Jak portlandský cement tvrdne?

Hluboké pochopení vlastností portlandského cementu a požadavků na něj, jakož i návrh a výběr slínku určitého mineralogického složení je možné pouze se znalostí procesů, ke kterým dochází při tvorbě cementového kamene z cementové pasty.

Cement smíchaný s vodou a smíchaný s ní tvoří plastickou cementovou pastu. Toto těsto postupně houstne a přechází do stavu připomínajícího kámen. Přeměna cementového prášku na cementový kámen s přechodem přes fázi tvorby plastické cementové pasty je dána fyzikálními a chemickými procesy probíhajícími mezi cementem a vodou.

Slínkové minerály, které jsou součástí cementového zrna, a sádra v interakci s vodou tvoří nové sloučeniny – hydráty.

Ve zjednodušené formě lze hydratační reakce portlandského cementu znázornit následovně.
C 3 S při interakci s vodou tvoří hydrokřemičitan a hydrát oxidu vápenatého Ca(OH) 2:
C3S + 3H2 -> C2SH2 + Ca(OH)2
C 2 S při reakci s vodou tvoří hydrosilikát C 2 S H 2:
C2S + 2H2 -> C2SH2

C2SH2, vzniklý během hydratace C2S a CXNUMXS, se nakonec přemění na stabilnější CSH reakcí:

C2SH2 + CSH + Ca(OH)2

Hlinitan vápenatý při interakci s vodou vytváří hydrohlinitan vápenatý C 3 AN 6. V přítomnosti sádry tvoří C 3 AN 6 komplexní sloučeninu – hydrosulfoaluminát vápenatý C 3 A · 3CaSO 4 · H 31. Když je C4AF hydratován, tvoří se vápenaté hydroaluminoferrity různého složení.

Reakce mezi cementovým práškem a vodou probíhají v následujícím pořadí.

Brzy po smíchání cementu se voda z cementové pasty mění v nasycený roztok v důsledku omezené rozpustnosti slínkových minerálů. Další hydratace způsobuje přesycení roztoku. Přesycené roztoky za normálních podmínek nemohou existovat, rozpuštěná látka se z nich začne srážet ve formě drobných částeček, v tomto případě se vysrážejí hydráty slínkových minerálů. Tyto částice mají adhezivní vlastnosti, které se přenášejí do cementové pasty. Díky tomu dobře přilne k různým tělesům a slepí je dohromady.

Vlivem absorpce vody minerály slínku při jejich hydrataci klesá obsah volné vody v cementové pastě. Cementová pasta začíná houstnout (tvrdnout), ztrácí svou lepicí schopnost a plastické vlastnosti.

Na konci tuhnutí je to hmota podobná kameni.

Další získávání pevnosti cementovým kamenem je způsobeno krystalizací hydratačních produktů. Výsledné krystalické srůsty pronikají do cementového kamene ve všech směrech a jakoby jej zpevňují a poskytují vysokou pevnost.

Rychlost tvrdnutí cementu závisí na rychlosti interakce slínkových minerálů s vodou a také na rychlosti a charakteru krystalizace hydratačních produktů.

Rychlost hydratace slínkových minerálů se liší. Nejrychleji reaguje s vodou trikalciumhlinitan, následovaný tetrakalciumhlinitoferritem a trikalciumsilikátem a dikalciumsilikát je mnohem pomalejší než ostatní. Uvážíme-li, že slínek sestává převážně z křemičitanů vápenatých, je zřejmé, že cementy s vysokým obsahem trikalciumsilikátu tvrdnou mnohem rychleji než cementy s vysokým obsahem dikalciumsilikátu.

C 28 S má největší absolutní pevnost do 3 dnů kalení a z hlediska intenzity růstu pevnosti se C 3 A · C 4 AF blíží růstu pevnosti C 4 A , C3S a C2S jsou výrazně lepší než trikalciumhlinitan. Rychlost a pevnost v počátečních fázích tuhnutí jsou tedy rozhodujícím způsobem ovlivněny množstvím C 3 S a C 3 A v cementu, v pozdějších fázích pak dikalciumsilikátem.

