг частиц цемента, чтобы облегчить доступ воды смеси к фазам C ₃ S и C ₂ S, что, в свою очередь, увеличивает скорость гидратации минералов. Ускорители часто используются, чтобы компенсировать замедляющие эффекты холодной погоды.

И наоборот, добавки, замедляющие схватывание, снижают скорость гидратации, снижают ранний набор прочности и увеличивают продолжительность времени до начального и окончательного схватывания. Замедлители замедляют гидратацию, ингибируя образование и рост определенных продуктов гидратации. Замедлители часто используются для противодействия ускоренному отверждению, вызванному жаркой погодой, или для замедления схватывания, чтобы можно было использовать специальные методы отделки или сложные ситуации укладки.

Добавки, ускоряющие схватывание, и добавки, замедляющие схватывание, выпускаются в различных формах, но чаще всего представляют собой жидкие химические добавки.Действие этих добавок зависит от состава, дозы, времени и последовательности их добавления в смесь, а также температуры окружающей среды и температуры бетона.

Соотношение воды и цементного материала в бетоне влияет почти на все свойства как пластика, так и затвердевшего бетона. Для полной гидратации цемента обычно требуется 0,40 Вт/см. Степень гидратации составляющих материалов зависит от множества факторов; однако, если соотношение в/см слишком велико, избыток воды останется в бетонной матрице.Дополнительная вода будет оставаться до тех пор, пока не испарится, оставляя пустоты, которые не способствуют прочности на сжатие и значительно повышают восприимчивость бетона к множеству проблем. И наоборот, если соотношение в/см слишком низкое, вода смеси будет потребляться или испаряться, в то время как негидратированный цемент останется в матрице. Это не дает преимуществ для прочности или долговечности бетона и увеличивает стоимость сборного железобетона.

Дополнительные вяжущие материалы (ВВМ) часто добавляют в качестве заменителя порции портландцемента в бетонную смесь.Поведение SCM аналогично традиционному цементу. Однако различные типы СКМ усиливают или ингибируют определенные действия гидратации. Обычно используемые SCM включают летучую золу, микрокремнезем и молотый гранулированный доменный шлак. SCM, такие как летучая зола класса F и шлаковый цемент, снижают теплоту гидратации бетона и увеличивают время схватывания, в то время как некоторые природные пуццоланы, такие как кальцинированный сланец или глина и метакаолин, снижают теплоту гидратации бетона, но не влияют на время схватывания.

Роль температуры в кинетике гидратации цемента

Температура окружающей среды во время смешивания, укладки и отверждения играет роль в кинетике гидратации цемента.Хотя не все цементы реагируют одинаково, обычно при повышении температуры время схватывания уменьшается. В целом, колебание в 10 градусов по Фаренгейту может изменить время схватывания примерно на 33%. Идеальная температура отверждения обычно находится в диапазоне от 50 до -70 градусов. При температуре ниже 50 градусов гидратация происходит гораздо медленнее. Когда температура падает ниже 40 градусов, существенно затрудняется раннее развитие прочности. Однако, когда температура окружающей среды превышает 70 градусов, гидратация ускоряется сверх благоприятной скорости и может привести к неблагоприятным последствиям, включая растрескивание при пластической усадке, более низкую 28-дневную прочность и снижение долговечности.

Температура воды замеса также играет роль в гидратации, так как она изменяет температуру бетона. Температуру воды для смешивания можно регулировать, часто нагревая воду или добавляя лед в воду для смешивания.

Роль методов твердения в кинетике гидратации цемента

Дополнительная влага, добавляемая во время отверждения, заменяет воду, потерянную в результате гидратации и испарения. При добавлении дополнительной влаги скорость гидратации практически не меняется. Тем не менее, это помогает обеспечить достаточную влажность во время гидратации и отверждения.Недостаточная влажность может привести к тому, что цемент останется негидратированным, что не придаст бетону полезных свойств, или к преждевременному высыханию бетона, что приведет к небольшим поверхностным трещинам. Дополнительное увлажнение может быть нанесено распылением, пропиткой мешковиной или другими покрытиями, распылением или погружением.

Процедуры удержания влаги основаны на использовании пленок, покрытий или мембранообразующих составов, наносимых на внешние поверхности продуктов для улавливания влаги. Подобно дополнительному увлажнению, удержание влаги мало влияет на скорость гидратации.Наоборот, ретенционные процедуры помогают улучшить условия отверждения, обеспечивая достаточное количество влаги для достаточной гидратации цемента.

Ускоренное отверждение за счет применения тепла и пара увеличивает скорость гидратации и скорость набора прочности. Ускоренное отверждение особенно полезно для достижения раннего набора прочности. Эти процедуры часто используются при бетонировании в холодную погоду, чтобы создать более подходящую среду для гидратации цемента.

