Гидратация бетона что это: Гидратация цемента и что определяет скорость процесса твердения – формулы и время

Гидратация цемента и что определяет скорость процесса твердения – формулы и время

Цемент – популярный строительный материал, получаемый искусственным путем. Он представляет собой мелкодисперсный порошок, который при взаимодействии с водой превращается в пластичную массу, способную затвердевать даже в условиях высокой влажности. Физико-химический процесс взаимодействия цемента с водой называется гидратацией. В результате его протекания растворы и смеси, изготовленные на базе цементного вяжущего, после твердения приобретают высокую прочность, водонепроницаемость, устойчивость к температурным перепадам.

Гидратация цемента – особенности процесса

Гидратация – это необратимый процесс, при котором молекулы воды соединяются с молекулами минералов, входящих в состав цемента. В результате таких взаимодействий образуется пластичная масса, которая после затвердевания преобразуется в камнеподобное твердое тело.

В нормативной документации указываются допустимые водоцементные соотношения, которые зависят от применяемой марки цемента и требуемых характеристик получаемых продуктов. При достаточном количестве химически связывается примерно 25 % воды, остальная жидкость переходит в физически связанное состояние. Введение в материал воды в количестве меньше допустимого приводит к неполной гидратации, а больше допустимого – к образованию пор. В обоих случаях прочностные характеристики конструкции снижаются.

Основные стадии гидратации

Первая стадия гидратации цементного вяжущего – схватывание, протекающее в первые часы после затворения сухих компонентов водой. Время начала схватывания и скорость протекания этого процесса определяют следующие факторы:

• Температура окружающей среды. Чем она выше, тем быстрее протекает процесс. При комнатной температуре он длится до трех часов, при высоких температурах, созданных в камерах пропаривания, – до 20 минут. При 0 °C схватывание может занять до 20 часов.
• Состав вяжущего – номенклатура и соотношение минеральных компонентов, применяемые добавки. По ГОСТу 30515-2013 выделяют по скорости схватывания при стандартных условиях (+20 °C, относительная влажность – 75 %) три категории цементов: медленно схватывающиеся (начало процесса – через 2 часа после затворения), нормально схватывающиеся (начало схватывания – от 45 минут до 2 часов после затворения), быстро схватывающиеся (начало схватывания – до 45 минут после затворения цемента водой).
• Тонкость помола – чем порошок мельче, тем быстрее происходит схватывание.

Ненадолго отложить начало схватывания позволяет перемешивание пластичного материала. В вязком продукте даже при перемешивании через определенное время начинаются необратимые процессы, которые негативно влияют на прочность отвердевшего элемента. Строители называют такое явление «свариванием бетона». Скорость схватывания и последующего твердения можно изменить введением в состав раствора или бетона пластификаторов и других добавок.

Следующий после схватывания более длительный этап – твердение цемента. Этот процесс, который обычно начинается в течение суток после начала гидратации, может протекать в течение нескольких лет. В течение первых 7 дней созданная конструкция приобретает примерно 70 % прочности. Через 28 дней после заливки раствор или смесь набирают марочную прочность. Она составляет примерно 90-95 % от максимального показателя, для достижения которого требуется несколько лет.

Для получения качественного конечного продукта обеспечивают нормальные условия твердения цемента. Для этого необходимо:

1. Оградить конструкцию от малейших механических воздействий, поскольку связи, созданные на начальных этапах гидратации, – непрочные. Они легко разрушаются и восстановлению не подлежат.
2. Первые 2-3 недели для нормального протекания в гидратации создавать влажную среду и оберегать конструкцию от прямого воздействия солнечных лучей.
3. Не допускать резких перепадов температуры. Для этого конструкцию засыпают небольшим слоем песка или опилок, укрывают утепляющими матами.

Такие меры, принятые во время твердения цемента, позволят снизить усадку конструкции, избежать появления трещин и деформаций.

Зависимость процесса гидратации от химического состава цемента

Механизмы схватывания и твердения цемента зависят от номенклатуры и процентного соотношения компонентов вяжущего. Некоторые из них начинают взаимодействовать с водой на начальной стадии гидратации, другие – через определенный промежуток времени.

