Приблизний мінералогічний склад портландцементного клінкеру

Назва мінералу	Формула	Приблизний вміст %	Умовні позна-чення
Трикальцієвий силікат	3CaО·SiO2	40—65	C3S
Двокальцієвий силікат	2CaO·SiO2	15—40	C2S
Трикальцієвий алюмінат	3CaO·Al2O3	5—15	C3A
Чотирикальцієвий алюмоферит	4CaO·Al2O3·Fe2O3	10—20	C4AF

Оскільки всі мінерали портландцементу утворились за високих темпе-ратур, вони є безводними сполуками і досить активно взаємодіють з водою.

При взаємодії трикальцієвого силікату з водою відбувається процес гідро-лізу з подальшою гідратацією продуктів гідролізу з утворенням гідроксиду кальцію та двокальцієвого гідросилікату:

3СaO·SiO₂ + (n + 1)H₂O → Ca(OH)₂ + 2CaO·SiO₂·nH₂O.

Цей процес характеризується великою швидкістю. Гідроксид кальцію швидко утворює насичений розчин і рівновага процесу гідролізу двокальцієво-го силікату, що знаходиться в одній системі з трикальцієвим силікатом, зміщу-ється в зворотному напрямку. Тому за звичайних умов двокальцієвий силікат практично не гідролізує, а тільки гідратується з утворенням двокальцієвого гідросилікату:

2CaO·SiO₂ + nH₂O → 2CaO·SiO₂·nH₂O.

Трикальцієвий алюмінат при взаємодії з водою утворює суміш різних гідроалюмінатів, які з часом перетворюються в найбільш стійкий шестиводний трикальцієвий алюмінат:

3CaO·Al₂O₃ + 6H₂O → 3CaO·Al₂O₃·6H₂O.

Цей процес характеризується найбільшою швидкістю і, щоб уповільнити про-цес тужавлення, в систему додають гіпс CaSO₄·2H₂O, який взаємодіє з трикаль-цієвим гідроалюмінатом і заважає структуроутворенню у в'яжучому. Після того, як прореагує весь гіпс, що міститься в системі, почне виділятись гідроалюмінат кальцію, що зумовлює тужавлення в'яжучого.

Чотирикальцієвий алюмоферит гідролітично розкладається з утворен-ням шестиводного трикальцієвого алюмінату та гідрофериту кальцію:

4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃ + (n + 6)H₂O → 3CaO·Al₂O₃·6H₂O + CaO·Fe₂O₃·nH₂O.

Величини теплових ефектів процесу гідратації складових портландце-менту та характеристика продуктів твердіння наведені в таблиці 6.

Таблиця 6

Характеристики процесів гідратації та продуктів твердіння складових портландцементу

Умовне позна-чення мінералу	Тепловий ефект гідратації		Міцність продуктів твердіння
	Повної, Дж/г	За три доби, %
C3S	502, 7	75—80	велика
C2S	259, 78	10	невелика в перші місяці, зростає на протязі декількох років
C3A	850, 57	80	низька
C4AF	419	20	середня

З наведених стислих характеристик складових портландцементу можна зробити висновок про вплив їхнього кількісного вмісту на властивості цементу. Так, якщо необхідно одержати швидкотвердіючий цемент для виробництва залізобетонних виробів, виготовляють клінкер з підвищеним вмістом C₃S та C₃A. Ці мінерали в сумі повинні складати не менше, ніж 65—70 ваг. %.

При будівництві гідротехнічних споруд, навпаки, вміст цих мінералів по-винен бути мінімальним, бо значне тепловиділення (екзотермічний ефект) при твердінні цементу може спричинити виникнення деформацій у бетоні.

Цемент широко використовується для одержання бетону та залізобетону.

Бетон — це неоднорідний каменеподібний матеріал, що складається з це-ментного каменю та дрібного (пісок) і крупного (щебінь, гравій) заповнювача.