В сочетании с внешними методами отверждения внутреннее отверждение предполагает использование полностью насыщенного легкого заполнителя, что создает внутренний источник воды, помогающий поддерживать достаточную влажность во время гидратации и отверждения. Внутреннее отверждение мало влияет на скорость гидратации. Скорее, это помогает обеспечить благоприятную среду для оптимальной гидратации. Внутреннее влажное отверждение часто используется для бетонов, содержащих большое количество вяжущих материалов.

Береги себя

Как и в случае с любым компонентом конструкции бетонной смеси, необходимо уделять внимание влиянию различных типов цемента, добавок, SCM, вес/см, методов отверждения и любых других факторов проектирования и отверждения как на пластические характеристики бетона, так и на свойства отверждения.

Кайла Хэнсон, ЧП является инженером технической службы с NPCA.

Ресурсы:

Portland Cement Association, Design and Control Mixs, 15th Edition
Understanding Cement , Николас Б. Винтер

Каталожные номера:

1. Сокращения не являются истинными химическими формулами веществ: силикат трикальция (C ₃ S) = 3CaO • SiO ₂ ; двухкальциевый силикат (C ₂ S) = 2CaO•SiO ₂ ; алюминат трикальция (C ₄ AF) = 3CaO • Al ₂ O ₃ ; алюмоферрит тетракальция (C ₃ A) = 4CaO • Al ₂ O ₃ • Fe ₂ O ₃

Гидратация цемента — PetroWiki

При смешивании цемента с водой происходят сложные реакции. Важно понимать эти реакции, иначе операция цементирования может быть неудачной.

Стадии реакций гидратации цемента

Каждая фаза гидратируется по своему механизму реакции и с разной скоростью ( Рис. 1 ). Однако реакции не являются независимыми друг от друга из-за сложной природы частиц цемента и близости фаз.

• Рис. 1—Схема реакций гидратации цемента (предоставлено Halliburton).

Всего было определено пять различных стадий:

• Этап 1: предварительный ввод в эксплуатацию
• Стадия 2: «спящий» (индукционный) период
• Этап 3: Ускорение
• Этап 4: Замедление
• Стадия 5: Стабильное состояние

В операциях по цементированию наиболее важными из них являются стадии с 1 по 3. Стадия 1 определяет начальную способность цемента к перемешиванию и в первую очередь связана с реакциями алюминатной и ферритной фаз.Стадия 2 относится ко времени прокачиваемости, а стадия 3 дает представление о свойствах схватывания и увеличении прочности геля.

Гидратация чистых минеральных фаз

В процессе гидратации цемент образует четыре основные кристаллические фазы.

Трехкальциевый силикат (3CaO•SiO

₂ = C ₃ S)

C3S при реакции с водой дает CSH и гидроксид кальция CH (также известный как портландит). Дефисы, используемые в формуле C-S-H, должны изображать его переменный состав: CSH будет подразумевать фиксированный состав CaO.SiO ₂ .H ₂ O. Отношения C/S в C-S-H варьируются от 1,2 до 2,0, а отношения H/S варьируются от 1,3 до 2,1.

Двухкальциевый силикат (2CaO•SiO

₂ = C ₂ S)

Кинетика и механизм гидратации для C ₂ S аналогичны таковым для C ₃ S, за исключением того, что скорость реакции намного ниже. Продукты гидратации такие же, за исключением того, что доля образованного CH составляет примерно одну треть от доли, полученной при гидратации C ₃ S.

Трехкальциевый алюминат (3CaO.

Al ₂ O ₃ = C ₃ A)

Начальная реакция C ₃ A с водой в отсутствие гипса является интенсивной и может привести к «мгновенному отверждению», вызванному быстрым образованием гексагональных кристаллических фаз, C ₂ AH8 (H = H ₂ O) и C ₄ AH ₁₉ . Развивается достаточная прочность, чтобы предотвратить дальнейшее перемешивание. C ₂ AH ₈ и C ₄ AH ₁₉ впоследствии превращаются в кубический C ₃ AH ₆ (гидрогранат), который является термодинамически стабильной фазой при температуре окружающей среды.Обычно для замедления этой реакции добавляют гипс, хотя можно использовать и другие химические добавки.

Продукты реакции, образующиеся при реакции C ₃ A в присутствии гипса, зависят главным образом от поступления сульфат-ионов, образующихся при растворении гипса. Образовавшаяся первичная фаза – эттрингит (C ₆ AS ₃ H ₃₂ ) (S = SO ₃ ). Эттрингит является стабильной фазой только до тех пор, пока имеется достаточный запас растворимого сульфата. Вторая реакция происходит, если весь растворимый сульфат израсходован до того, как C ₃ A полностью прореагирует.В этой реакции образовавшийся эттрингит первоначально реагирует с оставшимся C ₃ A с образованием моносульфата-12-гидрата алюмината тетракальция, известного как моносульфат или моносульфоалюминат (C ₄ A SH ₁₂ ).