В состав портландцемента входят:

• C2S – двухкальциевый силикат. Этот компонент вступает в реакцию с водой не сразу, а примерно через месяц после набора продуктом марочной прочности. Он положительно влияет на прочностные показатели бетона в долгосрочной перспективе. Применение пластификаторов ускоряет вступление двухкальциевого силиката в реакцию твердения цемента.
• C3S – трехкальциевый силикат. Этот компонент участвует во взаимодействии с водой с самого начала приготовления смеси или раствора и в течение всего периода гидратации. Но наибольший вклад он вносит в период набора марочной прочности материала.
• C3A – трехкальциевый алюминат. Способствует нарастанию прочности материала в первые дни твердения. В более поздний период он перестает работать.
• C4AF – четырехкальциевый алюмоферит. Вступает в действие уже в ходе твердения. Улучшает характеристики бетона на самых поздних сроках набора прочности.

Как можно ускорить или замедлить схватывание и твердение цемента

При проведении строительных работ часто возникают ситуации, требующие сокращения времени схватывания и твердения цемента, решить эту проблему позволяет применение специальных добавок. Они понадобятся при проведении бетонирования в зимних условиях или при необходимости увеличить темпы строительства.

Наиболее популярные присадки-ускорители твердения цемента:

• 4 %-е нитрат кальция или нитрат натрия, нитрит-нитрат кальция или хлорида кальция, нитрит-нитрат сульфата натрия;
• 2 %-й сульфат натрия;
• 2 %-й хлорид кальция – используется для армированных конструкций;
• 3 %-й хлорид кальция – предназначен для неармированных бетонных элементов.

Замедлители гидратации цемента используются в основном при возведении масштабных конструкций – крупноразмерных фундаментов, чаш бассейнов, гидротехнических и подземных объектов.

Функции замедлителей выполняют пластификаторы и гиперпластификаторы. Применение таких добавок позволяет сохранить подвижность бетонных растворов и их рабочие характеристики в течение 24-48 часов после затворения вяжущего водой.

Гидратация цемента – важный процесс, который должен протекать с соблюдением правил, установленных государственными нормативами и проектной документацией для конкретного строительного объекта. Благодаря разработке широко спектра добавок стало возможным регулирование в широких пределах начала и скорости схватывания пластичного материала, его подвижности, прочности на разных стадиях твердения, коррозионной стойкости и других характеристик.

Гидратация цемента — этапы процесса и его особенности

Необратимый процесс, во время которого бетон теряет свою подвижность, именуют гидратация цемента. Это весьма важный, определяемый нормативами показатель. Он выявляет качество материала.

Содержание

• 1 Гидратация цемента – что это такое
• 2 Влияние компонентов на гидратацию
  • 2.1 Особенности гидратации
• 3 Состав цемента и его гидратация
• 4 Основные стадии затвердевания
• 5 Заключение

Гидратация цемента – что это такое

Этим термином обозначают физико-химический процесс, при котором происходит связывание компонентов цементного порошка с жидкостью. Чтобы разобраться в особенностях этого действия, нужно скрупулезно исследовать состав цемента. Только тогда получится понять, как взаимодействуют ингредиенты порошка с водой, что влияет на период схватывания цемента, изучить остальные характеристики стройматериала. В его состав включены активные добавки минеральной природы, благодаря которым бетон медленно набирает требуемый уровень своей прочности. Какой бы марки и типа не был цемент, он содержит в себе четыре минеральных вещества:

• двухкальцивеый силикат;
• трехкальциевый силикат;
• трехкальциевый алюминат;
• четырехкальциевый алюмоферит.

Рисунок 1. Химический состав бетона

Влияние компонентов на гидратацию

Каждый из таких компонентов чрезвычайно важен, все они обладают специфическими характеристиками, помогающими влиять сначала на схватывание, а затем и твердение цемента. Одни начинают незамедлительно взаимодействовать с влагой, иные действуют постепенно, спустя определенное время. Рассмотрим, как на гидратацию влияет каждый ингредиент:

• Двухкальциевый силикат вступает в работу только спустя месяц после момента затвердения бетона. До этого он не участвует в процессе, ожидая своей очереди. Наличие специальных пластификаторов, присутствующих в бетонной смеси, помогает значительно сократить период бездействия без риска ухудшения прочности материала. Этот ингредиент функционируют в долгосрочной перспективе, позволяя укреплять со временем монолит бетонной заливки.
• Трехкальциевый силикат функционирует активно весь период существования цемента. Это вещество — основа смеси, именно оно запускает процесс, именуемый гидратацией. Когда он стартует, выделяется тепло, которое существенно повышает температуру смеси.
• Трехкальциевый алюминат обеспечивает процесс схватывания, поскольку он наиболее активный компонент. Это вещество обеспечивает неуклонное нарастание прочности монолита в самые первые несколько дней после заливки. Потом ингредиент работу прекращает.
• Четырехкальциевый алюмоферит, хотя и оказывает минимальное воздействие на твердение и набор прочности монолита, все равно чрезвычайно важен. Его работа стартует на финишном этапе, когда уже давно запущена процедура затвердевания цемента. Этот компонент улучшает достигнутые характеристики, тем самым завершая процесс.

