Строение цементного камня

Роль гипса в процессах гидратации цемента. Эттрингит.

Гидратация трехкальциевого алюмината и гидролиз четырехальциевого алюмоферрита

Трехкальциевый алюминат (см. табл.1) при затворении цемента присоединяет воду по реакции:

3CaO×Al₂O₃ + 6H₂O = 3CaO×Al₂O₃×6H₂O

Гидролиз четырехкальциевого алюмоферрита принято записывать следующим уравнением реакции:

4CaO×Al₂O₃×Fe₂O₃ + nH₂O = 3CaO×Al₂O₃ 6H₂O + CaO×Fe₂O₃×(n-6)H₂O

Наиболее положительное влияние на свойства цемента оказывает гидроферрит кальция – последнее из веществ, записанных в правой части второй реакции. Этот минерал (продукты гидратации, как и исходные вещества, также можно называть минералами искусственного происхождения) придает цементному камню дополнительную прочность. Он всегда образуется в кристаллическом состоянии. Нерастворим в воде (водостоек). Из-за присутствия железа имеет темный цвет. Серый цвет цемента обусловлен именно присутствием железа (как элемента, а не как металла!).

Образующийся по обеим реакциям гидроалюминат 3CaO×Al₂O₃ 6H₂O получается в виде хрупких кристаллов. Несмотря на водостойкость и большую скорость твердения, он оказывает отрицательное влияние на свойства цемента – снижает прочность и коррозионную стойкость цементного камня. Для уменьшения его содержания в затвердевшем цементе и вводится добавка гипса.

Добавляемый к портландцементному клинкеру природный гипс CaSO₄∙2H₂O при затворении вступает в реакцию с трехкальциевым алюминатом:

3CaO×Al₂O₃ + 3(CaSO₄×2H₂O) + 26H₂O = = 3CaO×Al₂O₃×3CaSO₄×32H₂O

Продукт реакции – гидросульфоалюминат кальция – более известен под названием «эттрингит». Реакция идет с увеличением абсолютного объема (с расширением), поэтому образующийся в ограниченном пространстве эттрингит уплотняет и упрочняет цементный камень в процессе твердения. При этом значительно снижается возможность образования хрупкого гидроалюмината.

Кроме описанной здесь положительной роли эттрингита, известно также его отрицательное, корродирующее действие на цементный камень и бетон. Коррозия под действием эттрингита происходит в том случае, если он по каким-то причинам образуется в порах уже затвердевшего ранее цементного камня и разрушает его вследствие «распирания» стенок пор. (Процессы коррозии бетона будут рассмотрены в курсе строительных материалов)

В предыдущей лекции отмечалось, что камень вяжущего в общем случае состоит из кристаллического сростка, незакристаллизовавшейся части (твердого геля), непрореагировавших исходных минералов и пор.

На основании рассмотренных здесь реакций, можно конкретизировать строение цементного камня (затвердевшего портландцемента).

Гидроферрит, эттрингит, оставшийся гидроалюминат, и известь – кристаллизуются и образуют поликристаллическую систему из кристаллов неправильной формы, сросшихся в беспорядке. Это и есть кристаллический сросток цементного камня.

Гидросиликаты не доходят до стадии кристаллизации. Они образуют аморфную систему – гель, обволакивающий кристаллический сросток. Благодаря этому камень и получается достаточно прочным.

Из исходных минералов дольше всех гидратируются белит и четырехкальциевый алюмоферит. Но и гидратация всего зерна (частицы) цемента задерживается из-за отмеченной в прошлой лекции медленной диффузии воды в топохимической стадии гидратации. Полная гидратация частицы цемента может продолжаться около двух лет при благоприятных условиях (влажный воздух, положительная температура). Поэтому прочность цементного камня и цементного бетона нарастает не только в течение 28 суток (срок испытания на прочность), но и последующие месяцы. Через 28 суток гидратация цемента проходит всего лишь на 70 %, а процент прочности от максимально достижимого и того меньше.

И, наконец, поры снижают морозостойкость и прочность цементного камня при неправильном формировании пористой структуры, например, пропаривание при температуре выше 90 градусов или снижение температуры ниже нуля до достижения хотя бы 70%-ной гидратации.

Дата добавления: 2014-01-11