Основные минералы цементного клинкера

Особенности химического и минералогического состава клинкера (клинкерного кирпича), а также его структуры

Клинкер представляет собой продукт натурального происхождения. В процессе его создания участвует огонь, вода и глина. Специальные сорта глины смешиваются с водой, а затем помещаются в шнековое устройство. После окончательного смешивания масса режется на необходимые размеры и помещается в специальную печь, где происходит процесс обжига.

Структура КК

Структура клинкера представляет собой соединение множества кристаллов разных размеров, между которыми находится промежуточное вещество. На нее непосредственно влияет количество содержащихся в его составе оксидов. В частности свободный оксид кальция допускается не более 1% от всей массы. Большее его значение свидетельствует о неправильном процессе обжига.

В небольшом количество (до 5%) разрешается содержание оксида магния. Эта нежелательная составляющая влияет на структуру конечного продукта, а также на его свойства.

Структура клинкера может содержать следующие компоненты:

• Алюминат 5-15%;
• Алит 40-60%;
• Белит 15-40%;
• Алюмоферрит 10-20%.

Про клинкер нормированного состава и иные разновидности поговорим ниже.

Следующее видео рассказывает о растворе для придания различных цветов клинкерном кирпичу:

Четыре главные фазы клинкера

Для возведения многоэтажных зданий требуется материал высокого качества. На свойства и характеристики цемента влияет объем и состав смесей, применяемых в процессе обжига. В клинкере обязательно должны присутствовать 4 компонента в определенных пропорциях.

В составе основного продукта, используемого для производства цемента, содержится силикат, представляющий собой смесь диоксида кремния и тройного объема оксида кальция. В клинкере его количество составляет не менее 52%. В кристаллической решетке алита вкраплены ионы:

• железа;
• алюминия;
• магния.

Силикат быстро вступает в реакцию с водой. Такое свойство минерала обеспечивает прочность клинкера на всех этапах нагревания и обжига.

Белит

В полуфабрикате цемента от 14% до 31% приходится на фазу, представляющую смесь диоксида кремния и двойного объема оксида кальция. Вещество не вступает в реакцию с водой, но спустя год приобретает такую же прочность, как и алит. В кристаллической решетке белита выявляют ионы разных металлов.

Алюминатная фаза

В гранулах цементного клинкера содержится силикат, в котором оксид алюминия смешан с тройным объемом оксида кальция. На эту фазу в продукте приходится не менее 4%, но и не более 11.В кристаллической решетке в небольшом количестве наблюдаются вкрапления ионов микроэлементов:

• железа;
• кремния;
• калия;
• натрия.

При взаимодействии с водой вещество быстро схватывается. Для предупреждения нежелательной реакции в смесь добавляют гипс.

Алюмоферритная фаза

В промежуточном продукте цемента обязательно присутствует еще один компонент, объем которого составляет 5% — 15%. Четырехкальциевый алюмоферрит может менять состав в зависимости от концентрации оксида железа и алюминия. Дополнительные компоненты и примеси, содержащиеся в продукте, на его прочность влияния не оказывают. Скорость взаимодействия фазы с водой уменьшают или увеличивают, используя разные соединения.

Составы клинкера

Состав клинкера подразделяется на химический и минералогический. Он влияет на свойства и технические характеристики конечного продукта.

Для начала поговорим про химический состав цементного и портландцементного клинкера.

Химический

Данный состав может колебаться в достаточно больших пределах. Его главными окислами, которые в сумме достигают до 97%, являются:

1. Окись кальция 64-66%;
2. Двуокись кремния 22-24%;
3. Окись железа 2-4%;
4. Окись алюминия 5-8%.

Химический анализ состава проводится по специальной методике, регламентированной стандарту ГОСТ в отношении клинкера.

• Чрезмерное содержание окиси кальция приводит к быстрому процессу твердения и повышению прочности, но при этом снижается коэффициент водоустойчивости.
• Замедление процесса твердения на начальных стадиях происходит в результате большого содержания кремнезема. При этом прочность материала нарастает стремительно именно на длительных сроках, а также увеличивается устойчивость к воздействию влаги.
• Повышенное количество глинозема в составе клинкера ухудшает его устойчивость к влаге и морозам.

Помимо них в небольшом количестве могут содержаться: окись хрома, марганца и магния, двуокись титана, щелочи и прочие химические компоненты.

Про минералогический (минеральный) состав портландцементного и иных типов клинкера, а также про влияние такого состава клинкера на свойства портландцемента и материалов поговорим ниже.

Минералогический и химический состав портландцементного клинкера. Свойство клинкерных минералов.

Глиноземистый цемент. Его свойства и характерные особенности.

