Robototehnika-info.ru

Робототехника Инфо
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Твердение портландцемента

Твердение портландцемента

Твердение портландцемента – это процесс превращения цементного теста в камневидное тело, цементный камень. При твердении портландцемента происходит ряд сложных физикохимических процессов. При затворении водой каждый из клинкерных минералов реагирует с ней и дает новые соединения, которых не было в цементе. Все процессы взаимодействия отдельных минералов с водой протекают одновременно, но с разной скоростью, налагаются один на другой и влияют друг на друга.

Процесс твердения портландцемента можно разделить на три периода.

Первый период – период растворения, когда минералы цемента растворяются в воде, и происходит их химическое взаимодействие с образованием гидратированных соединений, которые образуются в растворе вплоть до образования насыщенного раствора. Образование гидратов может идти и топохимически, т.е. с прямым присоединением молекул воды.

Второй период – период коллоидации или схватывания, когда возникающие вследствие продолжающегося взаимодействия с водой новообразования не могут растворяться в уже насыщенном растворе, а выделяются в виде геля.

Третий период – период кристаллизации, или твердения, когда гелеобразные новообразования сближаются между собой, образуют кристаллы и превращаются в кристаллический сросток, что сопровождается увеличением его прочности (рис. 9 и 10).

Рис. 9. Образование гидратных фаз и формирование структуры цементного камня:

А – формирование структуры (схватывание); Б – уплотнение (твердение)

Типичными реакциями, характерными для твердения портландцемента и других вяжущих веществ, являются реакции гидратации, протекающие с присоединением воды. Они могут происходить без распада основного вещества или сопровождаться его распадом на два или несколько соединений реакция гидролиза.

Сразу после затворения цемента водой начинаются химические реакции. Силикаты кальция при взаимодействии с водой образуют два новых соединения двухкальциевый гидросиликат и гидроксид кальция по реакции

2(3СаО·SiO2) + 6H2O = 2СаО·SiO2·3H2O + 3Са(ОН)2,

2(2СаО·SiO2) + 4H2O = 2СаО·SiO2·3H2O + Са(ОН)2.

• взаимодействие с водой C3S и C2S протекает с различной

скоростью (табл. 9): C3S значительно активнее, чем C2S, что определяет нарастание прочности цемента в первые сроки его твердения (табл.10);

• при взаимодействии силикатов кальция с водой выделяется

Са(ОН)2 – воздушная известь, создающая щелочную среду в твердеющем цементе, что является условием для возникновения коррозии цементного камня;

• C3S выделяет Са(ОН)2 в три раза больше, чем C2S; общее

количество Са(ОН)2 достигает 15% от массы цементного камня.

Трехкальциевый алюминат при взаимодействии с водой очень быстро образует гидроалюминат кальция:

ЗСаО·Al2O3+ 6H2O = ЗСаО·Al2O3·6H2O .

Образовавшийся трехкальциевый гидроалюминат очень быстро кристаллизуется, что приводит к быстрому схватыванию цементного теста (1…2 мин). С таким тестом работать нельзя: должно быть определенное время для перемешивания смеси, ее транспортирования, укладки и уплотнения в форме. Для замедления схватывания цемента в него добавляют двуводный гипс, который, взаимодействуя с гидроалюминатом кальция, переводит его в гидросульфоалюминат кальция (эттрингит) труднорастворимую соль,

чем замедляет схватывание

Пока идет эта реакция, схватывания не наступает, поэтому гипс добавляют в цемент в зависимости от содержания трехкальциевого алюмината и требуемых сроков схватывания (обычно от

3,5 до 5% от массы цемента).

Образующаяся молекула гидросульфоалюмината кальция в 2,5 раза больше по объему исходной молекулы трехкальциевого гидроалюмината и гипса. В данном случае образование большой молекулы в пластичном, не затвердевшем ещё тесте можно считать явлением положительным: она уплотняет цементный камень. Впоследствии, при росте кристаллов минералов твердеющего цемента гидросульфоалюминат разрушается.

