Гидратация бетона: Гидратация бетона

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.

что это такое и для чего используется, этапы затвердевания

Гидратация бетона или цемента

Ингредиенты цементного порошка вступают в химическое взаимодействие с водой и начинается кристаллизация в получаемом монолите. Для полноценного прохождения гидратации бетона соотношение объема цемента и жидкости составляет 3:2 и должно быть точно соблюдено. Тщательный замес раствора позволяет создавать однородную структуру камня и управлять временем схватывания монолита.

Время от начала замеса до начала схватывания – это тот период, в течение которого раствор должен попасть в форму или опалубку. Согласно строительных регламентов он равен 45 минутам, однако модифицирующими присадками и постоянным перемешиванием в миксере может быть растянут.

Обратите внимание! После заполнения раствором форм или опалубки процесс связывания компонентов (схватывание) происходит в течении 3-х часов и тоже может быть изменено добавками, технологией и внешней средой. Процесс набора заявленной прочности бетона достигает 28 дней, но твердение цемента не прекращается и длится годами.

Особенности реакции, как влияют компоненты

Основой цемента любой марки составляют 4 минеральных соединения в разных пропорциях входящие в строительную смесь:

• C3S трёхкальциевый силикат;
• C3A трёхкальциевый алюминат;
• C2S двухкальциевый силикат;
• C4AF четырёхкальциевый алюмоферрит.

Любой из них вступая в контакт с водой по-своему влияет на химический процесс в отдельных временных отрезках нелинейного графика превращения раствора в каменный монолит.

Трехкальциевый силикат C3S активно участвует в процессе кристаллизации раствора в монолит на всем его протяжении. Эта химическая реакция носит изотермический характер, и соединение C3S с водой обеспечивает выделение тепла при замесе, затем снижение нагрева при перемешивании. В период схватывания энергия выделяется интенсивно и в дальнейшем, на этапе нормального твердения, 28 суток постепенно снижается.

Трехкальциевый алюминат C3A отвечает за процесс схватывания раствора. Именно его взаимодействие с водой приводит к выделению тепла при схватывании в первое время после заливки. По мере набора прочности активность минерала слабеет, и он прекращает работу.

Двухкальциевый силикат C2S включается в работу при выходе процесса нормального твердения на финиш (90% набора прочности бетона), то есть примерно через месяц соединения цементной смеси с водой. Его действие продолжает укреплять изделия из бетона после достижения заявленной прочности. Введение пластификаторов в смесь может сократить месячный промежуток времени и заставить работать этот компонент раньше без потери качества.

Четырехкальциевый алюмоферрит C4AF работает как катализатор на финишном отрезке твердения бетона. Взаимодействуя с водой, двухкальциевым силикатом C2S, а также модифицирующими добавками он существенно улучшает характеристики бетона.

Гидратация цемента — это длительный процесс взаимодействия его с водой, каждый ингредиент в нем играет основную роль на своем отрезке времени.

Основные типы структуры и свойства бетона

Структура бетонной смеси сохраняется и при затвердевании, поэтому структуру бетона можно классифицировать по содержанию цементного камня и его размещению в бетоне.

Однако на свойства бетона определяющее влияние оказывает его плотность или пористость. При прочих равных условиях объем и характер пористости, а также соотношение в свойствах отдельных составляющих бетона определяют его основные технические свойства, долговечность, стойкость в различных условиях.

Поэтому целесообразно классифицировать структуру бетона с учетом ее плотности. На рисунке показаны основные типы структур.

Плотная структура, в свою очередь, может иметь контактное расположение заполнителя, когда его зерна соприкасаются друг с другом через тонкую прослойку цементного камня, и «плавающее» расположение заполнителя, когда его зерна находятся на значительном удалении друг от друга. Плотная структура состоит из сплошной матрицы твердого материала, в которую вкраплены зерна другого твердого материала (заполнителя), достаточно прочно связанные с материалом матрицы. Ячеистая структура отличается тем, что в сплошной среде твердого материала распределены поры различных размеров в виде отдельных условно замкнутых ячеек. Зернистая структура представляет собой совокупность скрепленных между собой зерен твердого материала. Пористость зернистой структуры непрерывна и аналогична пустотности сыпучего материала.

Наибольшей прочностью обладают материалы с плотной структурой, а наименьшей – с зернистой. Плотные материалы менее проницаемы, чем ячеистые, а те, в свою очередь, менее проницаемы, чем материалы зернистой структуры. Последние обладают, как правило, наибольшим водопоглощением.

Большое влияние на свойства материала оказывает размер зерен, пор или других структурных элементов. В этой связи в бетоне различают макроструктуру и микроструктуру. Под макроструктурой понимают структуру, видимую глазом или при небольшом увеличении. В качестве структурных элементов здесь различают крупный заполнитель, песок, цементный камень, воздушные поры. Микроструктурой называют структуру, видимую при большом увеличении под микроскопом, которая состоит из непрореагировавших зерен цемента, новообразований и микропор различных размеров.

Цементный камень является основным компонентом бетона, определяющим его свойства и долговечность.

Основной составляющей микроструктуры цементного камня являются гидросиликаты кальция. Они создают определенную пространственную структуру, которая включает непрореагировавшую часть зерен цемента с оболочкой новообразований в виде системы глобул и межзерновое пространство, заполненное в той или иной мере новообразованиями. Цементный камень содержит участки с различной структурой, сложенные разными минералами. Его строение отличается сложностью, многообразием и неоднородностью.

