Вода и ее поведение в присутствии цементных минералов

При затворении водой они вновь гидратируются с образованием мелкокристаллических гидратов, способных к дальнейшему росту и срастанию и служащих подложкой для кристаллизации новообразований.

При взаимодействии цемента  с водой в системе цемент —  вода происходит" уменьшение ее объема, однако объем твердого вещества в цементном камне увеличивается.

 

Вода в схватившемся цементе.

Воду, содержащуюся в цементе, подразделяют на свободную, капиллярную, гелевую и связанную в разных гидратированных соединениях.

Кроме того, не существует такого особого давления пара, которое позволило  бы отличить гелевую воду от воды, связанной в виде гидратной, или от капиллярной.

В схватившемся цементе различают  воду неиспаряющуюся, произвольно взятую в виде остаточной после высушивания  до постоянной массы при 25°С в вакууме над Mg(ClO4)2-2H2O, и испаряемую, которую определяют по разности между количеством воды в цементном камне в насыщенном состоянии и количеством воды, остающейся в поверхностно-сухом состоянии.

К испаряющейся воде преимущественно  относится та, которая содержится в капиллярах или удерживается поверхностными силами в самой гелевой субстанции.

Давление пара над схватившимся цементом остается в пределах насыщения  до тех пор, пока имеется свободная  вода, но после ее удаления, когда  поверхность воды отступает в  капилляры, давление пара падает.При очень низком уровне давления пара остается лишь вода, которая была определена как неиспаряющаяся.

Испаряющаяся вода может  быть разделена на содержащуюся в массе геля и находящуюся в капиллярах структуры схватившегося цемента.

Очевидно также, что при  относительном давлении пара p/ps ниже 0,45 капилляры пусты и вся испаряющаяся вода содержится в геле.

На основе изложенного можно принять, что вода содержится в схватившемся цементе в трех видах:

Следует ожидать, что если бы гель схватившегося цемента мог  превратиться в неколлоидный материал, то его способность поглощать  воду упала бы до очень незначительной величины и вода удерживалась бы только каналами капилляров.

Когда вода уходит в капилляры, эта кривизна увеличивается и силы поверхностного натяжения действуют на воду в капиллярах.

Гель может поглощать  воду, причем количество ее, удерживаемое в виде пленки на внутренней поверхности, зависит от давления пара.

Однако следует отметить, что когда схватившийся цемент или  бетон теряет воду, изменение его  объема составляет лишь малую часть объема потерянной воды.

Процессы, происходящие при  взаимодействии водной среды и бетона, можно разделить на три вида: к  первому виду коррозии отнесены процессы, происходящие в бетоне под действием  вод с малой временной жесткостью — мягких вод, в результате действия которых растворяются составные  части цементного камня и уносятся сквозь толщу бетона при фильтрации, ко второму виду — реакция обмена между составляющими воды и бетона с образованием растворимых или не обладающих вяжущими свойствами продуктов, ослабляющих структуру камня, к третьему — накопление и кристаллизация в трещинах, порах и капиллярах бетона солей, которые также способны разрушить материал.

 

3. ГИДРАТАЦИЯ ЦЕМЕНТА 

При затворении портландцемента водой происходят реакции, обусловливающие твердение цементного теста. В присутствии воды силикаты и алюминаты, перечисленные в табл. 1.1, образуют продукты гидратации, которые постепенно затвердевают и превращаются в цементный камень.

При взаимодействии составляющих цемента с водой идут два процесса. Прежде всего происходит непосредственное присоединение молекул воды, или истинная гидратация. Второй процесс характерен взаимодействием минералов цемента с водой с их разложением — гидролиз.

Обычно применяют термин «гидратация» ко всем типам реакций  цемента с водой, т. е. как к  истинной гидратации, так и к гидролизу.

Ле Шателье около 80 лет назад впервые установил, что при одинаковых условиях продукты гидратации цемента имеют тот же химический состав, что и продукты гидратации его отдельных составляющих. Позже это было подтверждено Стейнором, а также Боггом и Лерчем, хотя и с оговоркой, что продукты реакции могут воздействовать друг на на друга или даже взаимодействовать друг с другом в системе. Силикаты кальция — основные составляющие цемента, поэтому физические свойства цемента во время гидратации определяются поведением каждого из этих составляющих в отдельности.