Каждый перечисленный минеральный компонент определяет качество цемента, обеспечивает правильное течение процесса гидратации. Когда порошок смешивают с водой, внутри раствора немедленно появляются внутрикристаллические связи, которые определяют медленно нарастающую прочность, благодаря которой бетон в итоге приобретает состояние, схожее по параметрам с искусственным камнем.

Особенности гидратации

Из-за того, что период схватывания цемента быстротечен (45–90 минут), смесь требуется готовить незадолго до использования, оставляя время для выполнения заливки до финиша реакции, когда обрабатывать смесь уже невозможно либо бесполезно. Чтобы реакция гидратации полноценно произошла, пропорции объемов цемента с жидкостью должны соответствовать значению 3:2. Только четверть молекул воды химически связывают с порошком, остальные сохраняются в бетонных порах, имея связанный физически вид.

При уменьшении количества воды гидратация произойдет не полностью, в случае повышения ее объема — к развитию капиллярных пор внутри монолита, которые снизят его прочность. Инструкции к каждой конкретной марке цемента либо бетона всегда информируют о точных требуемых  объемах составляющих.

Состав цемента и его гидратация

Как ранее уже было указано, на твердение портландцемента влияют четыре минеральных ингредиента, полученные при производстве этого связующего продукта. Поведение каждой составляющей значительно отличается и зависит о стадии схватывания монолита. Одни компоненты реагируют на появление воды немедленно, иные дожидаются своей очереди, а некоторые вообще вроде бы не участвуют в процессе.

Но все они при взаимодействии с водой начинают химическую реакцию, обеспечивающую нарастание, затем сцепление, а в итоге осаждение кристаллов насыщенных влагой соединений. Если рассматривать мероприятие с точки зрения химика, то оно является кристаллизацией.

Основные стадии затвердевания

Непосредственно процесс затвердевания монолита делится на два этапа. Сначала раствор схватывается, а затем твердеет. Первая стадия длится примерно сутки после приготовления смеси. На ее скорость влияет в основном только температура окружающего воздуха:

• Когда термометр показывает около 20° тепла, бетон схватится примерно через пару часов после замешивания. Окончательное же схватывание гарантировано через 3 часа. То есть, этап схватывания длится примерно час.
• Если температура воздуха 0°, такой процесс происходит дольше, может длиться даже 20 часов. Это связано с оттягиванием времени начала схватывания — процесс стартует только спустя 6–10 часов.

Рисунок 2. Бетон

Одновременно фактором влияния, определяющим скорость схватывания, становятся специфические добавки. Они способны ускорять или замедлять химическую реакцию.

Все время, пока длится этап схватывания, бетон сохраняет подвижность. Он подвержен любым механическим воздействиям. При осуществлении любых мероприятий относительно еще не успевшего схватиться монолита, нужно понимать, что они удлиняют срок его первоначального схватывания.

Финальный этап получения качественного монолита — твердение раствора. Оно происходит незамедлительно после завершения предыдущей фазы. Сам такой процесс чрезвычайно медленный, нередко он тянет несколько лет. В самые первые дни твердения монолит еще динамичен, отличается нелинейностью состояния.

Заключение

Гидратацию цемента нужно понимать, чтобы обеспечивать технологию выпуска качественного бетона. Приступая к созданию цементного раствора, требуется правильно составлять водо-цементную пропорцию, точно отмерять иные компоненты бетона, действовать строго по инструкции. Это гарантирует раствору создание идеальных условий, чтобы все реакции в нем проходили по правилам.

Что такое гидратация цемента? — Maturix

При смешивании цемента, воды, заполнителя и добавок происходит значительное повышение температуры. Это связано с экзотермическим процессом реакции между цементом и водой (называемой гидратацией).

Измерение температуры бетона с течением времени позволяет узнать, насколько бетон находится в процессе гидратации (созревание бетона), а также оценить его прочность. Процесс гидратации делится на пять фаз:

Содержание

1. Фаза: Начальная реакция смешения

2. Фаза: Покой

3. Фаза: Ускорение силы

0 Скорость 29090 Снижение 39011 0009 5. Фаза: Устойчивое развитие

Фаза 1: Начальная реакция смешивания

Начальная после смешивания цемент и вода вступают в контакт друг с другом, возникает пик температуры. Алюминат (C3A) реагирует с h3O (ионами кальция и сульфата) с образованием эттрингита (гидрата алюмината). Высвобождение энергии этих реакций вызывает начальный пик.