Na jemnosti mletí cementu závisí také rychlost interakce cementového prášku s vodou a všechny následné procesy tvrdnutí cementu. Čím jemnější jsou zrna, tím větší je jejich povrch ve stejném množství cementu (specifický povrch). A jelikož interakce začíná od povrchu, při jemnějším mletí cementu se jeho interakce s vodou zrychluje.

Tuhnutí cementu probíhá zpočátku poměrně rychle a pak se stále více zpomaluje. K tomu dochází v důsledku tvorby hustých filmů hydrátů na povrchu cementových zrn. Tyto filmy brání přístupu vody k vnitřním „čerstvým“ částem zrna a brání další hydrataci.

Cementové těsto získané mletím čistého slínku velmi rychle ztrácí své plastické a adhezivní vlastnosti, to znamená, že rychle tuhne v důsledku tvorby hydrohlinitanu vápenatého. To ztěžuje nebo zcela vylučuje možnost použití takového cementu v betonu.

Pro zpomalení tuhnutí při mletí slínku se přidává sádra ve formě dihydrátu síranu vápenatého CaSO 4 2H 2 O. Jak bylo uvedeno výše, v roztoku mezi C 3 AN 6 a CaSO 4 dochází k reakci za vzniku hydrosulfoaluminátu vápenatého. , který zpomaluje tuhnutí cementové pasty . Potřebné množství sádry závisí na obsahu trikalciumhlinitanu ve slínku, respektive se zvyšuje nebo snižuje se zvyšováním nebo snižováním obsahu slínku. V běžném portlandském cementu podle požadavků GOST 10178-62 nesmí být obsah anhydridu kyseliny sírové SO 3 menší než 1,5 a ne více než 3,5 %, což z hlediska CaSO 4 2H 2 O nepřesahuje 7,53 %. . Překročení stanoveného limitu může vést k destrukci ztvrdlého cementového kamene, protože tvorba hydrosulfoaluminátu vápenatého je doprovázena zvětšením objemu materiálu. Absorpce sádry trikalciumhydroaluminátem by tedy měla skončit v době, kdy cementový kámen ztvrdne. To je možné pouze s omezeným obsahem sádry v cementu.

Při vysokém obsahu volného oxidu vápenatého v portlandském cementu způsobuje praskání a někdy i úplnou destrukci ztvrdlého cementového kamene. Škodlivý účinek volného vápna se vysvětluje tím, že hašení CaO, tj. jeho interakce s vodou, je doprovázeno zvětšením objemu; Rychlost vyhasínání závisí na teplotě výpalu.

Vápno, vznikající při teplotě výpalu do 1000-1100°C, se rychle kalí, ale s rostoucí teplotou se rychlost hašení vápna zpomaluje a při teplotě výpalu slínku (asi 1500°C) se velmi pomalu zhášená látka. Jeho hašení, které nestihne skončit dříve, než cement ztuhne (začne tvrdnout), pokračuje ve vytvrzeném cementovém kameni, což vede k jeho destrukci.

Obsah volného vápna v portlandském cementu závisí na dokonalosti technologického postupu. Moderní technologie zajišťuje výrobu slínku s minimálním množstvím volného vápna (do 1 %). Působení volného oxidu hořečnatého MgO ve tvrdnoucím portlandském cementu je podobné působení volného oxidu vápenatého CaO. Při vypalování slínku se MgO uvolňuje ve formě minerálu – periklasu, který pomalu (mnohem pomaleji než CaO) reaguje s vodou, což vede k destrukci ztvrdlého betonu a malt.

Aby se zabránilo destrukci cementového kamene působením volného oxidu hořečnatého, je obsah MgO v běžném slínku omezen na 5 %.

Hydráty slínkových minerálů mají nízkou rozpustnost ve vodě, ale hydrát oxidu vápenatého Ca(OH) 2, který se uvolňuje při reakci trikalciumsilikátu s vodou, se rozpouští poměrně dobře. Tím se snižuje voděodolnost cementu v důsledku vyluhování Ca(OH) 2 z cementového kamene. K zamezení tohoto destruktivního procesu je nutné vázat Ca(OH) 2 do ve vodě nerozpustné látky, což se daří pomocí hydraulických přísad – tripoli, opoka, diatomit atd. Obsahují aktivní oxid křemičitý, který snadno chemicky reaguje s oxidem hydratují vápník a tvoří těžko rozpustný hydrokřemičitan vápenatý