Продукты гидратации цемента  характеризуются низкой растворимостью в воде, о чем свидетельствует  высокая водостойкость цементного камня. Гидратированные новообразования  цемента прочно связываются с  непрореагировавшим цементом, однако механизм этой связи пока не ясен. Возможно, что гидратные новообразования  создают оболочку, которая растет изнутри под воздействием воды, проникающей  через эту оболочку. Или возможно, что растворенные силикаты проникают  через оболочку и осаждаются на ней  в виде внешнего слоя. И третья возможность: образование и осаждение коллоидного раствора во всей массе после того, как достигнуто насыщение, дальнейшая гидратация продолжается внутри этой структуры.

Каким бы ни был способ осаждения  продуктов гидратации, скорость гидратации непрерывно уменьшается, так что  даже после длительного времени  остается заметное количество негидратированного цемента. Микроскопическое исследование гидратированного цемента не подтверждает прохождения воды в глубь зерен цемента и выборочной гидратации наиболее реакционно способных составляющих (например, C3S), которые могут находиться в центре зерна. Поэтому представляется, что гидратация развивается вследствие постепенного уменьшения размеров цементных зерен. Действительно, было обнаружено, что в возрасте нескольких месяцев негидратированные зерна цемента грубого помола содержат как C3S, так и C2S и, возможно, что мелкие частицы C2S гидратируются раньше, чем завершается гидратация крупных частиц C3S.

Различные составляющие цемента  обычно присутствуют во всех его зернах, и исследования показали, что оставшиеся зерна цемента после определенного  периода гидратации имеют тот  же относительный минералогический состав, что и целое зерно до гидратации. В течение первых 24 ч  может все же происходить избирательная гидратация.

Основными гидратами являются гидросиликаты кальция и трехкальциевый гидроалюминат. Степень гидратации цемента может быть определена различными способами посредством измерения: количества Са (ОН)2 в тесте; тепловыделения при гидратации; удельного веса теста; количества химически связанной воды; количества негидратированного цемента (с помощью рентгеноструктурного анализа), а также косвенного по прочности цементного камня.

 

 

 

 

4. ОБЪЕМ ПРОДУКТОВ ГИДРАТАЦИИ

 

Приближенный общий объем, который могут занять продукты гидратации, состоит из абсолютного объема сухого цемента и объема воды, необходимой  для замеса. Мы будем пренебрегать небольшой потерей воды в результате выделения цементного молока на поверхости бетона и уплотнения теста в пластичном состоянии. Как было показано выше, C3S и C2S химически связывают воду в количестве соответственно примерно 24 и 21% веса этих двух силикатов; соответствующие значения для С3А и C4AF составляют 40 и 37%.

Приведенные цифры не являются абсолютно точными, так как наши знания о продуктах гидратации цемента  не позволяют более определенно  говорить о количестве химически  связываемой ими воды. Поэтому  лучше всего основываться на представлении  о неиспаряемой воде, количество которой можно определить по способу, описанному в одном из последующих разделов. Это количество воды, вычисленное при определенных условиях, составляет 23% веса безводного цемента (хотя для цемента типа II это значение может снизиться до 18%).

Удельный вес продуктов  гидратации цемента таков, что они  занимают больший объем, чем абсолютный объем негидратированного цемента но меньший, чем суммарный объем сухого цемента и неиспаряющейся воды, примерно на 0,254 от объема последней.

Средняя величина удельного  веса продуктов гидратации (включая  поры в максимально возможной  плотной структуре) в насыщенном водой состоянии составляет 2,16.

В качестве примера рассмотрим гидратацию 100 г цемента. Принимая удельный вес сухого цемента равным 3,15, получим абсолютный объем негидратированного цемента равным =31,8 см3. Неиспаряющаяся вода, составляет 23% веса цемента, т. е. 23 см3.

Следует отметить, что было сделано допущение, что гидратация имеет место в замкнутом объеме при отсутствии притока воды или  при ее удалении из системы. Объемные изменения схематически показаны на рис. 1.4. «Уменьшение объема» на 5,9 см3 представляет пустое капиллярное  пространство, распределенное по всему цементному камню.

Приведенные цифры являются лишь приблизительными, однако если общее  количество воды будет меньше, чем 42 еж3, то его будет недостаточно для  полной гидратации, так как гель может образовываться только тогда, когда воды достаточно и для химических реакций, и для заполнения гелевых пор.