Структура бетона, как правило, изотропна, то есть ее свойства по разным направлениям приблизительно одинаковы. Однако путем особых приемов формования или введения специальных структурообразующих элементов структуре бетона может быть придана анизотропность, то есть ее свойства в одном направлении будут заметно отличаться от свойств в другом направлении.

Для различных видов бетона характерна своя структура. Для тяжелых бетонов характерна плотная структура, для легких конструктивных – плотная структура с пористыми включениями, ячеистые бетоны имеют ячеистую структуру, крупнопористые – зернистую. Подразделение на приведенные типы структур условно, в действительности структура бетона отличается большей сложностью, например, в плотной структуре тяжелого бетона цементный камень имеет значительное количество пор, в плотной структуре легкого бетона поры наблюдаются не только у заполнителя, но и в цементном камне и т. д.

Бетоны являются искусственными каменными материалами. Известно, что прочность подобных материалов зависит от их плотности, так как она определяет плотность упаковки структурных элементов, объем и характер дефектов (пор, микротрещин).

Структура бетона неоднородна. Отдельные объемы материала могут значительно отличаться по своим свойствам, что оказывает заметное влияние на суммарные свойства материала. Могут различаться по свойствам не только цементный камень и заполнитель, но и отдельные зерна заполнителя друг от друга и отдельные микрообъемы цементного камня. Примером может служить изменение свойств цементного камня в контактной зоне. Сама контактная зона, как основной массив цементного камня, неоднородна, в ней содержатся более или менее дефектные места, непрореагировавшие зерна, микротрещины и другие элементы, снижающие однородность материала. Кроме того, структура и свойства бетона могут колебаться в незначительных пределах в разных изделиях и образцах, даже изготовленных из одного и того же состава. На рисунке показана элементарная ячейка структуры бетона. Наглядно видна неоднородность структуры, включающей плотный и прочный материал с разными свойствами, переходные зоны, пустоты. Неоднородность структуры обусловливает неоднородность прочности бетона по объему.

Схема структуры бетона и напряженного состояния сжатого бетонного образца показана на рисунке.

Структура бетона и схема напряженного состояния сжатого бетонного образца

1. цементный камень
2. щебень
3. песок
4. поры, заполненные воздухом и водой; «—» — сжатие;«+» -растяжение

Основные стадии затвердевания

В создании монолитного бетонного сооружения или товарной железобетонной продукции принято выделять два существенных этапа: схватывание цементного раствора и твердение бетонного массива. Последовательное успешное выполнение этапов позволяет получить запланированные характеристики сооружений.

Схватывание цемента

Первый этап длится не более суток. На скорость схватывания влияют соотношение основных ингредиентов цемента, модифицирующих присадок и температуры окружающей среды.

В зависимости от состава цементные смеси различаются:

• Быстрые, начало схватывания от 45 минут после замеса;
• Медленные, по истечении 2 часов соединения с водой;
• Средние, время схватывания между 45 и 120 минутами.

Температура окружающей среды для схватывания после выбора смеси играет определяющую роль. Зависимость от нее прямая: чем она выше, тем быстрее схватывается раствор цемента.

При комнатной температуре плюс 20° бетон схватится максимально через 3 часа (сам этап схватывания длится час).

Если заливка производится при 0° и ниже, процесс схватывания может затянутся до 20 часов. Это происходит из-за задержки начала этапа до 10 часов от заполнения форм.

При выпуске товарных бетонных изделий в камерах с насыщенным паром и высокой температурой (пропариванием) на заводах ЖБИ время схватывания сокращают до 20 минут.

Цементный раствор, который прошел этап схватывания, еще не продукт с нужными параметрами. Он еще не стал бетоном и может разрушаться при небольших нагрузках, терять образовавшиеся слабые связи, которые уже не восстановить. До завершения второго этапа нельзя производить механических работ и ухудшать температурный режим.

Процесс твердения цемента

Второй этап получения прочного бетона запускается примерно через сутки после начала гидратации. В первую неделю после схватывания цементный раствор приобретает до 70% заявленных характеристик. Затем твердение замедляется и на 90-95% прочности бетон выходит по истечении 28 дней. Остальные 5% прочностных характеристик цементный камень может добирать несколько лет.

Четырехнедельный срок твердения бетона определен производителями различных марок цементных смесей для гарантированного получения качественного монолита.

Во время застывания нельзя подвергать массив механическим воздействиям, чтобы не нарушать связи заполнителя с кристаллизирующимися частицами цемента. При необходимости, до 20-го дня процесса, можно увлажнять бетон, защищать от солнечного света (ультрафиолета) и обеспечить температуру выше 0° (желательно).

Гидратация цемента

По современным воззрениям, в начальный период, на первой стадии гидратации, сразу после смешивания цемента с водой, выделяется гидроксид кальция, образуя пересыщенный раствор. Буквально в течение нескольких минут из этого раствора начинают осаждаться первые новообразования – сам гидроксид кальция и эттрингит.

Приблизительно через час наступает вторая стадия гидратации, для которой характерно образование очень мелких гидросиликатов кальция. Из-за того, что в реакции принимают участие лишь поверхностные слои зерен цемента, вновь образующиеся гидратные фазы, получившие название цементного геля, не приводят к значительному изменению зерен цемента, их размер уменьшается незначительно. Итак, новообразования в первую очередь появляются на поверхности цементных зерен. С увеличением количества новообразований и плотности их упаковки пограничный слой становится малопроницаем для воды примерно в течение 2-6 часов. Вторую стадию замедленной гидратации принято называть «скрытым или индукционным периодом» гидратации цемента.

