процесс твердения цемента

Химия твердения цемента. Образование цементного камня

Твердением называют процесс превращения цементного теста, состоящего из смеси цемента с водой, в камневидное тело — цементный камень. Прочность цементного камня при нормальных условиях (теплая и влажная среда) продолжает нарастать многие годы. Опыты показали, что прочность его в воденарастает в течение 30 лет (дальнейшие систематические исследования не производились). химия цемента

Твердению предшествует схватывание, т. е. процесс, в течение которого цементное тесто постепенно теряет пластичность, загустевает, но еще не приобретает прочности.

В соответствии с теорией твердения цемента, созданной академиком А. А. Байковым и развитой в дальнейшем другими советскими учеными (профессорами В. Н. Юнгом, Ю. М. Буттом, А. Е. Шейниным), процесс твердения представляет собой сложное физико-химическое явление: в составе цементного камня образуются новые соединения, которых не было в цементном клинкере.
Основное химическое соединение, входящее в состав цементного клинкера трехкальциевый силикат —- подвергается гидролизу разложению водой) и гидратации (соединению с водой) с образованием двух новых соединений: двухкальциевого гидросиликата 2СаО • SiO2 ад и гидрата окиси кальция. Разложение идет по следующей реакции:
ЗСаО • SiO2+nН,О=2СаО • SiO2(n1 )Н2 О + Са(ОН)2.
Таким образом, при твердении цемента выделяется свободный гидрат окиси кальция Са(ОН)2. Это легко установить при помощи фенолфталеина, при действии которого получается яркомалиновое окрашивание.
Другое соединение в цементном клинкере — двухкальциевый силикат—гидратируется очень медленно и образует

2СаО • SiO2 •mH2O.
Трехкальциевый алюминат подвергается быстрой гидратации по реакции:
ЗСаО • А12О3+6Н2О=ЗСаО • А12О3 • 6Н2О.
Под воздействием воды на поверхности цементных частиц образуются двухкальциевый гидросиликат, гидрат окиси кальция и трехкальциевый гидроалюминат. Гидросиликат кальция почти нерастворим в воде и выделяется в коллоидальном состоянии, в виде студенистых оболочек, на поверхности црментных частиц. Гидроокись кальция и трехкальциевый гидроалюминат растворяются в воде, но в небольшом количестве, и раствор быстро становится насыщенным, а в дальнейшем пересыщенным. Вследствие этого при продолжающейся химической реакции новые порции гидроокиси кальция и трехкальциевого гидроалюмината выделяются также в коллоидальном состоянии. Все указанные вещества образуют вокруг частиц цемента оболочку так называемого геля (студня).

Гель обладает склеивающей способностью, которая тем больше, чем меньше он разжижен водой, т. е. чем меньше водоцементное отношение ; -гель склеивает частицы цемента, а в цементно-песчаном растворе и зерна песка. В результате цементное тесто начинает густеть и терять пластичность — оно схватывается.

В дальнейшем гидроокись кальция и трехкальциевый гидроалюминат из коллоидального состояния переходят в более устойчивое мелкокристаллическое; выделяющиеся микрокристаллы пронизывают гель и срастаются. Одновременно гель, состоящий теперь главным образом из гидросиликата кальция, уплотняется, отчасти потому, что высыхает (если цемент твердеет на воздухе), отчасти из-за что внутрь цементных частиц отсасывается вода. Вода проникает в глубь частиц цемента постепенно, и в результате все и новые его порции вступают в химическую реакцию.

Гидросиликат кальция может в дальнейшем частично выкристаллизоваться. Соотношение между объемами гелеобразной и кристаллической частей твердеющего цементного камня в каждый данный момент влияет на его прочность, усадку, ползучесть и другие свойства, как это доказано проф. А. Е. Шейкиным.
Если цемент твердеет на воздухе (всегда содержащем углекислый газ), то имеет место еще карбонизация гидроокиси кальция:
Са(ОН)2+СО=СаСО3+Н2О.
Она происходит главным образом с поверхности цементного камня или бетона. Это доказывается тем, что при действии фенолфталеина на поверхность затвердевшего цементного камня он не окрашивается в малиновый дает; если же разломать этот камень и подействовать фенолфталеином на место свежего излома, то легко обнаружить, что свободная гидроокись кальция содержится в середине образца, а по краям ее нет.

Процессы образования геля, его кристаллизации и уплотнения

, а также карбонизации приводят к превращению цементного теста в искусственный высокопрочный каменный материал. Эти процессы протекают сначала быстро, затем медленнее; в особенности медленно гель уплотняется. В соответствии с этим прочность цементного камня в первые 3—7 дней нарастает быстро, затем медленнее, а спустя 3 месяца — очень мало. Прочность цемента обычно испытывают через 3, 7 и 28 дней.
Даже через несколько месяцев твердения цемента внутренняя часть его зерен, наиболее крупных, еще не успевает вступить в реакцию с водой. При повторном помоле затвердевшего цемента и смешивании с водой он может снова твердеть, но прочность получается уже невысокой.

 химический состав  цемента

Нарастание прочности цементного камня

имеет большое значение для строительства, так как позволяет постепенно увеличивать нагрузки на сооружения. Однако такое непрерывное повышение прочности может происходить только при твердении цементного камня в теплой и влажной среде. Если цементный камень будет находиться в сухой среде, то после испарения воды и уплотнения геля твердение приостановится.
При твердении в течение длительного срока в воде цементный камень получается более прочным, чем при твердении на воздухе.