По минеральному составу и техническим свойствам такой цемент сильно отличается от ПЦ. ГЦ – быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения клинкера, содержащего преимущественно низкоосновные алюминаты кальция. Однокальциевый алюминат CaO Al2O3определяет быстрое твердение и другие свойства ГЦ. В небольших количествах в нем также содержатся другие алюминаты кальция CaO 2Al2O3и алюмосиликат кальция – геленит 2CaO Al2O3 SiO2.Силикаты кальция представлены небольшим количеством белита. Для получения клинкера ГЦ сырьевую смесь, составляют известника CaCO3боксита Al2O3 nH2O.ГЦ обладает высокой прочностью если он твердеет при умеренной температуре. Замечательным свойством ГЦ является его необычно быстрое твердение, а сроки схватывания, почти такие же, как и ПЦ. Тепловыделение ГЦ при твердении примерно в 1,5 раза больше тепловыделения ПЦ. ГЦ применяют в специальных сооружениях, при спешных ремонтах и монтажных работах, для изготовления жаропрочных бетонов и растворов.Кроме того он входит в состав многих расширяющихся цементов.

Характерные особенности шлакопортландцемента и пуццоланового цемента.

Шлакопортландцемент и пуццолановый портландцемент, имеющие сходные физико-механические свойства, получают тонким измельчением портландцементного клинкера с повышенным количеством активных минеральных добавок. Различие этих цементов определяется видом добавки: пуццолановый портландцемент получают тонким измельчением клинкера с природной активной минеральной добавкой, а шлакопортландцемент с доменными гранулированными шлаками. Прочность шлакопортландцемента и пуццоланового портландцемента несколько ниже прочности обыкновенного портландцемента. Активные минеральные добавки состоят, из веществ, легко вступающих в химическое взаимодействие с Са (ОН)2 , при этом образуются гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, сходные по составу с продуктами гидратации клинкерных минералов и обладающие клеящей способностью. Замена наиболее дорогой части портландцемента — клинкера — природной добавкой или промышленными отходами — шлаками на 10-12% снижает стоимость цемента, что имеет большое экономическое значение. Портландцементы и шлакопортландцементы обладают повышенной водостойкостью и низким тепловыделением. Они медленно твердеют в начальной период (хотя к 28 сутками прочность их приближается к прочности обыкновенного портландцемента) и имеют несколько меньшую морозостойкость и воздухостойкость.

16. Классификация бетонов. Крупный и мелкий заполнители для бетонов, назначения, требования к качеству.

По плотности

· Особо тяжелый

более 2600 кг/м3 заполнители: стальные опилки или зерна железные руды или барит.

2100 – 2600 кг/м3, плотные заполнители: кварцевый песок, щебень или гравий из плотных каменных парод.

· Облегченный

1800 – 2000 кг/м3,(кирпичный щебень или крупнопористый).

Минералогический и химический состав портландцементного клинкера. Свойство клинкерных минералов.

Химический состав процентах по массе:CaO63 – 66,SiO₂ 21 – 24,Al₂O₃4 – 8, Fe₂O₃ 2 – 4,

· Алит 3CaO SiO₂ 45 – 60 % самый важный минерал клинкера, определяющий быстроту твердение, прочность

· Белит2CaO SiO₂20 – 30 % второй по важности и содержанию, медленно твердеет но достигает высокой прочности.

· Трехкальциевый алюминатC₃A 4 – 12 % очень быстро гидратируется и твердеет, но имеет небольшую прочность.

· Четырехкальциевый алюмоферритC₄AF 10 – 20 % занимает промежуточное положение между алитом и белитом.

11. Свойства портландцемента и методы их определения.

Тонкость помола цемента оценивается путем просеивания (сито №008 0,08 мм 85%массы)

Водопотребность цемента определяется количеством воды, которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты. Определяется прибором Вика, игла не доходит до пластины 5 – 7 мм. Водопотребность цемента 24 – 28 %.

Сроки сватыванияопределяютсяс помощью прибора Вика. Начало схатывания игла не доходит до пластины 1 – 2 мм, конец схатывания игла погружается на 1 – 2 мм.

Равномерность изменения объема. Причиной неравномерного изменения объема цементного камня являются местные деформации, вызванные расширением свободного CaOи периклазаMgOвследствии их гидратации. По стандарту изготовленные из теста нормальной густоты образцы — лепешки через 24 ч предварительного твердения выдерживаю в течение 3 ч в кипящей воде. Лепешки не должны деформироваться; на них не допускается радиальных трещин.

Активностьпортландцемента называют его придел прочности при осевом сжатии половины балочек, испытанных в возрасте 28 сут. Активность и марку ПЦ определяют испытанием стандартных образцов – призм размером 4х4х16 см, через 28 суток твердения.

