Гидратация цемента – серия химических реакций в цементном растворе
Гидратация цемента — это серия химических реакций, которые происходят при добавлении воды в цемент. При гидратации цемента протекает процесс с участием различных соединений, присутствующих в цементе.
К ним относятся трехкальциевый силикат (C3S), двухкальциевый силикат (C2S), трехкальциевый алюминат (C3A) и тетракальциевый алюмоферрит (C4AF).
Когда вода вступает в контакт с этими соединениями, происходит реакция с образованием новых соединений. Образуется прочный, долговечный материал, известный как гидратированная цементная масса.
Важность гидратации в цементе
Процесс гидратации имеет решающее значение для улучшения механических свойств бетона. Он превращает рыхлую смесь цемента, заполнителей и воды в твердый и связный материал. Гидратированная цементная масса связывает заполнители вместе, обеспечивая необходимую прочность и долговечность для противостояния различным нагрузкам и условиям окружающей среды. Без надлежащей гидратации бетон оставался бы слабым, склонным к растрескиванию и разрушению.
Химические реакции при гидратации цемента
Гидратация цемента включает в себя серию химических реакций, которые протекают в различные стадии с выделением тепла (см. в конце статьи).
Начальная стадия: Растворение
Когда в цемент добавляется вода, это запускает растворение различных соединений, высвобождая в воду кальций (Ca2 +), гидроксил (OH-) и другие ионы. Эта стадия растворения закладывает основу для последующих реакций.
Индукционный период: образование зародышей и рост кристаллов
После стадии растворения следует индукционный период. В течение этого периода растворенные ионы начинают образовывать крошечные зародыши и кристаллы, которые служат строительными блоками гидратированного цементного теста. Продолжительность периода гидратации зависит от таких факторов, как состав цемента, водоцементное соотношение и температура. В процессе гидратации значительно увеличивается площадь поверхности твёрдой фазы цементного геля. При этом сохраняется расход воды в реакциях гидратации. Следствием этих двух процессов становится самовысушивание — явление уменьшения относительной влажности в цементном тесте. Самовысушивание снижает степень гидратации, поэтому для нормального протекания процессов твердения цементного теста необходимо поддерживать уровень влажности. Это одно из условий нормального набора прочности. Поэтому всегда необходимо на 2…3 дня закрыть бетонное изделие водонепроницаемой пленкой.
Ускорение: переход на гидратированные цементные продукты
По мере прохождения индукционного периода зародыши и кристаллы растут, превращаясь в различные гидратированные цементные продукты. Наиболее важным продуктом является гель гидрата силиката кальция (C-S-H), который способствует прочности и долговечности готового бетона. На этой стадии также образуются другие соединения, такие как гидроксид кальция (Ca(OH) 2).
Но тут есть тонкости. Это хорошо продемонстрировано в статье «Как изготовить прочный и водостойкий бетон для сада» (образование кремнегеля при добавке в цементную смесь натриевого жидкого стекла).
Замедление: образование геля C-S-H
На стадии замедления роста гель C-S-H продолжает расти, заполняя пустоты между частицами цемента и связывая их вместе. Этот гель действует как клей, придавая бетону его прочность. Стадия замедления имеет решающее значение для достижения желаемых свойств затвердевшего бетона.
Гидратация цемента в растворе в зависимости от условий
На процесс гидратации и, следовательно, на свойства готового бетона влияют несколько факторов.
Водоцементное соотношение
Водоцементное соотношение — это отношение количества воды к количеству цемента в бетонной смеси. Оно напрямую влияет на степень гидратации и прочность бетона. Более низкое водоцементное соотношение обычно приводит к получению более прочного бетона. Капиллярная пористость цементного камня находится в прямой зависимости от водоцементного отношения смеси и в обратной зависимости от степени гидратации. Чем больше величина водоцементного отношения, тем больше капиллярных пор. В то же время по мере роста степени гидратации цемента будет уменьшаться объём капиллярных пор.
Температура
Температура играет жизненно важную роль в гидратации цемента. Более высокие температуры ускоряют процесс гидратации, в то время как более низкие замедляют его. Экстремальные температуры могут повлиять на качество бетона, приводя к таким проблемам, как растрескивание и снижение прочности.
Типы цемента
Различные типы цемента, такие как обычный портландцемент (OPC), портландцемент пуццолана (PPC) и сульфатостойкий цемент (SRC), имеют различные характеристики гидратации. Понимание специфических свойств каждого типа помогает правильно выбирать цемент для различных применений.
Дополнительные вяжущие (активные) материалы
Дополнительные вяжущие материалы, такие как зола-уноса, метакаолин, шлак и диоксид кремния (или белая сажа), могут быть добавлены в цемент для улучшения его свойств. Эти материалы вступают в реакцию с цементом во время гидратации и вносят свой вклад в общую прочность и долговечность бетона.
Добавки в бетон
Добавки — это химические вещества, включаемые в бетонные смеси для изменения определенных свойств. Они могут влиять на процесс гидратации, обеспечивая лучшую обрабатываемость, снижая потребность в воде или изменяя время схватывания. Подробнее в статье «Декоративный бетон«.
Нагревание цемента при гидратации
Во время гидратации цемент выделяет тепло в качестве побочного продукта экзотермических химических реакций. Выделение тепла может быть значительным, особенно на больших бетонных изделиях. Правильное регулирование температуры имеет решающее значение для предотвращения таких проблем, как термическое растрескивание.
Гидратация цемента во времени и схватывание цементного раствора
Время, необходимое цементу для гидратации и схватывания, зависит от различных факторов, включая температуру, водоцементное соотношение, состав цемента и добавки. Быстро схватывающийся цемент доступен для применений, где важно быстрое повышение прочности. В то же время другие типы позволяют увеличить время обработки.
Распространенные проблемы гидратации цемента и решения
Процесс гидратации иногда может привести к возникновению проблем.
Замедленное схватывание
Задержка схватывания возникает, когда процесс гидратации протекает медленнее, чем ожидалось, что приводит к увеличению времени схватывания. Эту проблему можно устранить, используя ускорители или регулируя пропорции смеси для ускорения реакции.
Мгновенное схватывание
Быстрое схватывание противоположно замедленному схватыванию. Это происходит, когда процесс гидратации происходит слишком быстро, что приводит к быстрому затвердеванию бетонной смеси. Эту проблему можно решить с помощью замедлителей или изменения пропорций смеси.
Хочу всё знать: гидратация цемента в формулах
Уравнения реакций для четырёх основных минералов цемента с выделением теплоты выглядят следующим образом:
Более подробно про «Что такое гидратация цемента?» можно прочитать здесь.
Для изготовления интересных декоративных изделий из искусственного камня кроме воды и цементных составляющих нужно много чего другого. Об этом в предыдущих и будущих статьях на страницах kamsaddeco.com.
Статьи на тему
Прочный бетон и химия для самоделкиных
Как защитить и укрепить изделие