Алюмоферрит тетракальция (4CaO•Al

₂ O ₃ •Fe ₂ O ₃ = C ₄ AF)

Гидратация C ₄ AF дает продукты гидратации, которые во многих отношениях аналогичны тем, которые образуются из C ₃ A в сопоставимых условиях, хотя обычно они содержат Fe ³⁺ , а также Al ³⁺ .Гель гидроксида железа (III) и гель феррита кальция также являются возможными продуктами гидратации C ₄ AF. Реакционная способность чистого C ₄ AF, как правило, намного медленнее, чем у C ₃ A.

Гидратация цементных фаз

Хотя основные механизмы реакции и теории гидратации чистых фаз относятся к фазам в цементе, есть некоторые существенные различия. Схема начальных реакций гидратации до момента затвердевания показана на рис.2 .

• Рис. 2—Гидратация цемента от смешивания до схватывания (любезно предоставлено Halliburton).

Щелочи

Щелочи, прежде всего натрий и калий, представляют собой примеси, образующиеся в сланцах, глинах или топливе, используемом при производстве цемента. Хотя они присутствуют в небольших количествах, <1%, они оказывают значительное влияние на гидратацию. Как правило, они присутствуют в виде сульфатов в виде K ₂ SO ₄ , Na ₂ SO ₄ , Na ₂ SO ₄ • 3K ₂ O (афтлита O) и или 2CaSO ₄ •K ₂ SO ₄ (лангбейнит кальция), и они обычно осаждаются на поверхности частиц цемента. Сульфаты щелочных металлов почти сразу растворяются при контакте с водой, и щелочи также могут присутствовать в виде примесей в цементных фазах, при этом натрий преимущественно находится в алюминатной (C ₃ A) фазе, а калий более широко распространен как в кальциевой, так и в алюминатной фазах. Спец. API 10A для цементов классов G и H ограничивает содержание щелочи до 0,75%, как Na ₂ O ₄ , чтобы обеспечить достаточное время загустевания в скважине. ^[1]

В цементах с высоким содержанием K ₂ SO ₄ реакция между K ₂ SO ₄ и гипсом в присутствии воды может привести к образованию сингенита, .Это может вызвать комковатость при хранении сухого цементного порошка в условиях высокой влажности (> 90% относительной влажности), поскольку он действует как эффективное связующее вещество для сухих частиц цемента. Осаждение во время гидратации цемента может вызвать ложное или даже мгновенное схватывание.

Сульфаты кальция

Гипс добавляется в цемент в первую очередь для замедления гидратации алюминатной и ферритной фаз. Эффективность гипса зависит от скорости, с которой соответствующие ионные частицы растворяются и вступают в контакт друг с другом.Таким образом, совместное измельчение гипса намного более эффективно, чем перемешивание в той же пропорции, потому что совместное измельчение приводит частицы гипса в более тесный контакт с частицами цемента и обеспечивает более короткое диффузионное расстояние между ними. Температура и влажность в мельнице могут вызывать дегидратацию гипса, что приводит к образованию полугидрата и/или растворимого ангидрита. Полугидрат или растворимый ангидрит могут регидратироваться с образованием «вторичного» гипса, вызывая быстрое схватывание, известное как «ложное схватывание».Прокачиваемость можно восстановить при дальнейшем смешивании или добавлении воды, при условии, что количество вторичного гипса не слишком велико.

Реакционная способность и характеристики цемента являются кульминацией влияния различных примесей на количество дефектов и морфологию кристаллической структуры различных фаз. Вот почему цемент может варьироваться не только от одного источника к другому, но и между партиями одного и того же источника.

Влияние температуры на гидратацию

Однако скорость гидратации цементных фаз будет увеличиваться с повышением температуры, и в результате время загустевания и схватывания будет уменьшаться.При температуре выше 230°F (110°C) образующиеся продукты гидратации значительно отличаются от продуктов, полученных при более низких температурах. Фаза алита и белита гидратируется с образованием кристаллического α-C ₂ SH, а не аморфного C-S-H. α -C ₂ SH представляет собой относительно плотный кристаллический материал, пористый и непрочный, который вреден тем, что обеспечивает высокую проницаемость и низкую прочность на сжатие. Образование α -C ₂ SH можно предотвратить или свести к минимуму путем добавления в цемент тонкоизмельченного кремнезема, такого как кварцевая мука.