В течение этого «скрытого периода» цементное тесто представляет собой плотную суспензию. Силы притяжения между цементными частицами в воде относительно слабы. Цементное тесто приобретает связанность и подвижность.

В течение «скрытого периода» происходит постепенное поглощение поверхностными оболочками цементных зерен воды, толщина водных прослоек между зернами уменьшается, постепенно понижается подвижность теста и бетонной смеси. Внутренние слои цементных зерен, реагируя с водой, стремятся расшириться.

В результате наступает разрушение гелевых оболочек, облегчается доступ воды вглубь цементных зерен, ускоряется процесс гидратации цемента.

Наступает третья стадия процесса гидратации. Она характеризуется началом кристаллизации гидроксида кальция из раствора. Этот процесс происходит очень интенсивно. Так как на этом этапе количество гидратных фаз относительно мало, то в пространстве между частицами цемента происходит свободный рост тонких пластинок гидроксида кальция, гидросиликатов кальция и эттрингита в виде длинных волокон, которые образуются одновременно. Волокна новообразований создают пространственную сеть, усиливая сцепление между гидратными фазами и зернами цемента. Число контактов между гидратными фазами увеличивается, цементное тесто схватывается, затвердевает, образуется цементный камень.

Образовавшаяся структура сначала является очень рыхлой, но постепенно она уплотняется, объем пор и их размеры уменьшаются, возрастает количество контактов между новообразованиями, утолщаются и уплотняются гелевые оболочки на зернах цемента, срастающиеся в сплошной цементный гель, с включениями непрореагировавших центров цементных зерен. В результате возрастает прочность цементного камня и бетона.

Схематически процесс преобразований, происходящих в системе цемент-вода в процессе гидратации цемента, показан на рисунке.

1. цементные зерна в воде начальный период гидратации
2. образование гелевой оболочки на цементных зернах в «скрытый период» гидратации
3. вторичный рост гелевой оболочки, образование волнистых и столбчатых структур на поверхности зерен и в порах цементного камня – третий период гидратации
4. уплотнение структуры цементного камня при последующей гидратации цемента

Процесс гидратации развивается на границах зерен, и цементный гель растет одновременно внутрь и наружу, причем каждое зерно оказывается как бы упакованным в гель. Вода проникает через гелевую оболочку внутрь зерна, а часть компонентов гидратированного цемента диффундирует в противоположном направлении к внешним границам слоя геля, где эти компоненты присоединяются к существующим кристаллам или начинают образовывать новые. Приблизительно 55 % новообразований появляется снаружи, а 45 % остается внутри первоначальной границы цементного зерна. В процессе гидратации размеры пор в цементном камне уменьшаются, однако в геле полностью гидратированного цемента остаются внутренние пустоты, называемые порами геля.

Пористость геля составляет 28%. Если пористость выше, то это значит, что в геле еще имеются более крупные поры, в которых могут развиваться новообразования, постепенно снижая пористость геля до 28%. Наряду с порами геля в цементном камне сохраняются более крупные капиллярные поры, образовавшиеся при приготовлении цементного теста. Однако размеры и объем пор постепенно уменьшаются. В процессе гидратации происходит постепенное перераспределение жидкой фазы: уменьшается количество свободной воды, одновременно увеличивается количество связанной воды. При полной гидратации цемента в химическую связь с его минералами вступает приблизительно 20-25% воды от массы цемента. Так как точные химические составы для многих компонентов цемента еще не установлены, то количество химически связанной воды определяют по массе «неиспарившейся воды» по специальной методике. Гидратированный цемент представляет собой в основном коллоидное вещество, и эта общая черта всех цементов в известной мере позволяет не учитывать различия в химическом составе каждого из них при рассмотрении физических свойств цементного теста и камня.

Гидратация цемента сопровождается изменением относительного объема его разных фаз. В процессе гидратации вода, вступая в реакцию с цементом, приобретает регулярную структуру, и общий объем системы цемент-вода уменьшается, в то время как объем твердой фазы за счет присоединения воды увеличивается

Изменение объема твердой и жидкой фазы в системе цемент-вода при гидратации цемента:

1. объем негидратированного цемента
2. первоначальный объем воды
3. объем твердой фазы гидратированного цемента
4. объем гелевой воды
5. объем пор
6. объем цементного геля вместе с порами

Уменьшение объема системы цемент-вода в процессе гидратации получило название контракции. Величина контракции зависит от многих факторов: состава и тонкости помола цемента, вида и содержания добавок и др. По величине контракции можно следить за протеканием процесса гидратации цемента и структурообразования бетона.

По некоторым данным, общее количество связанной воды при полной гидратации цемента составляет в среднем 50% от массы цемента. Поэтому, если при твердении бетона не имеется доступа воды извне, то для полной гидратации цемента необходимо, чтобы соотношение вода-цемент (В/Ц) было больше 0,5. Если цементный камень твердеет в воде, то полная гидратация цемента происходит и при меньших В/Ц, так как вода может впитываться через капиллярные и контракционные поры, частично освобождающиеся от воды в результате гидратации. Однако необходимо, чтобы объем этих пор был достаточен для размещения продуктов гидратации. Это имеет место при В/Ц>0,38. При меньших В/Ц полная гидратация цемента при любом твердении невозможна.