Читайте так же:
Сибирский цемент олег шарыкина

Взаимодействие четырехкальциевого алюмоферрита с водой может быть представлено в виде следующей реакции:

4СаО·Al2O3·Fе2О3 + mH2O = ЗСаО·Al2O3·6H2O + СаО·Fе2О3·nH2O .

Рис. 10. Твердение цемента:

а – рост прочности цемента во времени (Rсж); б – схема взаимодействия зерен цемента с водой в различные сроки; 1 – зерно цемента, 2 – вода; 3 – гидратные новообразования; 4 воздушные поры

Твердение образовавшихся соединений происходит с неодинаковой скоростью. Наиболее быстротвердеющими минералами являются: трехкальциевый алюминат C3A и трехкальциевый силикат C3S. Возникающие в процессе твердения гели трехкальциевого гидроалюмината и гидрата оксида кальция начинают кристаллизоваться и пронизывать кристаллами аморфную массу гидросиликата кальция, который длительное время остается в коллоидном состоянии. Гидросиликат кальция постепенно придает прочность твердеющему цементу, медленно уплотняясь и затвердевая.

Реакции протекающие при твердении цемента

ООО «ХЕМТЕХ БАЕРН УКРАИНА»
79015, г. Львов, ул. Героев УПА, 72
телефон: +38 032 226 77 60
тел. моб.: +38 097 297 92 50
тел. моб.: +38 097 297 92 51
e-mail: info@chemtech-bayern.com.ua
http://chemtech-bayern.com.ua
Instagram: #chemt_ech_bayern

ПАРТНЕРИ

ТзОВ «СПЕЦБУДІЗОЛ»

tverdinnya-portlandcementu-2Твердения 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:

По сравнению с трехкальциевого силикат гидратация двокальциевого силиката (b2S) 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:

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.

tverdinnya-portlandcementu

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

Читайте так же:
Технологические исследования сырьевых материалов для производства цемента

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.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Твердение вяжущих веществ , независимо от их состава, всегда связано с кристаллизацией. Но состав вяжущего и технология его производства налагают на ход кристаллизации свой отпечаток. В результате, кинетика кристаллизации, определяющая прочность связующего вещества, приобретает свои особенности.  [1]

Схватывание и твердение вяжущего вещества заключается в том, что при смешивании с водой оно образует пластичную массу, превращающуюся впоследствии в твердое камневидное тело с определенной прочностью. Это превращение происходит не сразу, а постепенно и обусловливается рядом химических и физических процессов.  [2]

Особенностью теории твердения вяжущих веществ , предложенной А. А. Байковым, является то, что любое твердеющее вещество ( цемент) обязательно проходит стадию коллоидального состояния.  [3]

Для управления процессами твердения вяжущих веществ важно изучить не только протекающие при этом процессе химические реакции, но и механизм их гидратации и твердения. По Ле-Шателье, полуводный гипс при затворении водой растворяется в ней до образования насыщенного им раствора. Полугидрат в растворе вследствие гидратации переходит в двугидрат, растворимость которого составляет 2 г на 1 л воды.  [4]

Читайте так же:
Цементная растворная смесь м 150

По этому типу происходит твердение следующих вяжущих веществ , имеющих применение в строительстве: известково-шла-кового цемента, гипсо-шлакового цемента, других шлаковых цементов с различными возбудителями.  [5]

За время изучения условий твердения вяжущих веществ были сделаны попытки описать образование структуры математически или предложить эмпирические формулы определения прочности затвердевшего раствора.  [6]

Современные представления о механизме твердения вяжущих веществ , берущие свое начало в работах школы акад.  [7]