Обычно при цементировании нефтяных скважин ~ 35% диоксида кремния в виде кварцевой муки используется для предотвращения снижения прочности, которое может произойти при температурах выше ~ 248°F (120°C). Этот процент добавленного диоксида кремния обеспечивает эффективное соотношение C/S в цементной смеси, равное примерно 1,0. Как правило, со временем проницаемость немного увеличивается, а прочность на сжатие снижается по мере увеличения кристалличности фаз.

Летучая зола часто рассматривается как потенциальный источник кремнезема для гидротермальных систем.Соотношение глинозем/кремнезем в летучей золе из разных источников, а также реакционная способность алюмосиликатного стекла существенно различаются, что, несомненно, оказывает влияние на образующиеся фазы и поля их устойчивости. Влияние этой изменчивости состава и реакционной способности заключается в том, что летучая зола, если ее использовать в качестве источника кремнезема, может придавать свойства в диапазоне от хороших до вредных.

Сульфатная атака

Сульфатная атака обычно представляет собой проблему только там, где статическая температура на забое скважины (BHST) ниже приблизительно 60°C (140°F), где присутствует эттрингит.Некоторые пластовые воды содержат высокие концентрации сульфатов. Эти сульфаты воздействуют на цемент, и цемент со временем крошится.

Стойкость к воздействию сульфатов повышается путем модификации цементного порошка. Замена алюмината ферритом снижает количество образующегося при гидратации эттрингита, а также уменьшает количество свободной извести. Добавление пуццолановых материалов, таких как летучая зола, также снижает воздействие сульфатов, поскольку они реагируют с CH в цементе и делают его недоступным для реакции.

Каталожные номера

1. ↑ Спец. 10A, Технические условия на цементы и материалы для цементирования скважин, 23-е издание. 2002. Вашингтон, округ Колумбия: API.

См. также

Цементировочные работы

PEH: Цементирование

Примечательные статьи в OnePetro

Внешние ссылки

Категория

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
  браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie
потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Роль различных порошков в процессе гидратации материалов на цементной основе Материалы исследовали с помощью рентгеноструктурного анализа (РФА), термогравиметрического и дифференциального термического анализа (ТГ-ДТА), сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и испытаний на прочность.ГП отрицательно влияет на раннюю прочность, но пуццолановая реакция на более поздних стадиях значительно усиливает развитие прочности. LP может значительно улучшить раннюю силу. SSP вносит хороший вклад в раннюю и позднюю прочность пасты, когда его содержание составляет менее 15%. GP мало влияет на вид продуктов гидратации, но относительно сильно влияет на их количество. Содержание гидроксида кальция (CH) в пасте GP постепенно уменьшается с возрастом отверждения, что отличается от чистой цементной пасты, поскольку ее пуццолановая активность потребляет больше CH, чем образуется при гидратации цемента.SSP и LP в основном играют роль заполняющего эффекта на ранней стадии. Зародышеобразующий эффект LP также способствует ранней гидратации цемента. Гидратация LP происходит на более поздней стадии с образованием гидратов карбоалюмината кальция. Гидратация SSP происходит относительно медленно, что приводит к образованию CH на более поздних стадиях и эффективно влияет на увеличение прочности.

1. Введение

Минеральная добавка стала незаменимым компонентом бетона, потому что она обычно проявляет некоторую пуццолановую реакционную способность в процессе гидратации.Минеральная добавка может заменить цемент и снизить стоимость бетона; кроме того, он может улучшить удобоукладываемость свежего бетона или некоторые свойства затвердевшего бетона. Поэтому использование минеральной добавки в бетоне приносит существенную пользу.

Стеклянный порошок (GP) представляет собой измельченные отходы стекла, которые в основном получают из промышленных отходов стекла (таких как листовое стекло и стекловолокно) и бытовых отходов стекла (таких как стеклянная тара и лампочки) [1]. GP не использовался в качестве замены цемента до последних лет.Он аморфен и содержит большое количество кремния и кальция. Натриево-известковое стекло теоретически является пуццолановым или даже цементным, если оно достаточно измельчено [1]. Использование ГП в вяжущих материалах позволяет эффективно повысить прочность и ингибировать реакцию АШР системы [2–4]. ГП применяли для приготовления реактивного порошкового бетона (РПБ) путем частичной замены портландцемента с целью удешевления [5, 6]. Установлено, что с использованием портландцемента, стеклянного порошка, микрокремнезема и разбавителя воды можно приготовить высокоэффективный бетон с прочностью на сжатие до 100 МПа.Бетон с ГП имеет улучшенные свойства: более высокую прочность, меньшую усадку в сухом состоянии и т. д., чем бетон с золой-уносом [3, 7]. Однако изучение механизма действия ГП в материалах на цементной основе все еще находится на начальном этапе.