Термохимические свойства ПЦ зависят от минерального состава клинкера и тонкости помола.

Режим обжига сырьевой смеси для производства цемента, процессы, происходящие при обжиге.

· Зона испарения 70 – 200 о С происходит высушивание сырьевой смеси.

· Зона подогрева 200 – 700 о С сгорают органические примеси, удаляется кристаллохимическая вода и образуется безводный каолинит Al₂O₃ 2SiO₂.

· Зона декарбонизации 700 – 1100 о С появляется значительное количество свободного оксида кальция. Термическая диссоциация CaCO₃ – это эндотермический процесс, идущий с большим поглощением теплоты. Происходит распад дегидратированных глинистых миниралов на оксиды (SiO₂ Al₂O₃, Fe₂O₃).

· Зона экзотермических реакций 1100 – 1250 о С происходят твердофазные реакции образования 3CaO Al₂O₃, 4CaO Al₂O₃ Fe₂O₃ и 2CaO SiO₂. Эти экзотермические реакции сопровождаются выделением большого количества тепла.

· Зона спекания 1300 – 1450 – 1300 о С частичное плавление материала и образование главного компонента минерала клинкера – алита.

· Зона охлаждения

Виды коррозии цементного камня и пути ее предотвращения.

Физическая коррозия.Выщелачивание Ca(OH)₂ происходит интенсивно при действии мягких вод, содержащих мало растворенных веществ (вода оборотного водоснабжения, конденсат, дождевая вода, вода горных рек, болотная вода). Для предотвращения ограничивают содержание алита до 50 %. Главным средством борьбы с выщелачиванием Ca(OH)₂ является введение в цемент активных минеральных добавок (диатомит, трепел, ) применение плотного бетона.

Химические коррозии:

· Углекислотная коррозия под действием воды содержащей свободный диоксид углерода, который разрушает CaCO₃

· Общекислотная коррозия — происходит под действием любых кислот, имеющих значение водородного показателя pH

Глиноземистый цемент. Его свойства и характерные особенности.

По минеральному составу и техническим свойствам такой цемент сильно отличается от ПЦ. ГЦ – быстротвердеющее и высокопрочное гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого измельчения клинкера, содержащего преимущественно низкоосновные алюминаты кальция. Однокальциевый алюминат CaO Al₂O₃определяет быстрое твердение и другие свойства ГЦ. В небольших количествах в нем также содержатся другие алюминаты кальция CaO 2Al₂O₃и алюмосиликат кальция – геленит 2CaO Al₂O₃ SiO₂.Силикаты кальция представлены небольшим количеством белита. Для получения клинкера ГЦ сырьевую смесь, составляют известника CaCO₃боксита Al₂O₃ nH₂O.ГЦ обладает высокой прочностью если он твердеет при умеренной температуре. Замечательным свойством ГЦ является его необычно быстрое твердение, а сроки схватывания, почти такие же, как и ПЦ. Тепловыделение ГЦ при твердении примерно в 1,5 раза больше тепловыделения ПЦ. ГЦ применяют в специальных сооружениях, при спешных ремонтах и монтажных работах, для изготовления жаропрочных бетонов и растворов.Кроме того он входит в состав многих расширяющихся цементов.

Характерные особенности шлакопортландцемента и пуццоланового цемента.

Шлакопортландцемент и пуццолановый портландцемент, имеющие сходные физико-механические свойства, получают тонким измельчением портландцементного клинкера с повышенным количеством активных минеральных добавок. Различие этих цементов определяется видом добавки: пуццолановый портландцемент получают тонким измельчением клинкера с природной активной минеральной добавкой, а шлакопортландцемент с доменными гранулированными шлаками. Прочность шлакопортландцемента и пуццоланового портландцемента несколько ниже прочности обыкновенного портландцемента. Активные минеральные добавки состоят, из веществ, легко вступающих в химическое взаимодействие с Са (ОН)₂ , при этом образуются гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, сходные по составу с продуктами гидратации клинкерных минералов и обладающие клеящей способностью. Замена наиболее дорогой части портландцемента — клинкера — природной добавкой или промышленными отходами — шлаками на 10-12% снижает стоимость цемента, что имеет большое экономическое значение. Портландцементы и шлакопортландцементы обладают повышенной водостойкостью и низким тепловыделением. Они медленно твердеют в начальной период (хотя к 28 сутками прочность их приближается к прочности обыкновенного портландцемента) и имеют несколько меньшую морозостойкость и воздухостойкость.

16. Классификация бетонов. Крупный и мелкий заполнители для бетонов, назначения, требования к качеству.

