Теории о твердении вяжущих веществ, механизм цементирующего действия

цемент, портландцементТвердение вяжущих веществ – весьма трудоемкий физико-химический процесс преобразования пластичного вяжущего теста в крепкое камнеподобное тело. Что обязательно нужно знать будущему строителю, либо человеку, так или иначе связанному со строительством, об этом механизме поговорим в этой статье.

Процессы схватывания и твердения описываются характерными реакциями для каждого вяжущего вещества.

CaO – известь

В результате затворения водой молотой негашёной извести совершается её гидратационное твердение, которое заключается в гидратации оксида кальция и последующей коллоидизации и затем кристаллизации продукта гидратации. При твердении извести происходит следующая реакция: СаО + Н2О = Са(ОН)2

Твердеет известковое тесто вследствие испарения воды и кристаллизации гидрата оксида кальция. В результате потери влаги самые мелкие частицы Са(ОН)2 сходятся и срастаются друг с другом, организуя известковый каркас. Количество кристаллов возрастает, их вырабатывается все больше в результате испарения воды. Эти кристаллы сцепляются, и образуют крепкий кристаллический конкремент. В это же самое время также происходит карбонизация гидрата оксида кальция вследствие вбирания им угольной кислоты из воздуха. Но только когда на данный процесс воздействует вода, он идет весьма интенсивно: Са(ОН)2 +СО2 + п Н2О > СаСО3 + (п+1) Н2О

Вода, входящая в Са(ОН)2 – химически связанная вода.

βСаSO4 • 0,5Н2О – строительный гипс, αСаSO4 • 0,5Н2О – высокопрочный гипс

В основе механизма цементирующего действия полуводного сульфата кальция лежит, в общем случае, процесс преобразования его в присутствии воды в двугидрат по формуле CaSO4•0,5Н2О + 1,5Н2О = CaSO4•2H2O с образованием теплоты. Данный процесс проходит на воздухе с последующим отвердеванием гипсовой массы и формированием прочного камнеподобного тела.

CaSO4 + 2H2O – ангидритовое вяжущее

В процессе гидратации ангидритовое вяжущее плохо взаимодействует с водой: CaSO4 + 2H2O = CaSO4 •2H2O

Ускорение процесса гидратации ангидритового вяжущего возможно в присутствии сульфатных или щелочных активаторов. В этом случае применяют добавки некоторых растворимых сульфатов — Na2SO4, NaHSO4, K2SO4, Al2(SO4)3, FeSO4 и др., извести – 3–5%; обожженного доломита – 3–8%; основного гранулированного доменного шлака – 10–15%.

Магнезиальные вяжущие: каустический магнезит, каустический доломит

Магнезиальные вяжущие затворяются не водой, а солями Mg, поскольку MgO не обладает вяжущими свойствами, практически не растворим в воде.

Твердение каустического магнезита описывается реакциями гидролиза магнезиального вяжущего и выглядит следующим образом: MgO + MgCl2 + H2O→2MgOHCl-

Твердение каустического доломита описывается реакциями гидролиза и присоединения магнезиального вяжущего: CaO + MgO + MgCl2 + H2O + CO2→2MgOHCl• СаСО3 •H2O

Гидравлические вяжущие

Все минералы портландцемента и глиноземистого цемента представляют собой соли сильных оснований и слабых кислот, и согласно законам химии при взаимодействии с водой должны подвергаться гидролизу, но таких реакций не протекает.

CaO •SiO3→ CaSiO3→Ca2+(сил.) + SiO32-(слаб.)

SiO32- + Н+ОН- = НSiO33- + ОН-

Но такой частицы как НSiO33- в цементном камне нет.

Расхождения теории и практики объясняет теория Бюссема. Согласно предположению, сделанному им, принято считать, что в силикатах и алюминатах кальция, полученных при высоких температурах, происходит нарушение координации ионов кальция.

Ион Са при комнатной температуре может удерживать только 6 частиц. При высоких температурах число становится 4,5 или 7,8. Таким образом, возникает дефектное поле.

Вследствие дефектности повышается химическая активность ионов кальция с водой.

Установлено, что вода входит в решетку, и кальций связан с водой через кислород.

Са(ОН)2, силикаты и алюминаты кальция, гидратированные водой, являются слоистыми соединениями и имеют высокую степень полимеризации. По этой причине при твердении происходит образование кристалликов, которые срастаются и прорастают друг в друга.

Гидравлические вяжущие описываются теорией Байкера, которая включает в себя процессы растворения безводных соединений и их выпадения из раствора, потому что гидратированные соединения имеют более низкую растворимость, чем безводные соединения (при этом происходит схватывание цементного теста, образование каллойдного расвора). Со временем происходит изменение гидратных оболочек выпавших соединений, кристаллики срастаются, одновременно происходит перераспределение воды.

При гидратации гидравлических вяжущих различают теоретические и практические реакции.

Теоретические реакции:
Гидратация алита: 3CaО•SiO2 + 3Н2О = 3CaО• SiO2•3Н2О→C3SH3
Начинается «старение».
3CaО• SiO2•3Н2О→ Са(ОН)2 + 2CaО• SiO2•2Н2О
2CaО• SiO2•2Н2О→ Са(ОН)2 + CaО• SiO2•Н2О (волластонит)
CaО• SiO2•Н2О→ СаО + SiO2 + Н2О

Белит гидратируется с образованием тех же гидросиликатов, что и алит, но отличие в том, что этот процесс не сопровождается выделением заметных количеств свободного гидроксида кальция. Условно реакция белита с водой может быть записана следующим образом: 2CaO∙SiO2+ 2Н2О → 2CaO∙SiO2∙2H2O

Практические реакции:
3CaО•SiO2 + (n+1)Н2О→ Са(ОН)2 + 2CaО• SiO2•nН2О
3CaО•Al2O3 +6H2O = C3AH6
4CaО•Al2O3 +7H2O = C3AH6 + CFH

 

Комментировать

Яндекс.Метрика