Основным компонентом порошка известняка (LP) является кальцит (CaCO ₃ ), который является дешевым и легкодоступным материалом. В настоящее время LP в основном используется для замены частичного мелкого заполнителя или в качестве минеральной добавки в бетон. Как минеральная примесь, LP проявляет реакционную способность к гидратации, когда он измельчается до определенной степени тонкости, и ему необходимо иметь определенную среду и достаточное время гидратации [8].НП вступает в реакцию с алюминиевой фазой в цементном клинкере с образованием гидратов карбоалюмината кальция, что эффективно ускоряет процессы гидратации и твердения [9] и, таким образом, улучшает свойства бетона [10, 11].

Порошок стального шлака (SSP) представляет собой шлак, выходящий из конвертера, электропечи и рафинировочной печи, основными компонентами которого являются силикат и феррит. В развитых странах большая часть ТСП используется в качестве заполнителя в бетоне [12]. Китай изучал применение SSP в качестве минеральной добавки в течение последних тридцати лет.Исследования показали, что ССП можно использовать в качестве активного вяжущего материала, но его активность значительно ниже, чем у цементного клинкера.

В последнее время в небольшом количестве литературы основное внимание уделялось исследованию свойств гидратации и процессу трех различных порошков. Как минеральные добавки, процесс гидратации и набора прочности материалов на основе цемента, содержащих эти три порошка, относительно различны. В этой статье GP, LP и SSP будут использоваться в качестве минеральных добавок для изучения их роли в процессе гидратации материалов на основе цемента.

2. Экспериментальный

В этом испытании используется обычный портландцемент PO 42.5 (POC), соответствующий китайскому стандарту GB175-2007. Химические составы GP, LP, SSP и POC, определенные методом рентгенофлуоресценции (XRF), приведены в таблице 1. Основные составы GP: SiO ₂ , Al ₂ O ₃ и Na ₂ O, что составляет 55,75 %, 10,64 % и 9,92 % соответственно. LP содержит высокое содержание CaCO ₃ , который в основном зависит от необработанного известняка.Содержание CaO, Fe ₂ O ₃ и SiO ₂ в SSP составляет около 74 %, так как источником сталеплавильного шлака являются чугунные и стальные материалы, плавильный шлаковый материал, разрушенная огнеупорная футеровка и переносимый осадок. по твердому материалу. SSP содержит C ₂ S, который также можно обнаружить с помощью XRD-теста.

40 мм 40 мм 40 мм Образцы пасты, использованные в данной статье, были приготовлены с помощью пастосмесителя с соотношением воды и связующего 0,4. Все образцы выдерживали в нормальных условиях при относительной влажности (ОВ) выше 90% и температуре °С до установленного возраста 3, 7, 28 и 90 дней.Соотношения смесей приведены в табл. 2. Содержание минеральных смесей в вяжущей системе составляет 15%, 30% и 45% по массе. Образцы, содержащие 30 % порошков, использовали для микротестирования. Прочность на сжатие паст в разном возрасте была проверена на WAY-2000, машине для испытаний на сжатие аккумуляторного типа. Конкретная процедура испытаний описана в GB/T17671-1999, Method of Testing Cement-Definition of Strength . Ядра разбитых паст собирали для замачивания в безводном этаноле, чтобы остановить продолжающуюся гидратацию для тестов СЭМ.Перед РСА и ТГ-ДТА образцы извлекали из этанола, быстро растирали в порошок в агатовой ступке и сушили при 60°С в течение 2 часов во избежание карбонизации. Химический состав измеряли с помощью усовершенствованного рентгенофлуоресцентного прибора Axios в диапазоне напряжений от 30 до 60 кВ, тока от 50 до 100 мА. Морфологию образцов исследовали с помощью РЭМ (JSM-5610LV, Япония). XRD был обнаружен с помощью X’Pert Pro, PANalytical из Нидерландов, со скоростью сканирования 6°/мин. Эксперименты по ТГ-ДТА проводились на анализаторе Diamond TG/DTA производства Perkin Elmer Instruments Plant (Шанхай) в диапазоне температур от 0 до 900°C с использованием платиновых тиглей с примерно 4 мг образца, при динамическом N _{. 2} атмосфер (50 мл/мин).

