3. Гидратация клинкерных материалов.

Алит гидратируетсят с образованием гидросиликатов кальция переменного состава (0‚8-1‚5)СаОˑSiО2ˑ(2,5-1‚0)Н2О. Чем меньше концентрация СаО в окружающем водном растворе, тем меньше основность, т.е. мольное отношение СаО/SiО2, образующегося гидросиликата кальция. Процесс гидратации и гидролиза алита может быть выражен следующей схемой: 3СаОˑSiО2 + mН2О -› хСаОˑSiО2ˑnН2О + (3-x)Ca(OH)2. В зависимости от температуры среды, длительности твердения, вида исходных материалов и ряда других условий могут возникать различные по основности гидросиликаты, которые отличаются составом, структурой и свойствами. При обычных температурах твердения и наличии насыщенного или пересыщенного раствора извести в окружающей среде образуется преимущественно двухкальцевый гидросиликат C2SH, состав которого варьируется в пределах- (1,7-2,0)CaOˑSiO2ˑ(2-4)H2O. при пониженной конц-ии Ca(OH)2 двухкальциевый гидросиликат переходит в менее основный (приближающийся к одноосновному) выше названный гидросиликат СSН(В). Снижение основности гидратных новообразований сопровождается выделением дополнительного количества Са(ОН)2. При температурах 80-12О°С возникает сразу гидросиликат СSН(В)‚ при 120-175°С образуется С2SН(А)‚ а при 175- 200°C - смесь С2SН(А) ), С2SН(C)и С3SН3 . Основными носителями прочности в затвердевшем цементном камне являются низкоосновные гидросиликаты серии С2SН(В),которые составляют 70-80% от общего количества новообразований. Гидросиликаты СSН(В) иногда называют тоберморитоподобными, так как их состав и строение близки к известному природному минералу тобермориту (С5S6Н5). Эти гидросиликаты кальция кристаллизуются в виде высокодисперсньх масс, сложенных из скрученных или свёрнутых в “рулоны” тончайших игл и волокон с длиной около 1 мкм. Прочность цементного камня сложенного преимущественно из низкоосновных гидросиликатов, примерно вдвое выше, чем из высокоосновных фаз, так как в первых больше доля прочных ковалентных связей. Белит гидратируется с образованием тех же гидросиликатов, что и алит, с той лишь разницей, что этот процесс не сопровождается выделением заметных количеств свободного гидроксида кальция. Условно реакция белита с водой может быть записана следующим образом: 2CaOˑSiO2=2H2O→2CaOˑSiO2ˑ2H2O. Трёхкальциевый алюминат гидратируется в условиях обычных температур с образованием неустойчивых гексагональных промежуточных кристаллогидратов состава 2СаОˑА1203ˑ8Н20 и 4Са0.А12О3ˑ13Н2О. Со временем они переходят в устойчивый кубический гидроалюминат состава 3СаОˑА12О3ˑ6Н2О‚ причём этот процесс ускоряется с ростом температуры. Гидратация C3A протекает очень быстро, схватывание теста на его основе происходит в считанные минуты. Чтобы предотвратить явление “ложного схватывания’ цемента, которое обусловлено быстрым схватыванием C3A ,в состав цемента вводят 3-5% гипса, который существенно замедляет гидратацию трёхкальциевого алюмината. Это объясняется тем, что в присутствии гипса на поверхности частиц СЗА идёт образование крупных игольчатых кристаллов гидросульфоалюмината кальция – эттрингита: C3A+3[CaSO4ˑ2H2O]+19H2O→3CaOˑAl2O3ˑ3CaSO4ˑ31H2O. Кристаллы эттрингита образуют плотную оболочку на зёрнах С3$, препятствуя проникновению воды внутрь и замедляя гидратацию. Добавление оптимальных количеств, гипса приводит к удлинению сроков схватывания цемента до 3-5 часов. Однако кристаллизация эттрингита в уже затвердевшем камне, сопровождаемая существенным увеличением объёма, вызывает появление растягивающих напряжений, ведущих к снижению прочности, а иногда – и к разрушению цементного камня. Четырёхкальциевый алюмоферрит гидратируется по уравнению: 4СаОˑАl2О3ˑFe2О3+mН2О→ 3Са0ˑАl2О3ˑ6Н2О+СаОˑFe2О3ˑnH2O. В условиях, когда жидкая фаза твердеющего камня сильно пересыщена известью одноосновный гидроферрит кальция повышает свою основность и переходит в 4СаОˑFe2О3ˑ1 3H2O. Клинкерные минералы гидратируются различной скоростью и вносят различный вклад в прочность цементного камня. Скорость гидратации убывает в ряду: СЗА – С4AF — С3S — β-С2S. Скорость растворения цементного порошка и все последующие процессы твердения цемента зависят от минералогического состава цемента и тонкости помола. Чем мельче зёрна, тем выше суммарная удельная поверхность материала, а так как взаимодействие с водой начинается с поверхности, то тонкий помол интенсифицирует гидратацию вяжущего. По мере развития гидратационных процессов цементные зёрна обрастают “шубой” гидратных новообразований, что затрудняет диффузию, воды внутрь частиц И тем самым, замедляет дальнейшую гидратацию. Это проявляется в постепенном замедлении нарастания прочностных характеристик камня. Даже через 50 лет в цементном камне примерно 30% частиц вяжущего в составе камня оказываются непрогидратировавшими. Чем мельче зёрна, тем большая их часть вступает в реакции с водой, поэтому тонкий помол цементов способствует существенному улучшению вяжущих свойств.