Итак, при В/Ц>0.5 в бетоне всегда будут присутствовать капиллярные поры, доступные для миграции влаги, и стойкость его будет понижаться. При В/Ц=0,38-0,5 в цементном камне могут сохраниться поры при отсутствии притока влаги извне за счет того, что гидратация цемента не будет происходить полностью. При водном твердении эти поры частично зарастают продуктами гидратации. При В/Ц<0,38 в цементном камне отсутствуют капиллярные поры. Он весь состоит из цементного геля, но в нем обязательно сохраняются остатки негидратированного цемента. Эти остатки способствуют уплотнению материала и повышению его прочности.

Изменение состава цементного камня в процессе его гидратации в зависимости от В/Ц показано на рисунке:

В обычных бетонах цемент редко гидратирует полностью. При обычных сроках твердения успевает прогидратировать только часть цемента, поэтому даже при В/Ц=0,5 и выше в цементе сохраняются непрогидратировавшие зерна и значительное количество капиллярных пор. В бетоне цементный камень в результате введения заполнителя занимает только часть объема, поэтому, хотя общий характер зависимостей сохраняется, относительные их величины меньше. При изменении расхода цемента и воды пористость также изменяется. Понижение капиллярной пористости ведет к повышению прочности и стойкости бетона, поэтому на производстве стремятся готовить бетонную смесь с минимальным расходом воды, допустимым по условиям формирования конструкции или изделия. Изменение пористости бетона во времени показано на рисунке.

Изменение пористости бетона в процессе твердения:

1. общая пористость
2. контракционная пористость
3. пористость геля
4. капиллярная пористость

Что такое гидратация цемента? Узнайте о теплоте гидратации и продуктах гидратации цемента здесь

Гидратация цемента в гражданском строительстве — это в основном химическая реакция, происходящая при добавлении воды в цемент. Продукты, образующиеся в результате гидратации цемента, играют важную роль в наборе прочности бетона.

Содержание

1. Важность гидратации цемента
2. Процесс гидратации цемента
3. Гидратация цемента Химическая реакция
4. Продукты гидратации цемента
5. Правильно ли называть продукты гидратации гелем?
6. Структура гидратированного цемента
7. Требование к воде для гидратации цемента
8. Тепло гидратации цемента
9. Скорость гидратации цемента
10. Ключевой вывод
11. FAQ

в бетоне заключается в том, что он выступает в качестве вяжущего материала.

Следовательно, он связывает агрегаты вместе.

Безводный цемент (негидратированный цемент) не связывается с мелкими или крупными заполнителями. Адгезионные свойства цемент приобретает только после гидратации. Продукты гидратации, обсуждаемые далее в этой статье, обладают этим адгезивным свойством.

Таким образом, гидратация цемента имеет первостепенное значение в технологии бетона.

Процесс гидратации цемента

Гидратация начинается примерно через час, после чего в цементном тесте можно обнаружить продукты гидратации. Со временем доля продуктов гидратации увеличивается, а цементного теста уменьшается.

Гидратация основных продуктов цемента

Как известно, цемент состоит из двух типов компонентов, второстепенных и основных компонентов. Основные соединения цемента / Bogue’s Compounds отвечают за увеличение прочности, поскольку только они подвергаются гидратации.

Все четыре основных соединения цемента не гидратируются с одинаковой скоростью. Скорость гидратации алюминатов значительно больше по сравнению с силикатами. Застывание цементного теста определяется гидратацией алюминатов. Затвердевание цементного теста определяется гидратацией силикатов.

Гидратация C ₃ S, C ₂ S, C ₃ A и C ₄ AF подробно обсуждается ЗДЕСЬ.

Механизм гидратации цемента

Существуют два механизма , объясняющие процесс гидратации цемента следующим образом:

1. Растворный механизм гидратации цемента

В соответствии с теорией сквозного растворения цементные соединения растворяются при добавлении воды с образованием ионных компонентов. Таким образом, в растворе образуются гидраты, что делает раствор пересыщенным.

Из этого пересыщенного раствора осаждаются продукты гидратации цемента из-за малой растворимости гидратов.

Полная реорганизация исходных компонентов происходит по сквозному растворному механизму во время гидратации.

2. Твердофазный механизм гидратации цемента [топохимический]

Согласно теории твердофазного механизма, цементные соединения находятся в твердом состоянии, а не в форме раствора. Вода воздействует на эти соединения в твердом состоянии и превращает их в гидратированные продукты.

Гидратация начинается с поверхности компаундов. Со временем гидратация продолжается внутрь соединений.

Оба вышеуказанных механизма реализуются в реакции гидратации цемента.

Можно предположить, что сквозной механизм имеет место на ранних стадиях гидратации, когда доступно много воды.

Твердофазный механизм продолжается на более поздней стадии гидратации, когда подвижность ионов в растворе ограничена.

Полная гидратация частиц цемента практически невозможна. Для достижения полной гидратации

• Цементные частицы должны быть очень тонко измельчены
• Следует повторно отшлифовать с избытком воды, чтобы свежая поверхность снова подвергалась воздействию воды

Увлажнение химической реакции цемента

Следующие наблюдения могут быть сделаны из вышеуказанных реакций :

• C ₃ S . C ₂ S гидратация дает 82 % C-S-H и 18 % Ca(OH) ₂
• Учитывая большое количество C-S-H, производимого C ₂ S, можно сделать вывод, что предел прочности C ₂ S будет выше, чем у C ₃ S.
• Ca(OH) ₂ снижает долговечность бетона за счет снижения его устойчивости к воздействию сульфатов и кислот.
• Учитывая большое количество Ca(OH) ₂ , производимое C ₃ S, можно сделать вывод, что долговечность C ₃ S будет выше, чем у C ₃ S.
• С точки зрения долговечности принимается одна из следующих мер:
  • C ₃ Содержание S ограничено
  • Поццолан добавляется для удаления избытка Ca(OH) ₂
• C ₃ S требует большего содержания воды для полной гидратации по сравнению с C ₂ S.