3.Результаты и обсуждение

3.1. Прочность

На рисунках 1–3 представлена ​​прочность на сжатие трех групп. Согласно полученным результатам, ГП снижает начальную прочность пасты, причем снижение прочности становится более очевидным с увеличением содержания ГП, что свидетельствует о значительном отрицательном влиянии ГП на прочность композиционных вяжущих материалов. Но более поздняя прочность образца GP улучшается быстрее, чем у образца из чистого цемента (PC). Прочность пасты ПК через 90 дней увеличивается 4.на 9% выше, чем через 28 дней, а ГП-15, ГП-30 и ГП-45 соответственно увеличиваются на 33,7, 48,3 и 17,9%. Характеристики многогранных и гладких поверхностей стеклянных частиц могут снизить ранние механические свойства вяжущей системы. Кроме того, ГП не обладает самостоятельной гидравличностью, но обладает высокой пуццолановой активностью. На более позднем этапе GP реагирует с Ca(OH) ₂ , продуктом гидратации цемента, и образует гидрат силиката кальция (C-S-H), который делает микроструктуру более плотной и повышает прочность.

В отличие от группы ГП, сила группы ЛП на 3 и 7 сутки сначала увеличивается, а затем снижается по мере увеличения содержания ПОЛ. При содержании 15% прочность пасты явно увеличивается.

При увеличении содержания до 30% прочность пасты снижается и становится ниже, чем у образца ПК. Прочность на 28 и 90 день все меньше, чем у образца ПК. Причем, чем больше содержание LP, тем сильнее снижается прочность.Причина в том, что надлежащее содержание LP обеспечивает центр зародышеобразования [13] для гидратации цемента на ранней стадии, что способствует ранней гидратации цемента [14] и, таким образом, повышает прочность; но на более позднем этапе гидратов из вяжущей системы, содержащей LP, меньше, чем в образце ПК, что приводит к более низкой прочности [15].

Прочность группы SSP увеличивается вместе с возрастом отверждения. Содержание 15% SSP мало влияет на снижение прочности, а прочность через 7 дней даже выше, чем у образца PC.Когда содержание составляет 30% или выше 30%, прочность быстро снижается, что позволяет предположить, что большое количество SSP отрицательно влияет на прочность.

Для анализа активности трех порошков используется показатель активности [16], отражающий их активность. Ход расчета соответствует формулам (1)-(3). Здесь – относительная прочность цементного теста с порошками, – прочность цементного теста с порошками, – массовая доля цемента. Для эталона (образец ПК) его относительная сила равна .- эталонная прочность,

Хотя содержание цемента в пасте, содержащей различные порошки, уменьшается соответственно по сравнению с группой ПК, но выше и выше, чем в целом, из-за усиления эффекта активности гидратации. И разница между ними заключается в относительной силе вклада эффекта гидратационной активности, которая называется относительной силой гидратационной активности (). Расчет осуществляется по формуле

. Таким образом, получается относительный показатель, представляющий собой степень вклада гидратационной активности (), который можно использовать для характеристики вклада гидратационной активности порошков в цементное тесто.Формула расчета выглядит следующим образом, а полученные результаты приведены в таблице 3:

Вклад GP увеличивается вместе со временем отверждения. Величина коэффициента вклада, развивающегося от раннего отрицательного к позднему положительному, показывает, что степень пуццолановой реакции ГП на поздней стадии значительно выше, чем на ранней стадии.Скорость раннего вклада LP высока и снижается вместе со временем отверждения в целом, что указывает на то, что эффект раннего заполнения и эффект ускорения, очевидно, улучшают прочность пасты, но более поздняя активность гидратации низкая. SSP имеет лучший эффект раннего наполнения, а более поздняя активность гидратации работает дольше; таким образом, группа SSP имеет более высокую ставку раннего и позднего взноса, чем группа GP.

3.2. Продукты гидратации

3.2.1. XRD

На рисунках 4–7 показаны продукты гидратации паст с различными порошками.Основные кристаллогидраты образцов ГП аналогичны таковым в пасте ПК, а именно Ca(OH) ₂ (CH), гидрат алюмината кальция (CAH) и непрореагировавший клинкер, поскольку основные химические составы ГП и цемента похожий. По сравнению с образцом PC, CH группы GP постепенно уменьшается вместе со временем отверждения, потому что GP потребляет некоторое количество CH за счет пуццолановой реакционной способности на более поздней стадии. ГП имеет слабую пуццолановую реактивность на ранней стадии, которая в основном проявляется на поздней стадии. Пуццолановая реакционная способность GP должна быть при определенных условиях возбуждения, таких как достаточное количество щелочи, тепловые и физические условия [17].В этом эксперименте пуццолановая реакционная способность GP возбуждается щелочной средой, создаваемой гидратацией цемента.