Фаза 2: Покой

Результатом реакции, описанной в фазе 1, является поверхностное покрытие частиц цемента. Это покрытие удерживает рост, но также замедляет реакцию (гидратацию), так как доступ к воде не такой хороший, как при замешивании бетона. Количество гидратированного бетона постоянно увеличивается, в то время как поверхность бетона остается жидкой.

Вот почему эта фаза используется для транспортировки и заливки бетона, так как бетон остается на жидком уровне. Продолжительность этого периода зависит от каждой конкретной бетонной смеси и, следовательно, может быть оптимизирована в зависимости от области применения, такой как зимнее бетонирование, длительность транспортировки и т. д.

Эта фаза заканчивается начальным схватыванием бетона.

Фаза 3: Ускорение прочности

Увеличение тепла происходит из-за реакции между силикатами кальция (C3S и C2S), которая создает гидрат силиката CSH (повышение тепла также вызывается другими второстепенными реакциями). Создание CSH также оказывает большое влияние на прочность бетона на этом этапе.

Например, в случае укладки массивного бетона очень важно отслеживать колебания внутренней температуры, так как температура бетона на этом этапе может быстро повышаться и достигать внутренней температуры, например, 70-80°C (в некоторых случаях даже выше). Обычно не рекомендуется превышать температуру около 70°C.

Фаза 4: Снижение скорости

Максимальная температура достигнута, количество свободных частиц снижено, что замедляет рост температуры.

Эта фаза часто заканчивается достижением желаемой прочности, и теперь можно снять опалубку вокруг бетона. Мониторинг зрелости и температуры бетона и, следовательно, предоставление пользователю точного времени там, где это возможно.

Фаза 5: Стабильная разработка / Опалубка

Процесс гидратации теперь замедлен и будет продолжаться медленно, чтобы закончить оставшийся доступный цемент и частицы воды. Теперь опалубку часто снимают, и бетон со временем (может занять много времени) завершит процесс гидратации и достигнет окончательной прочности (это может занять недели или месяцы).

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. Потребность в воде для гидратации цемента
8. Теплота гидратации цемента
9. Скорость гидратации цемента
10. Key TakeAway
11. Часто задаваемые вопросы

Важность гидратации цемента

Основная функция цемента в бетоне заключается в том, что он действует как вяжущий материал. 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. Major Compounds of Cement / Bogue’s Compounds отвечают за прирост 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. Механизм гидратации цемента через раствор гидратация цемента

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

Из этого перенасыщенного 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 соединений. Со временем гидратация продолжается внутрь соединений.

Оба вышеуказанных механизма имеют место 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

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

Гидратация цемента Химическая реакция

Следующие наблюдения могут быть сделаны из приведенных выше реакций :

• C ₃ S гидратация дает 61% C-S-H и 39% Ca(OH) ₂ . C ₂ S гидратация дает 82 % C-S-H и 18 % Ca(OH) ₂
• С учетом большого количества C-S-H, производимого C ₂ S, можно сделать вывод, что предел прочности C ₂ S будет выше по сравнению с пределом прочности 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 , производимого C ₃ S, можно сделать вывод, что долговечность C ₃ S будет выше по сравнению с C ₃ S.
• С точки зрения долговечности принимается одна из следующих мер:
  • C ₃ Содержание S ограничено
  • Пуццолан 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 смесями, они образуют гидратационные соединения. Продукты, образующиеся при гидратации, обладают низкой растворимостью.

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

1. Гидраты силиката кальция (гель C-S-H)

Гидрат силиката кальция (гель C-S-H) и гидроксид кальция (Ca(OH) ₂ ) образуются в ходе реакции C ₃ S и C _{1 S с водой.}

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

Структура : Дефис между C-S-H представляет 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 : C-S-H гель также называют тоберморитовым гелем, так как его структура аналогична природному минералу тобермориту.

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.

2. Гидроксид кальция

Структура : Отчетливая морфология шестиугольной призмы

20-25 % объема твердых веществ 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 не имеет преимуществ по следующим причинам-

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

Как показано 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 устойчивость к коррозии.

3.

Гидраты алюмината кальция

Гидратация C ₃ A : Система алюмината кальция (CaO-Al ₂ O ₃ -H 2 ) образуется при 11 -H 2 гидратация 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 подверженным воздействию сульфатов. 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 проявляют большую устойчивость к сульфатному воздействию по сравнению с гидратами C ₃ A.