Продукты гидратации цемента

Продукты гидратации цемента:

• гидраты силиката кальция
• гидроксид кальция
• гидраты алюмината кальция

Когда вода смешивается с безводными цементными составами, они образуют соединения гидратации. Продукты, образующиеся при гидратации, обладают низкой растворимостью.

Механические свойства бетона зависят от физической структуры продуктов гидратации, а не от химического состава цемента.

Гидраты силиката кальция (гель C-S-H)

Гидрат силиката кальция (гель C-S-H) и гидроксид кальция (Ca(OH) ₂ ) образуются во время реакции C ₃ S и C ₂ S с водой.

Гидрат силиката кальция (гель C-S-H) является наиболее важным продуктом гидратации портландцемента.

Структура : Дефис между C-S-H обозначает неопределенный продукт гидрата силиката кальция. Это слабокристаллическая волокнистая масса .

Поскольку свойства бетона определяются структурой, разница в составе с точки зрения соотношения кальция и кремнезема не имеет большого значения.

Тоберморитовый гель : Гель C-S-H также называют тоберморитовым гелем, поскольку его структура похожа на встречающийся в природе минерал тоберморит.

Гель C-S-H является наиболее важным продуктом, образующимся в ходе реакции гидратации, так как он определяет благоприятные свойства бетона.

Первоначально не было уверенности в том, что произведение C ₃ S и C ₂ S одинаково, но позже это подтвердилось.

50-60 % объема твердых частиц в полностью гидратированном цементном тесте составляют только гель C-S-H.

Гидроксид кальция

Структура : Отчетливая морфология шестиугольной призмы

20-25 % объема твердых частиц в полностью гидратированном цементном тесте содержит Ca(OH) ₂ .

Сульфатная атака из-за Ca(OH) ₂ : Ca(OH) ₂ реагирует с серой, присутствующей в почве или воде, с образованием сульфата кальция. Сульфат кальция реагирует с C ₃ A, основным компонентом цемента, что приводит к ухудшению состояния бетона.

5+ Меры по предотвращению сульфатной атаки описаны ЗДЕСЬ .

Ca(OH) ₂ невыгоден по следующим причинам-

• Растворим в воде
• Подвергается выщелачиванию, делая бетон пористым (особенно в гидротехнических сооружениях)
• Снижает прочность бетона
• Вызывает порчу бетона
• Способствует воздействию серы на бетон

Как видно выше, Ca(OH) ₂ неблагоприятен для бетона. Вредное воздействие преодолевается за счет использования смешивающих материалов, таких как летучая зола, микрокремнезем и другие пуццолановые материалы.

Преимущество : Ca(OH) ₂ имеет щелочную природу, поэтому pH поддерживается на уровне около 13, что обеспечивает коррозионную стойкость.

Гидраты алюмината кальция

Гидратация C ₃ A : Система алюмината кальция (CaO-Al ₂ O ₃ -H ₂ O) образуется при гидратации алюминатов. C ₃ AH ₆ представляет собой стабильный кубический гидрат, образующийся при гидратации, который может оставаться неизменным до 225 °C. Другими образовавшимися кристаллогидратами являются C ₄ AH ₁₉ и C ₂ AH ₈ .

C ₃ A вступает в реакцию с водой, немедленно вызывая вспышку. Однако гипс, добавляемый при производстве портландцемента, действует как замедлитель схватывания, замедляя его реакцию. Если этот шаг не выполнен, портландцемент нельзя использовать в большинстве случаев.

Следовательно, имеет значение не гидратация С ₃ А, а гидратация С ₃ А в присутствии гипса. Гипс растворяется в воде с образованием нерастворимого сульфоалюмината кальция. Он образует коллоидную мембрану вокруг C ₃ A, оседая на его поверхности, и его гидратация замедляется.

Гидратированные алюминаты не влияют на прочность цемента. Быстрая гидратация C ₃ A может незначительно способствовать ранней прочности цемента.

Однако гидратация алюминатов делает бетон склонным к сульфатному воздействию. Таким образом, это влияет на долговечность бетона и является нежелательным.

Гидратация C ₄ AF : Гидратация C ₄ AF образует систему (CaO-Fe ₂ O ₃ -H ₂ O). C ₃ FH ₆ представляет собой гидратированный продукт, который сравнительно более стабилен.

Даже это не способствует прочности. Но гидраты C ₃ AH ₆ обладают большей устойчивостью к сульфатному воздействию по сравнению с гидратами C ₃ A.

Гипс и щелочи уменьшают растворимость C ₃ A.

Образуется любой из следующих осадков:

• Эттрингит : гидрат трисульфата алюмината кальция (C ₆ AS ₃ H ₂₂ )
• Моносульфат : гидрат моносульфата алюмината кальция (C ₄ ASH ₁₈ )

Эттрингит

• Эттрингит гидратируется и кристаллизуется первым из-за высокого соотношения сульфат/алюминат в фазе раствора, т. е. в течение первого часа гидратации.
• При уменьшении концентрации сульфата концентрация алюмината увеличивается за счет гидратации C ₃ A и C ₄ AF. Теперь эттрингит становится нестабильным.
• Постепенно эттрингит образует моносульфат, когда концентрация сульфата снижается, а концентрация алюмината возрастает.
• Цемент, содержащий >5 % C ₄ A будет иметь конечный продукт моносульфата.

Важность продуктов гидратации цемента

Адгезионные или вяжущие свойства цемента приписываются только продуктам гидратации.

Следующие аспекты продуктов гидратации цемента важны:

• качество
• количество
• непрерывность формирования
• стабильность
• скорость формирования

Правильно ли называть увлажняющие средства гелем?

Не совсем так.

Ле Шателье дал кристаллическую теорию, в которой утверждал, что продукты гидратации представляют собой осадки, напоминающие сцепленные друг с другом кристаллы.

Михаэлис выдвинул коллоидную теорию, в которой упомянул преципитаты как коллоидную массу студенистой природы.

В настоящее время принято, что продукты гидратации представляют собой мо гелеобразные вещества, в которых плохо образуются тонкие волокнистые кристаллы бесконечно малых размеров присутствуют.

Гель делает бетон пористым. Его пористость составляет 28%. Поры геля заполнены водой.

Структура гидратированного цемента

Для понимания поведения бетона важное значение приобретает изучение структуры гидратированного цемента.

На макрофазовом уровне бетон представляет собой двухфазный материал, состоящий из –

• пастообразной фазы
• агрегатная фаза

Частицы заполнителя диспергированы в цементном тесте. Структура пасты более важна, так как она определяет следующие свойства бетона –

• прочность
• проходимость
• долговечность
• усадка при высыхании
• упругие свойства
• ползучесть
• свойства изменения громкости

На микроскопическом уровне также видна 3-я фаза – переходная зона.

Переходная зона

• Видна только на микроскопическом уровне, предположительно третья фаза бетона.
• Область между частицами крупного заполнителя и затвердевшим цементным тестом, наблюдаемая вблизи крупных частиц заполнителя.
• Вода скапливается под продолговатыми и чешуйчатыми агрегатами из-за внутреннего кровотечения. Это снижает прочность связи в этой области.
• Переходная зона важна, так как это плоскость ослабления бетона. Внутреннее кровотечение и подобные факторы ухудшают качество цементного теста в этом регионе.
• Еще до нагружения в этой области образуются микротрещины из-за усадки при высыхании или изменения температуры. Когда конструкция нагружена, эти трещины переходят в более крупные трещины.

Таким образом, переходная зона является фазой, ограничивающей прочность бетона. Это связано с тем, что бетон может разрушиться при более низком напряжении, чем сопротивление объемной пасте или заполнителям.

Негидратированное ядро ​​

В цементных зернах гидратация цементных соединений прочно прилипает к его негидратированному ядру.

Однако оставшаяся в зерне цемента негидратированная часть не влияет на прирост прочности цементного раствора или бетона. Единственное условие – раствор или бетон должны быть хорошо утрамбованы.

Чтобы доказать это, Абрамс получил прочность 280 МПа всего лишь при соотношении В/Ц 0,08. При таком низком водоцементном отношении гидратация будет происходить только на поверхности, а большая часть частиц цемента в сердцевине останется негидратированной. Тем не менее, можно было получить высокую прочность.

Современный высокоэффективный бетон получают при водоцементном отношении 0,25. При этом ядро ​​также остается негидратированным.

Негидратированный цементный сердечник действует как мелкий заполнитель в системе.

Потребность в воде для гидратации цемента

Минимальное водоцементное отношение для полной гидратации цемента составляет 38 %.

Из них 23 % составляют связанная вода, а 15 % — гелевая вода. Вода, участвующая в реакции гидратации, недоступна и называется связанной водой. Вода, заполняющая поры геля, называется гелевой водой.

И связанная вода, и гелевая вода дополняют друг друга. Если недостаточно воды для заполнения пор геля, то образование геля будет остановлено.

При водоцементном соотношении 0,38 происходит полная гидратация без избытка воды. Избыток воды, если он присутствует, образует капиллярные полости в бетоне. Капиллярные полости увеличивают пористость и нежелательны.

Полная гидратация при водоцементном соотношении 0,38 основана на предположении, что гидратация происходит в герметичной системе, где обмен влаги невозможен.

На практике полная гидратация цемента никогда не достигается, поэтому также используется водоцементное отношение менее 0,38. В частности, для бетона с высокими эксплуатационными характеристиками используется водоцементное отношение <0,38, чтобы избежать капиллярной активности.

Теперь объем геля вдвое превышает объем негидратированных продуктов. Производство геля увеличивается с гидратацией цемента. Гель заполняет пространство, ранее занятое водой.

Однако при водоцементном соотношении выше 0,7 геля никогда не будет достаточно, чтобы заполнить пространство, занимаемое водой. Следовательно, бетон останется пористой массой.

Избыток воды в бетоне нежелателен. Влияние избытка воды в бетоне описано ЗДЕСЬ .

Теплота гидратации цемента

Гидратация цемента является экзотермической реакцией. Следовательно, в процессе выделяется тепло. Это тепло называется теплотой гидратации.

Теплоту гидратации можно определить как количество тепла, выделяемое в джоулях на грамм цемента при полной гидратации при определенной температуре.

(Теплота гидратации может быть подтверждена следующим: Возьмите свежезамешанный бетон в вакуумную колбу и отметьте его температуру через различные промежутки времени. Обратите внимание на повышение температуры.)

Теплота реакции гидратации не является мгновенной реакцией . Реакция протекает быстрее на ранней стадии и продолжается неопределенно долго с пониженной скоростью.

Глубина гидратации на 28 дней всего 4 мк .

0563 867

. наивысшая теплота гидратации. Основные соединения в последовательности выделения теплоты гидратации следующие:

C ₃ A > C ₃ S > C ₄ AF > C ₂ S

Значение теплоты гидратации

• Контроль теплоты гидратации особенно важен при массовом бетонировании, а также при строительстве бетонных плотин.
• Температура внутри бетонной массы в 50 раз выше исходной температуры во время укладки бетона. он продолжает оставаться таковым в течение длительного времени.
• Следовательно, важно изучение теплоты гидратации и мер по ее контролю.
• Теплота гидратации желательна при бетонировании в холодную погоду, когда температура окружающей среды слишком низкая для активации реакций гидратации.

Различные соединения присутствуют в гидрате цемента в разной степени. Теплота гидратации, выделяемая разными соединениями, также неодинакова.

Ранняя теплота гидратации связана с гидратацией C ₃ S. Поскольку гидратация C ₃ A контролируется замедлителями, добавляемыми в цемент с целью предотвращения мгновенного схватывания цемента.

Heat of hydration in cement at different time periods:

Total Heat of Hydration in cement depends on the относительное количество основных соединений цемента.

Суммарная теплота гидратации цемента не зависит от тонкости помола цемента.

Значение теплоты гидратации цемента

Теплота гидратации Испытание цемента

Природа гидратации может быть определена путем измерения тепла, выделяющегося во время реакции гидратации.

Почти половина всего тепла выделяется именно в первые 3 дня.

Скорость гидратации цемента

Выделение тепла после схватывания цемента показано на графике ниже:

Восходящий пик A

При добавлении воды к цементу происходит быстрое выделение тепла, что показано восходящий пик A.

Это мгновенное выделение тепла происходит из-за реакции растворения алюминатов и сульфатов.

Однако пик длится недолго, так как гипс, присутствующий в цементе, снижает растворимость алюминатов.

Восходящий пик B

Образование эттрингита в цементе приводит к восходящему пику B после 4-8 часов гидратации. Это тепло выделяется при реакции C ₃ S (эттрингит).

Крупность цемента влияет на скорость гидратации цемента; но не полную теплоту гидратации.

Скорость гидратации чистых цементных смесей

Скорость гидратации самая высокая в C ₄ AF, как видно из приведенного выше графика. Последовательность соединений Боуга в порядке возрастания скорости гидратации: C ₄ AF > C ₃ A > C ₃ S > C ₂ S.

График зависимости скорости гидратации от времени

Key TakeAway

The chemical reaction of the cement powder with water называют гидратацией цемента.

Полезное вяжущее свойство цемента обусловлено наличием гидратированных продуктов цемента, негидратированный цемент им не обладает.

Механизм гидратации цемента

Механизм растворения – Соединения цемента растворяются в воде с образованием перенасыщенного раствора. Из этого раствора получают осадки гидратов.

Механизм твердого тела – Вода реагирует с твердыми компонентами с образованием гидратированных продуктов.

Важные наблюдения по гидратации цемента :

• Предел прочности C ₂ S будет выше по сравнению с C ₃ С.
• Долговечность C ₃ S будет выше, чем у C ₃ S.
• C ₃ S требует большего содержания воды

Продукты гидратации цемента :

1. гидраты силиката кальция (гель C-S-H)
2. гидроксид кальция (Ca(OH) ₂ )
3. гидраты алюмината кальция (CaO-Al ₂ O ₃ -H ₂ O)

Структура гидратированного цемента :

Трехфазная структура цемента наблюдается на микроскопическом уровне-

• пастообразная фаза
• агрегатная фаза
• переходная зона – фаза ограничения прочности

Теплота гидратации Определение : Количество теплоты, выделяемое в джоулях на грамм цемента в процессе полной гидратации при указанной температуре.

Теплота гидратации полезна при бетонировании в холодную погоду, но нежелательна при массовом бетонировании.

Общая теплота гидратации в цементе зависит от относительного количества основных соединений цемента, а не от мелкодисперсности цемента.

Теплота гидратации зависит от крупности цемента.

Вода, необходимая для гидратации цемента, составляет 38%. (23% в виде связанной воды и 15% в виде гелевой воды).

Для полной гидратации цемента необходимо водоцементное отношение 0,38.

Часто задаваемые вопросы

Какова структура гидратированного цемента?

Структура гидратированного цемента наблюдается на макроуровне как 2-фазная структура:

• пастообразная фаза
• агрегатная фаза

Структура гидратированного цемента наблюдается на микроскопическом уровне как 3-фазная структура:

• пастообразная фаза
• агрегатная фаза
• переходная зона

Гидратированные продукты остаются прочно прикрепленными к негидратированному ядру цемента.

Что такое гидратация цемента?

Химическая реакция основных соединений цемента с водой называется гидратацией цемента.

Что такое теплота гидратации цемента?

Количество теплоты, выделяющееся в джоулях на грамм цемента в процессе полной гидратации при определенной температуре, называется теплотой гидратации цемента.

Что такое скорость гидратации?

Скорость, с которой протекает реакция гидратации, называется скоростью гидратации.

В цементе скорость гидратации основных соединений находится в порядке:

C ₃ A > C ₄ AF > C ₃ S > C ₂ S

Что такое теплота гидратации и ее значение для бетона?

Теплота гидратации – количество теплоты, выделяющееся в джоулях на грамм цемента в процессе полной гидратации при заданной температуре.