По сравнению с группой GP, рисунок 6 показывает, что дифракционный пик CH группы LP значительно уменьшается, в то время как дифракционный пик CaCO ₃ (CC) значительно усиливается, что является основным составом LP. Небольшое количество гидратов карбоалюмината кальция C ₃ A-CaCO ₃ -11H ₂ O Дифракционный пик можно обнаружить через 90 дней, но почти невозможно обнаружить через 28 дней.Вероятно, это связано с тем, что цемент содержит немного C ₃ A, а LP реагирует с C ₃ A в цементе с образованием гидратов карбоалюмината; таким образом, на более позднем этапе он имеет небольшую долю силы. Образование гидратов карбоалюмината кальция обнаружено в других исследованиях, время образования может составлять от 7 до 127 дней, и это время основано на реакционной активности различных ЛП [18].

На рис. 7 показана рентгенограмма SSP, которая показывает, что SSP содержит C ₂ S.На рис. 8 показаны продукты гидратации группы SSP через 28 дней и 90 дней. Основными продуктами гидратации кристаллов являются СН, негидратированный клинкер и небольшое количество СС. Содержание CH в группе SSP постепенно увеличивается вместе со временем отверждения, потому что SSP не потребляет CH, но C ₂ S генерирует CH, а гидратация цемента продолжает производить CH, поэтому содержание CH в целом будет увеличиваться, что доказывает, что более поздний вклад прочности скорость SSP может оставаться высокой в ​​течение длительного времени.

3.2.2. TG-DTA

Кривые TG-DTA паст показаны на рисунках 9–12. Характеристики всех кривых ТГ-ДТА примерно одинаковы. Все кривые ДТА имеют явный эндотермический пик при 400–500°С, где образцы в основном отбирают координированную воду. Положение самого высокого эндотермического пика составляет около 470 ° C, что вызвано дегидратированным разложением CH и C-S-H (в основном CH), где кривые ТГ имеют значительный градиент потери массы, который связан с потерей массы CH [19].

На основании эндотермического пика и скорости потери массы на кривых ТГ-ДТА можно количественно рассчитать содержание СН. Дегидратированное разложение СН будет происходить при температуре от 400 до 500°С, что приведет к потере качества, и содержание СН можно рассчитать по формуле (4). Содержание CH показано на рисунке 13.

Рисунок 13 показывает, что содержание CH в образце LP, в соответствии с образцом PC, постепенно увеличивается с течением времени отверждения, что согласуется с пиками дифракции CH на рентгенограммах.И это то же самое, что и образец SSP, потому что и цемент, и SSP могут генерировать CH вместо потребления CH в результате гидратации пуццолана, что было доказано рентгенограммами. В отличие от PC, LP и SSP, содержание CH в образце GP снижается по мере времени отверждения, поскольку GP потребляет CH в ходе пуццолановой реакции, что также было выявлено на рентгенограммах. Наряду со временем отверждения, с одной стороны, цемент образует СН; с другой стороны, GP потребляет некоторое количество CH.Фактически количество СН, изменяющееся со временем отверждения, определяется относительным содержанием цемента и ГП и скоростью их реакции.

3.2.3. SEM

СЭМ-изображения паст через 28 и 90 дней показаны на рисунках 14–17. Рисунок 14 (а) показывает, что паста PC через 28 дней содержит большое количество волокнистого геля CSH, немного игольчатого эттрингита и гексагональных кристаллов CH, которые образуют каркас, шатаясь, перекрываясь в сетчатую структуру и соединяясь с окружающим негидратированным цементом. частицы.Но микроструктура пасты через 28 дней выглядит рыхлой. Рисунок 14(b) показывает, что гидратация цемента является более адекватной в течение времени отверждения, и различные продукты гидратации заполняют первоначальные рыхлые поры и формируют плотную микроструктуру. Больше продуктов гидратации образуется с возрастом отверждения, аналогично результатам TG-DTA и XRD.

Подобно образцу ПК, на рис. 15(а) также можно наблюдать большое количество волокнистого геля C-S-H, а иногда он также представлен полосообразным или стержневидным, трубчатым, фольгообразным листом [20].Микроструктура пасты, содержащей ГП, становится более плотной, чем у образца ПК; трудно наблюдать и идентифицировать кристаллические фазы. ГП играет роль наполнителя на ранней стадии. Из рисунка 15(b) видно, что паста имеет плотную микроструктуру, и большинство продуктов гидратации невозможно идентифицировать по морфологии. GP потребляет CH, образующийся при гидратации цемента, и образует гель C-S-H, что было подтверждено тестами XRD и TG-DTA. Гель C-S-H соединяется с другими гидратами и образует более плотное целое, что играет важную роль в улучшении прочности и микроструктуры и иллюстрирует, почему коэффициент прочности GP становится положительным на более поздней стадии.

