Твердение. При смешивании с водой частицы портландцемента начинают растворяться, причем одновременно может происходить гидролиз (разложение водой) и гидратация (присоединение воды) продуктов растворения с образованием гидратных соединений. По этой схеме взаимодействуют с водой главные компоненты клинкера алит С3S и белит С2S:
2(3СаО · SiO2) + 6Н2O → ЗCаО · SiO2 · 3Н2О + 3Са(ОН)2
2(2СаО· SiO2) + 4Н2О → 3СаО · SiO2 · 3Н2О + Са(ОН)2
Трехкальциевый силикат С3S взаимодействует с водой намного активнее, чем С2S; при взаимодействии силикатов кальция с водой выделяется растворимый в воде компонент Са(ОН)2 –создающий щелочную реакцию в твердеющем цементе; С3S выделяет Са(ОН)2 в 3 раза больше, чем С2S; общее количество Са(ОН)2 достигает 15 % от массы цементного камня.
Алюминат кальция С3А подвергается только гидратации. Этот процесс идет очень быстро с образованием крупных кристаллов 3СаО · А12О3 + 6Н2О → 3СаО · А12О3 · 6Н2О
Добавка гипса, вводимая при помоле клинкера, замедляет схватывание цемента на несколько часов из-за образования эттрингита 3СаО·А12О3·3СаSО4 · (31–33)Н2О, обладающего развернутой поверхностью и экранирования частиц минерала С3А.
Четырехкальциевый алюмоферрит С4АF взаимодействует с водой медленнее, чем С3А, образуя гидроалюминат и гидроферрит кальция.
4CaO · Al2O3 · Fe2O3 + 12 H2O → 3CaO · Al2O3 · 6H2O + CaO · Fe2O3 · 6H2O
Основной продукт твердения портландцемента – гидросиликаты кальция – практически нерастворимы в воде. Они выпадают из раствора сначала в виде геля Гель гидросиликатов кальция со временем кристаллизуется. Остальные продукты взаимодействия клинкера с водой также участвуют в формировании структуры цементного камня и, также влияют на его свойства. Процесс гидратации зерен портландцемента из-за малой их растворимости растягивается на длительное время. Процесс может протекать при наличие воды в твердеющем материале. Качество цемента принято оценивать по прочности, набираемой им через 28 суток твердения.
Тонкость помола цемента характеризуется его удельной поигрхностью (2500...3000 см/г) и количеством цемента, проходящим через сито № 008 (должно проходить не менее 85 % пробы).
Портландцемент, затворенный водой, образует пластичное цементное тесто.
Водопотребность цемента сравнительно невелика. Нормальная густота цементного теста, когда пестик стандартного прибора доходит до пластинки на 5...7 мм, составляет 22...28 % от массы цемента.
Повышение водопотребности плохо сказывается на свойшах цемента: уменьшаются прочность и морозостойкость, увеличиваются усадочные деформации и пр.
Снижают Водопотребность цемента добавки — пластификаторы.
Сроки схватывания портландцемента нормированы: начало должно наступать не ранее 45 мин, конец - не позднее 10 ч с момента затворения водой. Эти показатели определяют при температуре 20° С, при этом используют тесто нормальной густоты.
Прочность портландцемента характеризуют маркой, которую устанавливают по пределу прочности при сжатии и изгибе образиов-балочек размером 40 X 40 X 160 мм.
Балочки изготовляют из цементно-песчаного раствора состава 1:3 (цемент:нормальный песок) стандартной консистенции при водоцементном отношении В/П =0,4.
Образцы твердеют в формах на воздухе (над водой) в течение суток и воде комнатной температуры (без форм) 27 сут.
Промышленность выпускает портландцемент четырех марок. В паспорте на отгружаемый цемент цементный завод должен указывать не только марку, но и активность, т. е. фактическую прочность цемента на сжатие при пропаривании в возрасте 1 сут.
Тепловыделение при твердении цемента проходит длительное время, поэтому сильный разогрев бетона и раствора не происходит. Если же объем укладываемого в конструкцию бетона велик (например, при возведении плотин или массивных фундаментов), то разогрев достигает 80° , что опасно — бетон растрескивается, разрушается.
Равномерность изменения объема цемента при твердении — признак его высокого качества. Цемент при твердении на воздухе уменьшается в объеме — дает усадку; линейная воздушная усадка цемента достигает 1 мм/м. При твердении в воде, особенно в начале твердения, цемент увеличивается в объеме — набухает, линейное набухание его достигает 0,5 мм/м. В конце твердения цемент даже в воде уменьшается в объеме.
Равномерность изменения объема цемента проверяют на лепешках, изготовленных из цементного теста нормальной густоты и выдержанных до испытания на воздухе (над водой) в течение 24 ч.
Лепешки не должны растрескиваться, осыпаться и деформироваться после пропаривания их в течение 3 ч. Неравномерность изменения объема цемента при твердении возникает от присутствия в нем пережженных свободных оксидов СаО и Мg0, а также от избытка Са504.
Твердение портландцемента
При смешивании портландцемента с водой образуется пластичное, легко формуемое клейкое тесто, постепенно густеющее и переходяти камневидное состояние.
Твердение цемента—сложный процесс, включающий ряд химических и физических явлений. При затворении минералы цемента реагируют и дают различные новообразования.
В присутствии гипса и воды трехкальциевый алюминат образует эттрингит — гидросульфоалюминат кальция, замедляющий схватывание и твердение цемента.
Механизм твердения цемента очень сложен. Химические реакции начинают протекать сразу после смешивания цемента с водой. Частицы портландцемента начинают растворяться, одновременно с этим совершаются гидратация и гидролиз продуктов растворения.
Первыми гидратными новообразованиями являются эттрингит и гидроксид кальция.
Компоненты цемента растворяются слабо, медленно, образуется насыщенный раствор, заполняющий пространства между зернами. Затем образуются очень мелкие гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция, практически нерастворимые в воде. Раствор становится перенасыщенным, быстро переходящий в коллоидное состояние. В виде мельчайших частиц из него выпадают гидратные соединения, образуется гель, обладающий клеящими свойствами.
В процессе дальнейшей гидратации в цементном тесте уменьшается количество свободной воды, клейкость геля увеличивается. Тесто густеет, происходит его схватывание. Затем новообразования начинают кристаллизоваться.
Образующиеся кристаллы сращиваются между собой, обрастают длинными игольчатыми кристаллами, в результате чего создается кристаллический сросток, т. е. наступает конец схватывания цемента. В дальнейшем цементный камень уплотняется за счет продолжающихся реакций взаимодействия между цементом и водой, частичного обезвоживания и дальнейшей кристаллизации.
При твердении цемента на воздухе цементный камень дополнительно упрочняется в результате карбонизации гидроксида кальция.
Затвердевший цементный камень представляет собой весьма прочный кристаллический каркас, заполненный гелем, внутри которого находятся не затронутые реакцией внутренние слои цементных зерен. Поры в цементном камне заполнены воздухом и капиллярной водой.
Из-за малой растворимости компонентов процесс твердения портландцемента протекает длительное время — годами. Однако нарастание прочности цемента с течением времени замедляется. Поэтому качество цемента принято оценивать по его прочности, набираемой через 28 сут твердения.
Схватывание и твердение портландцемента зависят от ряда факторов: химического и минерального состава клинкера, содержания добавок, тонкости помола, температуры и влажности окружающей среды и пр. Понижение температуры от 20° до 5 °С замедляет твердение цемента почти в три раза; повышение температуры до 80 °С ускоряет гидратацию в шесть раз.
Цемент нормально твердеет лишь при достаточной влажности среды; повышение температуры не должно сопровождаться высушиванием. Ускорение процессов твердения портландцемента при тсплопой обработке — запаривании, пропаривании, электропрогреве — позволяет получать в короткий срок бетонные и железобетонные изделия требуемой отпускной прочности.
Стойкость цементного камня
Среди компонентов бетона и раствора наиболее подвержен коррозии цементный камень. Цементный камень бетона и раствора должен быть коррозионно-, морозо- и атмосферостойким.
Коррозия - процесс полного или частичного разрушения материала под влиянием различных агрессивных воздействий. Если вода, растворы солей или кислот просачиваются сквозь цементный камень, он постепенно разрушается, что приподит к разрушению цементных бетонов и растворов. Различают несколько видов коррозии цементного камня. Одним из них является выщелачивание. Процесс выщелачивания продолжается до полного разрушения материала.
Стойкость цементного камня против выщелачивания увеличивают, добавляя активные минеральные добавки. Они связывают Са(ОН)а в нерастворимые в воде гидросиликаты и гидроалюминаты кальция.
Особенно опасны для бетонов и растворов водные растворы сульфата кальция Са. Соединяясь с гидроалюминатом кальция, сульфат кальция образует гидросульфоалюминат кальция, объем которой за счет значительного содержания кристаллизационной воды в 2,5 раза превышает объем гидроалюмината, что и вызывает сульфатную коррозию— разрушение затвердевшего цементного камня.