Значение теплоты гидратации в бетоне :

• Выделившееся тепло может способствовать активации реакций гидратации при бетонировании в холодную погоду
• При массовом бетонировании выделяется слишком много тепла, которое необходимо контролировать для предотвращения усадочных трещин

Какой продукт гидратации портландцемента является наиболее важным?

Гидрат силиката кальция (гель C-S-H)

Увеличение прочности бетона связано с гидратом силиката кальция, поэтому он является наиболее важным продуктом гидратации портландцемента. Более того, он составляет 50-60% объема твердых частиц в полностью гидратированном цементном тесте.

Каковы фазы гидратации цемента?

Существует две фазы гидратации цемента:

1. Гелевая фаза

2. Кристаллическая фаза

Гидраты силиката кальция образуют гелевую фазу, в то время как гидроксид кальция и алюминаты кальция остаются в кристаллической фазе.

Какое количество воды требуется для полной гидратации пор геля в цементе?

15%.

Вода заполняет поры геля гидратированных продуктов цемента по мере их образования. Эта вода называется гелевой.

Что влияет на скорость гидратации цемента?

На скорость гидратации цемента влияют:

• Температура окружающей среды: Температура, при которой проводится бетонирование, влияет на скорость гидратации.
• Тонкость цемента: Более мелкий цемент дает большую степень гидратации на начальной стадии

Что вызывает гидратацию цемента?

Вода

Вода добавляется снаружи, чтобы вызвать гидратацию цемента.

Из компонентов цемента, 9Основные соединения 0043 (соединения Боуга) реагируют с водой и подвергаются гидратации.

Как уменьшить теплоту гидратации цемента?

Теплота гидратации цемента может быть снижена за счет:

• Добавления пуццоланового материала, такого как летучая зола
• Уменьшение C ₃ A и C ₂ Содержание серы в цементной композиции

Чудо гидратации портландцемента| Журнал «Бетонное строительство»

Уильям Хайм

Мы подумали, что вы, возможно, захотите получить «горячую тощую» информацию об основах гидратации портландцемента, поскольку это основное явление, которое удерживает всех нас в бизнесе. Это просто, но чрезвычайно сложно, потому что бетон должен выдерживать миллиарды химических изменений портландцемента и любых дополнительных вяжущих материалов, чтобы существовать.

Эти изменения начинаются в тот момент, когда портландцемент контактирует с водой, когда тепло растворения при этой встрече вызывает резкое увеличение тепла, за которым следует период покоя, когда для практических целей ничего не происходит. Некоторое время спустя начинаются химические реакции, и гидроксид кальция (Ca(OH)2, сокращенно CH) начинает осаждаться в заполненных водой пространствах, где он размещается без какого-либо толкания или толкания.

Бернард Эрлин

Известь (CaO), необходимая для этого продукта реакции, получается из двух силикатов кальция в портландцементе; трехкальциевый силикат (3CaO·SiO2, сокращенно C3S) и двухкальциевый силикат (CaO·SiO2, сокращенно C2S), которые выделяют известь при взаимодействии с водой с образованием гидратов силиката кальция (3CaO·2SiO2·xh3O, сокращенно CSH). Известь и диоксид кремния заканчиваются в виде ионов, «плавающих» в водном растворе, объединяются и осаждаются из раствора, образуя первичные твердые компоненты пасты, CH и CSH. Интересно, что когда CH осаждается из водного раствора, он на самом деле становится поглотителем кальция, что делает раствор дефицитным по кальцию. Это, в свою очередь, восполняется кальцием из силикатов, которые затем вступают в реакцию с образованием гидратов силиката кальция. Отверждение необходимо для того, чтобы вода, потребляемая этими реакциями, оставалась доступной для продолжения реакций.

Между тем, еще до гидратации силикатов кальция в портландцементе происходят реакции с участием алюминатов кальция. Обычно считается, что эти алюминаты кальция существуют в виде алюмината трикальция (3CaO·Al2O3, сокращенно C3A). Поскольку C3A почти бурно реагирует с водой и вызывает очень быстрое схватывание (с выделением большого количества тепла), реакции нейтрализуются добавлением сульфата (SO4), обычно в виде гипса (CaSO4·2h3O), к портландцементу. когда это сделано. Сульфатные реакции приводят к образованию полезных, слабых игл эттрингита, которые легко разрушаются при смешивании.

Добавление гипса может привести к проблемам преждевременного схватывания, поскольку обычно он частично обезвоживается на этапе измельчения при производстве цемента, в результате чего образуется более легко растворимая форма, известная как полугидрат (CaSO4·½h3O), более известная как гипс — тот же материал, что и для слепков. На самом деле дегидратированная сульфатная форма может находиться где-то между полугидратом и полной потерей воды — последняя называется растворимым ангидритом (CaSO4). Поскольку это более легко растворимые формы сульфата кальция, чем гипс, они иногда выпадают в осадок и создают ложное отверждение без выделения тепла. Ложная установка обычно не распознается, потому что она легко прорабатывается во время микширования, если только период микширования не короткий. Также были случаи, когда портландцемент с низким содержанием щелочи, низкий уровень содержания сульфатов в цементе и добавки, содержащие лигносульфонат, приводили к очень длительному схватыванию. Всегда желательно предварительно протестировать портландцементы с химическими добавками в количествах, которые могут быть использованы.

Несколько лет назад ACI спонсировал сессию в Новом Орлеане, которая стала известна как «Симпозиум по резким потерям». Некоторые из представленных статей опубликованы в выпуске Concrete International ACI за январь 1979 года.