8.5. КОРОЗІЯ БЕТОНУ. МЕТОДИ ЗАХИСТУ БЕТОНУ ВІД КОРОЗІЇ

Корозія бетону — це руйнування бетону під дією зовнішнього середови-ща. Найбільш корозійно нестійким є цементний камінь, а серед складових це-ментного каменю — гідроксид кальцію Са(ОН)₂.

У залежності від механізму процесів, що відбуваються, корозію бетону можна поділити на три види. Розглянемо їх детально.

1. Розкладання речовин цементного каменю водою з наступним розчиненням та вимиванням гідроксиду кальцію, що утворився при цьому, або був наявним у бетоні раніше внаслідок гідролізу трикальцієвого силікату.

2. Утворення добре розчинних речовин внаслідок взаємодії складових цементного каменю з речовинами навколишнього середовища та вимивання цих речовин водою. Прикладами корозії другого виду можуть бути:

а) магнезіальна корозія, яка відбувається внаслідок взаємодії гідроксиду кальцію з солями магнію

Ca(OH)₂ + MgCl₂ → CaCl₂ + Mg(OH)₂ .

Гідроксид магнію має дуже малу розчинність у воді і випадає в осад у ви-гляді пухкої водопроникної маси, яка легко вимивається водою;

б) вуглекислотна корозія, яка відбувається внаслідок взаємодії нерозчинного карбонату кальцію з агресивним діоксидом вуглецю, що міститься у воді, з утворенням добре розчинного гідрокарбонату кальцію

CaCO₃ + CO₂ + H₂O <=> Ca(HCO₃)₂.

Карбонат кальцію утворюється в бетоні при взаємодії гідроксиду кальцію з діоксидом вуглецю повітря (процес карбонізації)

Са(ОН)₂ + СО₂ + Н₂О → СаСО₃  + 2Н₂О;

в) кислотна корозія, наприклад, взаємодія гідроксиду кальцію з соляною кислотою, внаслідок чого утворюється добре розчинний хлорид кальцію

Ca(OH)₂ + 2HCl → CaCl₂ + 2H₂O.

3. Утворення в цементному камені сполук, що мають більший об'єм, ніж вихідні речовини. Прикладом може бути сульфатна корозія. Сульфати зустрічаються в більшості природних вод, а також у стічних водах. При взаємодії сульфатів з гідроксидом кальцію цементного каменю утворюється сульфат кальцію

Ca(OH)₂ + SO^2-₄ + 2H₂O→ CaSO₄·2H₂O + 2OH^-.

Сульфат кальцію може далі взаємодіяти з шестиводним трикальцієвим алюмі-натом з утворенням гідросульфоалюмінату кальцію

3CaO·Al₂O₃·6H₂O + 3CaSO₄ + 25(26)H₂O → 3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·31(32)H₂O.

Об'єм утвореного продукту приблизно в 3 рази перевищує об'єм вихідної речо-вини, що викликає появу тріщин та руйнування бетону.

Методи захисту бетону від корозії. Для захисту бетону від корозії необхідно, по-перше, правильно вибрати вид цементу в залежності від умов експлуатації бетонної споруди. Наприклад, щоб запобігти сульфатній корозії треба викори-стовувати сульфатостійкий цемент, який відрізняється від портландцементу зниженим вмістом трикальцієвого алюмінату. При можливій дії на бетонну споруду грунтових вод з підвищеним вмістом діоксиду вуглецю викори-стовують пуцолановий цемент, що містить до 30 % аморфного кремнезему SiO₂ (трепел, інфузорна земля). Аморфний кремнезем уже за звичайних умов взаємодіє з Са(ОН)₂ з утворенням нерозчинного силікату кальцію

Ca(OH)₂ + SiO₂ → CaSiO₃ + H₂O.

По-друге, треба виготовляти особливо щільний бетон, внаслідок чого зменшу-ється дифузія агресивних речовин в його товщу. Для цього за допомогою пластифікуючих домішок зменшують кількість води при замішуванні цементу.

По-третє, використовують покриття, серед яких широко застосовуються обли-цювальна плитка, бітуми, кремнійорганічні та інші полімери, рідке скло (Na₂SiO₃), яке при висиханні утворює на поверхні полімерну плівку.

Розділ 9.