Вода геля не может быть использована для гидратации еще  негидратированного цемента, так как она прочно удерживается и поэтому не может перейти в капилляры.

Таким образом, когда гидратация в изолированном образце достигла такого состояния, при котором количество связанной воды составило примерно половину от исходного, дальнейший процесс прекращается. Из этого следует также, что полная гидратация в изолированном образце возможна лишь тогда, когда количество воды затворения в два раза превышает количество воды, требуемой для химической реакции, т. е. смесь имеет ?/Д = 0,5 (по весу). В действительности в приведенном примере гидратация пройдет полностью, так как она прекращается даже до того, как ка-лиллярная вода будет израсходована. Было установлено, что гидратация значительно замедляется, когда давление водяных паров падает ниже величины, составляющей 0,8 до давления насыщения.

Рассмотрим гидратацию теста, твердеющего в воде. В этом случае вода может впитываться, когда капиллярные  поры частично освобождаются от воды в результате гидратации. Как показано выше, 100 г цемента (31,8 см3) при полной гидратации будут занимать объем 67,9 см3. Таким образом, чтобы не оставалось негидратированного цемента и не появлялись капиллярные поры, исходное количество воды для замеса должно составлять приблизительно (67,9—31,8) =36,1 см3.

Это соответствует В/Ц, равному 1,14 по объему или 0,36 по весу. В других работах предложено принять В/Ц равным соответственно 1,2

и 0,38.

Если фактическое В/Ц смеси с учетом водоотделения будет менее 0,38 по весу, то полная гидратация цемента невозможна, так как имеющийся объем недостаточен для размещения в нем всех продуктов гидратации. Следует напомнить, что гидратация может протекать только в воде внутри капилляров. Например, если мы имеем смесь из 100 г цемента (31,8 см3) и 30 г воды, то воды было бы достаточно для гидратации X граммов цемента, определяемых следующим образом.

Таково положение при 100%-ной гидратации, когда отношение гель: пространство равно 0,856, что показано в правой части диаграммы рис. 1. 6. В центре этой диаграммы даны объемы различных компонентов при 50%гидратации цемента.

 В этом случае отношение  гель: пространство равно: 

— [40 + 29 (1 — 0,254) + 24]

—= 0,535.    

100 — 20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Слово "цемент" относится  к собирательным понятиям — он объединяет различные виды вяжущих  материалов, полученных путем обжига некоторых горных пород и подвергнутых измельчению. Вяжущими их назвали за способность соединять (связывать) в единое целое как отдельные частицы мелких наполнителей, так и более крупные фрагменты.

Цемент не является природным  материалом. Его изготовление - процесс  дорогостоящий и энергоемкий, однако результат стоит того - на выходе получают один из самых популярных строительных материалов, который используется как самостоятельно, так и в  качестве составляющего компонента других строительных материалов (например, бетона и железобетона). Цементные  заводы, как правило, находятся сразу  же на месте добычи сырьевых материалов для производства цемента.

В России же производство портландцемента  было расширено лишь в конце XIX в. Над его созданием и совершенствованием много работал А. Р. Шуляченко, которого называют “отцом русского цементного производства”. Его заслуга состоит в том, что высококачественные отечественные портландцементы вытеснили цементы иностранного производства. В России первый завод по производству портландцемента был построен в 1856 г., а к началу 1-й Мировой войны уже работало 60 цементных заводов общей производительностью около 1,6 млн т цемента в год.

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Кузнецова Т. В., Кудряшов И. В., Тимашев В. В. Э Физическая химия вяжущих материалов: Учебник для хим.-технол. спец. вузов. — М.: Высш. шк., 1989.
2. Бутт Ю.М., Тимашев В.В. - Портландцемент. М.: Стройиздат, 1974.
3. Волженский А.В., Буров Ю.С., Колокольников В.С. Минеральные вяжущие вещества. М.: Стройиздат, 1979
4. Воробьев, В.А.; Комар А.Г. Строительные материалы: учеб. для вузов.- М., «Стройиздат» 1971.
5. Колокольников В.С. - Производство цемента. М.: Высшая школа, 1967.
6. http://www.himi.oglib.ru/bgl/2361/207.html; http://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=476989; http://www.chemport.ru/data/chemipedia/article_4022.html