Как известно, при твердении вяжущих веществ большое значение имеет их удельная поверхность, с увеличением которой повышается скорость реакций, протекающих при твердении, а следовательно, и скорость нарастания прочности. Однако в отношении такого медленно твердеющего вяжущего вещества, каким является высокообжиговый гипс, необходимо стремиться к получению тонкозернистого продукта с большой удельной поверхностью, содержащего около 3 % свободной извести и некоторое количество ( до 1 %) остаточной гидратной воды.  [8]

Учитывая сложность явлений, сопровождающих схватывание и твердение вяжущих веществ , мы вынуждены вкратце изложить современные представления о механизме этих процессов, тем более что их знание необходимо дая правильного понимания и толкования рассматриваемых нами отдельных сторон химизма и энергетики процессов гидратации.  [9]

На основе анализа химизма процессов, обеспечивающих твердение вяжущих веществ , сформулированы основные требования к компонентам вяжущих композиций, а именно: а) способность порошка вступать в необратимое химическое взаимодействие с жидкостью-затворителем; б) определенная реакционная способность сореагентов, входящих в состав вяжущих композиций, по отношению друг к другу; в) образование в результате взаимодействия по крайней мере одной новой твердой фазы. Экспериментально показана эффективность использования развиваемых автором представлений для направленного поиска новых видов цементов. Приведены основные технические характеристики и указаны возможные области практического использования новых цементов гидратационного твердения на основе сложных щелочесодержащих силикатов, окисно-кислотных цементов, а также цементов, получаемых из порошков металлов и сплавов.  [10]

Камень, получаемый в результате схватывания и твердения вяжущих веществ , представляет собой основное цементирующее вещество. Прочностные характеристики его как в механическом, так и в термическом, химическом, антикоррозионном и в ряде других отношений, а также причины, вызывающие изменения этих характеристик, представляют собой особый интерес.  [11]

При анализе различных точек зрения на природу твердения вяжущих веществ в работе [115] высказаны положения, по которым топохимическая теория считается наиболее приемлемой для объяснения этого сложного процесса формирования структуры цементного камня. Здесь же приведено мнение ряда исследователей о том, что важную роль при твердении играет структурированная вода, находящаяся у поверхности дисперсной фазы. Если молекулы на поверхности тела объединены чисто ионными связями, то возможна наиболее упорядоченная структура пленочной воды, обусловленная ион-ди-польным взаимодействием. Учитывая физико-механические свойства структурированной воды на поверхности гидросиликатов, предполагают, что она является носителем прочности цементного камня. Уместно заметить, что теоретические предпосылки автора книги в этой части относятся к склеивающей способности не структурированной воды, а жидкости, представляющей собой ионный раствор с определенными электростатическими свойствами.  [12]

В монографии рассмотрены современные представления о природе твердения вяжущих веществ , включая вопросы состава тампо-нажных растворов, стехиометрии продуктов гидратации портландцемента, физико-химических основ процессов формирования дисперсных структур вяжущих веществ. Особое место занимают исследования механизма процессов структурообразования в дисперсиях минеральных вяжущих — трехкальциевого силиката, трехкальциевого алюмината, трехкальциевого алюмината в присутствии гипса и наполнителя, тампонажных цементных дисперсий.  [13]

Читайте так же:
Через сколько можно ходить по цементной стяжке 4 сантиметра

Как видим, роль процессов кристаллизации при твердении вяжущих веществ очень велика.  [14]

Крупнейшим достижением химии вяжущих веществ является общая теория твердения вяжущих веществ , разработанная акад.  [15]

Твердение цемента

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.
Читайте так же:
Промышленные пылесосы для уборки цементной пыли

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.

Андрей Васильев

  • Строитель с 20-летним стажем
  • Эксперт завода «Молодой Ударник»

В 1998 году окончил СПбГПУ, учился на кафедре гражданского строительства и прикладной экологии.

Занимается разработкой и внедрением мероприятий по предупреждению выпуска низкокачественной продукции.

Разрабатывает предложения по совершенствованию производства бетона и строительных растворов.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector