Сутність процесу гідратації - бетонна суміш
Під гідратацією розуміють реакції клінкерних складових з водою (приєднання води), при цьому утворюються тверді новоутворення (гідрати), які заповнюють спочатку залитий цементом і водою обсяг щільним нашаруванням гелевих частинок, викликаючи тим самим зміцнення.
Таким чином, без води твердіння неможливо.
Спочатку рідкий або пластичний цементний клей перетворюється в результаті гідратації в цементний камінь. Перша стадія цього процесу називається загустіння, або схоплюванням, подальша-зміцненням, або твердением.
Твердіння цементу - дуже складний фізико-хімічний процес, який тут буде розглянуто спрощено. Гідратацію розглянемо в двох аспектах: як просторовий процес (які обсяги займають новоутворення і яку структуру вони мають) і як хімічний процес (який склад новоутворення).
Гідратація як просторовий процес. Відповідь на питання про те, які освіти виникають при гідратації, дан на мал. 19, де представлені продукти гідратації, що виникають в різний час. Одночасно показана кінетика наростання міцності.
Можна розрізнити наступні процеси.
Цементні частки у вигляді подрібнених зерен оточені водою затворі-ня, обсяг якої відносно великий (50-70 об'ємних відсотків). Цей обсяг заповнюється новоутвореннями, щоб виникла міцна структура (цементний камінь). Завдяки хімічним реакціям з водою вже через кілька хвилин виникають як на поверхні зерен, так і в воді голкоподібні кристали а. Через 6 год вже утворюється так багато кристалів, що між цементними зернами виникають просторові зв'язки (б - в нижній частині малюнка два великих кристала утворюють двома зернами цементу).
До цього моменту практик каже, що цемент «схоплюється». Через 8-10 год весь обсяг між поступово зменшуються зернами цементу заповнений скелетом голкоподібних кристалів, який внаслідок виникнення з С3А називається також «алюмінатних структурою». Будучи досі пластичної, маса починає застигати, і відбувається швидке наростання міцності. У решти пустотах виникають одночасно, але спочатку набагато менш інтенсивно продукти гідратації клінкерних мінералів C3S і C2S. Останні утворюють гомогенний надзвичайно тонкопорістий ворс з дуже малих кристалів, так звану силікатну структуру в. Значення цієї структури все більш збільшується. Вона є власне носієм міцності цементного каменю і приблизно через добу починає витісняти алюмінатних структуру. У віці 28 діб (звичайний термін випробування цементу і бетону) виявляється тільки силікатна структура р
Крім того, видно й невикористані цементні зерна (в - зверху, в середині). До цього часу процес гідратації ще не закінчений, в ряді випадків він може тривати роки. Виникнення продуктів гідратації розглядають як ГЕЛЕУТВОРЕННЯ, а продукти гідратації - як гель. Швидкість, з якою протікають ці процеси, залежить від: Ф крупності цементних зерен (тоніни помелу цементу): 9 мінерального складу клінкеру цементу; - кількості води, яким замішується цемент; - температури гідратації;
-введення добавок (розд. 2.4),
Мал. 20. Гідратація цементу в цементний клей (представлена на прикладі об'ємних змін цементного клею, що складається з 100 г Цементу і 40 г води - ВЩ = 0,4)
Для повної гідратації цементного зерна необхідна присутність 0,4-кратного кількості води від його маси. З неї тільки 60% (т. Е. 0,25 маси цементу) зв'язується хімічно. Решта 40% вихідної води залишаються в порах гелю (гелеві пори) слабо пов'язаними. Розмір гелевих пір близько 3-10
7 мм. Вони неминучі і служать причиною тонкопорістой будови маси гелю. При хімічному зв'язуванні вода, в якійсь мірі, зазнає об'ємну контракцію, яка становить приблизно 'Д її початкового об'єму. Тому щільний об'єм гелю (без пор) на таку величину менше суми обсягів вихідних компонентів цементу і води. Цей процес називають усадкою, а звільняється в цементному камені обсяг - об'ємом усадки. При наявності води саме цей обсяг пір заповнюється водою. При повній гідратації цементного клею отримуємо гель, обсяг якого приблизно на 30% складається з пір. Схематично об'ємні зміни представлені на рис. 20.
До сих пір ми виходили з того, що цементний клей складається з 1 ч. Маси цементу і 0,4 ч. Маси води. На практиці це не завжди так. Якщо кількість цементу більше, то кількість води буде недостатній, щоб повністю гідратованого цементні зерна, і в цементному камені залишаться не прореагували зерна цементу.
Мал. 21. Об'ємні співвідношення в цементному камені при різному В / Ц і максимально можливій мірі гідратації (діаграма і схема)
1 - обсяг гелевих пор; 2 - обсяг капілярних пор; 3 - обсяг усадочних пір; 4 - маса гелю; 5 невикористаний цемент; 6 - вода; 7 - цементне зерно; 8 - капілярні пори (вода)
При більшій кількості води частина її не бере участі в процесі гідратації і утворює в цементному камені так звані капілярні пори діаметром близько Ю-3 мм, які на кілька порядків більше гелевих пір. Приблизно таких же розмірів досягають і порожнечі, що виникають в результаті вже згаданої усадки. Таким чином, співвідношення мас води л цементу в значній мірі визначає структурні відносини в цементному камне.-Користуючись цим співвідношенням, можна визначити найважливіші фізичні властивості цементного каменю. Тому співвідношення маса води = водоцементное маса цементу відношення (В / Ц) має визначальне значення в технології бетону.
На рис. 21 представлені об'ємні співвідношення при різних значеннях В / Ц і гранично можливої ступеня гідратації. Можна бачити, що сумарна пористість цементного каменю тим більше, чим більше значення В / Ц (іншими словами, чим менше цементу в цементному клеї). Ці схеми і діаграма наведені з метою наочного уявлення для різних В / Ц, хоча і не цілком відповідають дійсності.
Все викладене - тут дозволяє вивести деякі важливі закономірності, характерні для цементного каменю: - процес гідратації протікає поступово; - виходить в результаті цементний камінь, хоча і є твердим тілом, але має тонкопорістой структуру; - в цементному камені розрізняють поровое простір усадки і гелю (які неминучі) і капілярний поровое простір (що виникає в зростаючому обсязі, якщо цементний клей містить більше 0,4-кратного по відношенню до цементу кількості води, т. Е. Якщо він схильний до впливу водоцементного відносини).
За значенням В / Ц цементного клею можна оцінити пористість виникає з нього цементного каменю і зробити висновки про його фізичні властивості.
Гідратація як хімічний процес. Твердіння, представлене як просторовий процес, тепер розглянемо як хімічний процес. З розд. 2 відомо, що цемент в основному складається з чотирьох клінкерних мінералів: C3S, C2S, C3A, C4AF.
Виникаючі таким чином продукти гідратації є вже згаданий гель. Для простоти позначають їх так само, як і з клінкеру мінерали, з яких вони виникли (наприклад, силікат кальцію - гідросилікат кальцію). Продукти гідратації окремих мінералів мають специфічні властивості, знання яких необхідно для подальшого розуміння процесу твердіння.
Аналіз рівнянь реакції дозволяє зробити деякі важливі висновки. По-перше, при гідратації виникають абсолютно нові речовини. В процесі взаємодії клінкерних мінералів C3S і СГЗ з водою утворюються гідросилікати кальцію і, крім того, гашене вапно [Са (ОН) 2], що залишається всередині цементного каменю. Цьому явищу ми зобов'язані тим, що вміщена в цементний клей сталь не іржавіє, завдяки чому стало можливим існування залізобетону. Крім того, слід пам'ятати і про те, що при гідратації виділяється тепло.
Це практик обов'язково повинен знати. І особливо слід пам'ятати про це при виборі цементу для зведення певних конструкцій і при виборі тієї або іншої технології виготовлення бетонних споруд. Продукти гідратації клінкерних мінералів розрізняються також по міцності. З рис. 22 видно, що головними носіями міцності є силікати кальцію. Особливо цікаво, що клінкерна мінерал з швидким наростанням міцності (C3S) виділяє більшу кількість тепла (502 Дж / г), ніж клінкерна мінерал з більш повільним наростанням міцності (C2S - 206 Дж / г).
Продукти гідратації клінкерних мінералів розрізняються і за хімічним складом.
Продукт гідратації називається ЕТТ-рінгітов і раніше через свою палочковидной форми і шкідливого впливу називався «цементної бацилою». Для цієї реакції характерно, що приєднання 32 молекул води викликає сильне збільшення обсягу в порівнянні з обсягами вихідних компонентів: СзА і гіпсу. Збільшення обсягу безпечно до тих пір, поки воно відбувається в пластичної матриці. У свежезамешенном цементному клеї освіту еттрінгіта викликається з метою регулювання швидкості твердіння.
Мал. 22. Наростання міцності клінкерних мінералів
Механізм дії можна собі уявити наступним чином. Дуже швидко виникають кристали еттрінгіта утворюють оболонки навколо цементних зерен. При цьому ускладнюється доступ води і сповільнюється процес гідратації. Без добавки гіпсу вийшов би миттєво схоплюється цемент - «шви-ряк». Об'ємне розширення небезпечно, коли воно відбувається в уже затверділому цементному камені (бетоні).
При цьому спостерігається 4,6-кратне збільшення обсягу. Подібні реакції в затверділому цементному камені призводять до виникнення напружень, порушення структури і її руйнування (сульфатна корозія). Тому для бетонних об'єктів, схильних до сульфатному впливу, слід застосовувати цементи, бідні СзА, щоб обмежити або виключити утворення еттрінгіта. Отже, при гідратації клінкерних мінералів C3S і C2S утворюється крім гідросилікатів кальцію гашене вапно Са (ОН) 2. Вона запобігає розвитку корозії стали, вміщеній в цементний камінь; - в процесі гідратації клінкерних мінералів виділяється різна кількість тепла; - в результаті гідратації клінкерних мінералів утворюється штучний камінь з різною міцністю; - продукт гідратації С3А нестійкий по відношенню до сульфатів. Виникає еттрінгіт, причому зміна обсягу може привести до руйнування цементного каменю (сульфатна корозія); - в залежності від поставлених завдань в будівництві застосовуються цементи з різною часткою кожного з клінкерних мінералів, причому в якості основних критеріїв при виборі служать чотири наведених вище.