На рис. 16(а) показано, что продукты гидратации LP-цементного теста через 28 дней прилипают к поверхности частиц LP. Продукты гидратации C ₃ S образуют свободный Ca ²⁺ , который образует продукты гидратации на поверхности частиц известняка; это так называемый «эффект кристаллического ядра». Этот эффект может способствовать ранней гидратации цемента и увеличению ранней прочности, но препятствовать развитию более поздней прочности, что согласуется с испытанием на прочность.На рисунке 16(b) показано, что гель C-S-H представляет собой сеть II типа через 90 дней. В то же время поверхность частиц ЛП подверглась эрозии, что подтверждает участие ЛП в более поздней реакции гидратации.

Рисунок 17(а) показывает, что микроструктура рыхлая; таким образом, ранняя степень гидратации SSP очень низкая на 28-й день. Из рисунка 17(b) видно, что гель C-S-H в основном заполнил систему пор через 90 дней. Поверхность SSP подверглась серьезной коррозии и покрыта гелем C-S-H, что указывает на то, что SSP реагирует с цементом на более поздней стадии.Кристаллы CH были постепенно окружены другими продуктами гидратации и образовали плотную микроструктуру, что лучше объясняет, почему SSP имеет относительно высокую скорость вклада прочности в течение длительного времени.

4. Выводы

(1) ГП оказывает негативное влияние на раннюю прочность, но высокий набор прочности за счет пуццолановой реакции на более поздней стадии. LP, очевидно, может улучшить раннюю прочность, особенно на 3 и 7 день; он в основном играет роль эффекта наполнения и эффекта зародышеобразования на ранней стадии и реактивного эффекта на более поздней стадии.SSP вносит большой вклад в раннюю и позднюю прочность пасты, когда его содержание составляет менее 15%. Эффект раннего наполнения и более поздняя гидратация SSP улучшают скорость набора прочности в течение длительного времени.

(2) GP мало влияет на вид продуктов гидратации, но относительно сильно влияет на их количество. Содержание CH в образце ПК постепенно увеличивается с возрастом отверждения, в то время как в группе ГП наоборот. Содержание СН, образующегося при гидратации цемента, постепенно увеличивается, что стимулирует пуццолановую активность ГП; GP потребляет CH больше, чем производит гидратация цемента.А содержание CH в образцах LP и SSP аналогично группе PC, которое увеличивается с возрастом отверждения. Продукт гидратации LP гидраты карбоалюмината кальция можно обнаружить с помощью XRD, а также подтвердить с помощью SEM. Активные вещества C ₂ S SSP генерируют CH на более поздней стадии.

(3) GP, LP и SSP в основном играют роль заполняющих эффектов на ранней стадии, а зародышеобразующий эффект LP способствует ранней гидратации цемента. Поверхность GP, LP и SSP подверглась эрозии на 90-е сутки, что свидетельствует об их участии в реакции гидратации на более позднем этапе, что также подтверждается прочностными испытаниями.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Этот проект финансируется Национальной ключевой программой исследований и разработок Китая (2016YFC0401907) и Фондом открытия ключевой лаборатории новой энергии и энергосбережения в зданиях Гуанси (15-J-22-4-001).

Что такое гидратация цемента?

Химическая реакция, происходящая между цементом и водой, называется гидратацией цемента.Эта реакция носит экзотермический характер, благодаря чему при гидратации цемента выделяется значительное количество тепла. Это называется «теплотой гидратации». Гидратация цемента не является внезапным процессом. Эта реакция протекает быстрее в раннем периоде и продолжается неопределенно долго с убывающей скоростью.

Что происходит во время гидратации цемента

В процессе гидратации цемента C3S и C2S реагируют с водой и образуется гидрат силиката кальция (C-S-H) вместе с гидроксидом кальция Ca(OH)2.

2 C3S + 6H → C3S2h4 + 3 Ca(OH)2
2 C2S + 4H → C3S2h4 + Ca(OH)2

Гидрат силиката кальция является одним из наиболее важных продуктов процесса гидратации и определяет хорошие свойства цемента. Из приведенных выше реакций видно, что C3S производит большее количество гидроксида кальция, чем C2S.

Гидроксид кальция не является желательным продуктом в бетонной массе, так как он растворяется в воде и выщелачивается, делая бетон пористым, особенно в гидротехнических сооружениях, что снижает долговечность бетона.

 Также читайте : Различные марки бетона 

Гидроксид кальция также реагирует с сульфатами, присутствующими в воде и почве, с образованием сульфата кальция, который в дальнейшем вступает в реакцию с C3A и вызывает разрушение бетона. Этот процесс известен как сульфатная атака. Единственным преимуществом гидроксида кальция является то, что, будучи щелочным по своей природе, он поддерживает высокое значение pH в бетоне, что препятствует коррозии арматуры.