Цемент с водой реакция: Гидратация цемента и бетона — особенности процесса

Гидратация цемента — что это такое?

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.

Содержание

  • 1 Гидратация – что это такое
  • 2 Схватывание цемента
  • 3 Процесс твердения цемента

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.

Почему твердеет портландцемент? Какие основные процессы протекают при твердении цемента?

Твердения портландцемента происходит в результате комплекса сложных химических и физико-химических процессов. К химическим процессам при твердении цемента можно отнести процессы гидратации, гидролиза и обменного взаимодействия, протекающие при замесе цемента водой. Состав новообразований определяется химической природой безводных соединений, соотношениями твердой и жидкой фаз, температурными условиями.

 

Вода в процессе взаимодействия с цементом насыщается гидроксидом кальция, является продуктом гидролиза клинкерных минералов, гипсом и щелочами, содержащиеся в цементе. Наличие и концентрация этих веществ в жидкой фазе цемента, твердеет, существенно влияет на состав гидратных новообразований. Основные клинкерные минералы-силикаты при взаимодействии с водой образуют гидросиликаты кальция — слабо закристаллизованы вещества, имеют переменный состав. Так, при комнатной температуре реакция трехкальциевого силиката (С3S) с водой описывается уравнением:

2(3CaO x SiO2) + 6H2O = 3CaO x SiO2 x 3H2O + 3Ca(OH)2 (1)

По сравнению с трехкальциевого силикат гидратация двокальциевого силиката (b-С2S) происходит медленно особенно в начальный период твердения. По данным Ю. Бытие и В.В. Тимашова степень гидратации b-С2S, составляет через 1 сутки — 5…10%, 28 суток — 30…50%, тогда как для С3S через 1 сутки — 25…35%, 28 дней — 78…80%.

Высокой гидратационная активностью характеризуются алюминаты кальция. Первичными продуктами гидратации трехкальциевого алюмината (С3А) являются преимущественно гидроалюминаты кальция типа С4АНn, что кристаллизуются в виде гексагональных пластинок, затем переходят в кубические кристаллы С3АН6.

При наличии воды и сульфата кальция, вводится в цемент для регулирования сроков схватывания, образуются комплексные соединения — гидросульфоалюминаты кальция. В насыщенном водном растворе гидроксида кальция и гипса реакция идет по схеме:

3CaO x Al2O3 + 3(CaSO4 x 2H2O) + 25H2O =

3CaO x Al2O3 x 3CaSO4 x 31H2O (2)

По химическому составу, високосульфатний гидросульфоалюминат идентичен естественному минерала — етрингиту.

Реакции гидратации начинаются практически сразу после замешивания цемента водой. Через несколько минут жидкая фаза становится пресыщенным относительно гидроксида кальция, выделяемого при гидролизе Алита и сульфата кальция.

На дольках алюмината и алюмоферритов образуется пленка кристаллов етрингиту, что под давлением кристаллизации разрывается. Это способствует дальнейшему прохождению реакции.

Образование етрингиту практически прекращается через сутки после замеса, а примерно через час после добавления воды к цементу образуются первые частицы гидросиликатов размером около 0,1 мкм.

Рис. 1. Кинетика твердения цементного камня при применении цементов с зернами разного размера: 1 — <3 мкм; 2 — 3…9 мкм; 3 — 9…25 мкм; 4 — 25…50 мкм

Гидросиликаты создают пространственную структуру. Это приводит к увеличению плотности цементного теста и его схватывания. В настоящее время существуют два противоположных взгляда на механизм гидратации цемента. Часть исследователей придерживаются так называемого растворимого механизма (П. А. Ребиндер, В.Б. Ратинов, А.Ф. Полак), согласно которому процесса гидратации предшествует растворения безводных соединений. Ряд ученых предпочитает топохимичному или смешанном механизма гидратации. За топохимичним механизмом (И. Выродов, Д. Джеффри, Р. Кондо) молекулы воды или ионы Н+ и ОН— присоединяются непосредственно к поверхностным слоям кристалла с образованием первичного гидратированного слоя определенной толщины и последующим переходом гидратированных ионов в раствор. По смешанному механизму (А. Волженский, М.М. Сычев, А. А. Пащенко, А.П. Мчедлов-Петросян), гидратация происходит частично в результате растворения, и частично — топохимично.

Несмотря на многочисленные исследования до настоящего времени не разработана еще единая теория твердения цемента. С позиций физико-химической механики П.А. Ребиндер разделяет процесс твердения на три стадии:

1. Растворение в воде клинкерных минералов и выделение кристалликов гидратов;
2. Образование коагуляционной структуры — рыхлой пространственной сетки
3. Рост и сращение кристаллов.

Прочность цементного камня обусловлена ​​двумя типами связей. Связь первого типа обусловливается физическим притяжением полярных продуктов, образующихся в процессе гидратации ван-дер-ваальсовыми силами. По мере дальнейшего твердения при сращивании образований и уменьшении их удельной поверхности прочность увеличивается за счет сильных химических связей, несмотря на деструктивные процессы, которые проявляются при перекристаллизации сформированного каркаса.

Согласно современным представлениям, развитых под руководством акад. П.А. Ребиндера, с пресыщенного раствора новообразования кристаллизуются в два этапа. В течение первого происходит формирование каркаса с возникновением контактов срастания между кристаллами гидратов. При этом возможен также рост кристаллов, срастаются между собой. На втором этапе новые контакты не возникают, а происходит только обрастания уже имеющегося каркаса, то есть рост кристаллов, составляющих его. В результате повышается прочность цементного камня, однако могут возникнуть и внутренние растягивающие напряжения. Решающую роль играет степень пресыщения раствора. При малом пресыщении количество кристаллов небольшая, они не срастаются. Для наибольшей прочности искусственного камня необходимые оптимальные условия гидратации, обеспечивающие возникновение новообразований достаточных размеров при минимальных нагрузках.

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 в значительной степени способствует
    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
    кристаллов 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 к
    сначала прочность цементного теста будет медленной. 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
      вода для образования гидроксидов эттрингита, извести и оксида алюминия, т. е.
      • Феррит + гипс + вода ® эттрингит
        + гидроксид алюминия железа + 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 химическая 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.

Состав:

  • Основные продукты гидратации
    • 1. Гидрат силиката кальция
    • 2. Гидроксид кальция
    • 3. Гидрат алюмината кальция
    • 4. Эттрингит
  • Часто задаваемые вопросы о продуктах гидратации цемента

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) 2 900 15
2С 2 С + 4H  ——  C 3 S 2 H 3 + Ca(OH) 2

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

Термин C-S-H написан через дефис, поскольку не существует 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 C-S-H, чем Ca(OH) 2 , по сравнению с гидратацией C 2 S. Кроме того, качество и плотность C-S-H, производимого C 3 S уступает C 2 S.

2.

Гидроксид кальция

Ca(OH) 2 является другим продуктом гидратации C 3 S и C 9001 4 2 S. Составляет 20 до 25 % от затвердевшего объема гидратированного цементного камня. 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 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 Сульфатная атака.
  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 АФ 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 С 3 А и С 4 AF происходит мгновенное схватывание цемента, что может привести к развитию трещин в бетоне. Чтобы предотвратить это явление, гипс (CaSO 4 ) добавляется во время производства цемента, что снижает растворимость C 3 A и C 4 AF и регулирует характеристики мгновенного схватывания.

Этот сульфат 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, поэтому первичное образование эттрингита не оказывает вредного воздействия 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.