Гипс и щелочи снижают растворимость C ₃ A.

Любой из получают следующие осадки-

• 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 снижении 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 образования

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 похожие на гель, в котором присутствуют плохо сформированные тонкие волокнистые кристаллы бесконечно малого размера .

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 –

• пастообразная фаза
• 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.
• Это область между частицами крупного заполнителя и затвердевшим цементным тестом, наблюдаемая вблизи крупных частиц заполнителя.
• Вода скапливается под удлиненными 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 появляются 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.

Негидратированное цементное ядро ​​работает 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.

Теплота гидратации может быть определена 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. Отметьте 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 составляет всего 4 мк .

9006 0120 3 А

Теплота гидратации различных компонентов цемента

Из приведенной выше таблицы видно, что C ₃ A дает самую высокую теплоту гидратации. Основные соединения в последовательности выделения теплоты гидратации следующие:

C ₃ A > C ₃ S > C ₄ AF > C ₂ S

Значение теплоты гидратации 003

• Контроль теплоты гидратации особенно важно при массовом бетонировании, например, 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.
• Это повышение температуры связано с тем, что бетонная масса охлаждается только с поверхностей, находящихся на открытом воздухе.
• Внутренние детали остаются нагретыми, так как тепло выделяется во время гидратации цемента, удерживаемого внутри.
• Если этому теплу не дать уйти, будет наблюдаться быстрое увеличение прочности внутреннего бетона.
• Охлаждение наружных поверхностей, в то время как внутренний бетон остается нагретым, вызывает напряжения в бетоне, приводящие к усадочным трещинам.
• Поэтому важно изучение теплоты гидратации и мер по ее контролю.

Бетонирование в холодную погоду:

• Тепло гидратации желательно при бетонировании в холодную погоду, когда температура окружающей среды слишком низкая, чтобы активировать реакции гидратации.

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.

Теплота гидратации в цементе в разные периоды времени:

Общая теплота гидратации в цементе зависит от относительного количества основных соединений цемента.

Суммарная теплота гидратации цемента не зависит от тонкости помола цемента.

Испытание цемента на теплоту гидратации

Характер гидратации можно определить путем измерения теплоты, выделяющейся во время реакции гидратации.

Почти половина всего тепла выделяется в первые 3 дня.

Чтобы узнать всю процедуру испытаний, ознакомьтесь с тестом на теплоту гидратации цемента.

Скорость гидратации цемента

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

Выделение тепла после схватывания цемента показано на графике ниже:

Восходящий пик A

Быстрое выделение тепла происходит при добавлении воды в цемент, что показано восходящим пиком A.

Этот мгновенное выделение тепла происходит из-за реакции раствора 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 Бога в порядке возрастания скорости гидратации: C ₄ AF > C ₃ A > C ₃ S > C ₂ S.

Скорость гидратации в зависимости от времени

3

9 продолжение образования продуктов гидратации

Key TakeAway

Химическая реакция цементного порошка с водой называется 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, образуя перенасыщенный раствор. Из этого раствора получают осадки гидратов.

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

Важные замечания по гидратации цемента :

• Предел прочности C ₂ S будет выше, чем у C ₃ S.
• Прочность 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)

Гидратированный продукт	Структура	% об. s
Силикаты (гель C-S-H)	Не определено; плохо выраженная кристаллическая масса	50-60	– определяет свойства затвердевшего бетона – способствует увеличению прочности
Ca(OH) 2 20 9 призматическая морфология	20-25	Поддерживает щелочной pH, снижая риск коррозии	– Увеличивает пористость – Снижает долговечность – Увеличивает риск воздействия серы
Алюминаты (Эттрингит и моносульфат)	Кристаллический		Ранняя прочность бетона (небольшое количество) риск серы атака

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 крупности 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 следующем 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, выделяемое в джоулях на грамм цемента в процессе полной гидратации при заданной температуре.

Значение тепла гидратации в бетоне :

• Выделившееся тепло может помочь в 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?

Гидратация цемента состоит из двух фаз:

1. Гелевая фаза

2. Кристаллическая фаза

Гидраты силиката кальция образуют гелевую фазу, тогда 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.
• Мелкозернистость цемента: Чем мельче цемент, тем выше степень гидратации на начальной стадии

Что вызывает гидратацию цемента?

Вода

Вода добавляется снаружи, чтобы вызвать гидратацию цемента.