По плотности

· Особо тяжелый более 2600 кг/м 3 заполнители: стальные опилки или зерна железные руды или барит.

· Тяжелый 2100 – 2600 кг/м 3 , плотные заполнители: кварцевый песок, щебень или гравий из плотных каменных парод.

· Облегченный 1800 – 2000 кг/м 3 ,(кирпичный щебень или крупнопористый).

· Легкий 1200 – 1800 кг/м 3 ,(шлак, пемза, туф).

· Особо легкий менее 1200кг/м 3 , пенобетон, газобетон.

По виду вяжущих веществ: цементный, цементно – полимерный, силикатный, шлакощелочной и др.

В зависимости от применения: обычный, гидротехнический, для стен зданий, для полов, тротуаров, дорожных и аэродромных покрытий, специального назначения.

Для обычных ЖБК должны иметь заданную прочность, для сооружений на открытом воздухе важна морозостойкость.

Для гидротехнических сооружений: высокая плотность, водонепроницаемость, морозостойкость, прочность, малая усадка, малым выделением теплоты, стойкостью против выщелачивающего действия, стойкость к минерализованных вод.

Для стен отапливаемых зданий: небольшую плотность и теплопроводность, прочность в соответствии с расчетом.

Ко всем бетонам и бетонным смесям: до затвердения бетонные смеси должны легко перемешиваться, транспортироваться и укладываться, не расслаиваться , бетон должен иметь определенную скорость твердения, расход цемента должен быть минемальным.

17. Основной закон прочности бетона формула Баломея – Скрамтаева.

Цемент при твердении химически связывает не более 20-25% воды от своей массы. Фактически же для обеспечения необходимой подвижности бетонной смеси берут 40-80% воды. Вода необходима также для смачивания поверхности песка и крупного заполнителя. Свободная, химически не связанная вода образует в бетоне поры. Чем больше пор, тем ниже будет прочность бетона.

На практике при подборе состава бетона пользуются линейной зависимостью:

R_б = А R_ц (Ц/В b) (формула И.Боломея-Б.Г.Скрамтаева),

где: R_б — прочность бетона, R_{ц —} марка (активность) цемента, В/Ц — водоцементное отношение,

где А — коэффициент, учитывающий качество заполнителей (0,65; 0,6 и 0,55), b — постоянный коэффициент (для Ц/В =1,4-2,5 b=-0,5, а для Ц/В=2,5-3,3 b=+0,5). Бетоны с высоким цементно-водным отношением относятся к высокопрочным бетонам.

Цементный клинкер — Cement clinker

Цементный клинкер — это твердый материал, получаемый при производстве портландцемента в качестве промежуточного продукта. Клинкер встречается в виде комков или конкреций, обычно от 3 миллиметров (0,12 дюйма) до 25 миллиметров (0,98 дюйма) в диаметре. Его получают путем спекания (сплавления без плавления до точки разжижения) известняка и алюмосиликатных материалов, таких как глина, на стадии цементной печи .

СОДЕРЖАНИЕ

• 1 Состав и подготовка
• 2 использования
• 3 Добавки для измельчения клинкера
• 4 Гидратация минералов клинкера
• 5 Вклад в глобальное потепление
• 6 См. Также
• 7 ссылки

Состав и подготовка

Портлендский клинкер по существу состоит из четырех минеральных фаз: двух силикатов кальция , алита (Ca ₃ Si) и белита (Ca ₂ Si), а также трехкальциевого алюмината (Ca ₃ Al) и алюмоферрита кальция (Ca ₄ AlFe). Эти основные минеральные фазы получают нагреванием при высокой температуре глин и известняка .

Клинкер из портландцемента получают путем нагрева однородной смеси сырья во вращающейся печи при высокой температуре. Продукты химической реакции объединяются при температуре спекания около 1450 ° C (2640 ° F). Оксид алюминия и оксид железа присутствуют только в качестве потока для снижения температуры спекания и мало способствуют цементной прочности . Для специальных цементов, таких как низкотемпературные (LH) и сульфатостойкие (SR) типы, необходимо ограничивать количество образующегося трикальцийалюмината . Основным сырьем для производства клинкера обычно является известняк, смешанный со вторым материалом, содержащим глину в качестве источника алюмосиликата. Можно использовать нечистый известняк, содержащий глину или диоксид кремния (SiO ₂ ). Содержание карбоната кальция (CaCO ₃ ) в этих известняках может составлять всего 80 мас.% . Второй сырьевой материал (материалы в сырьевой смеси, кроме известняка) зависит от чистоты известняка. Некоторые из вторичных сырьевых материалов: глина, сланец , песок , железная руда , бокситы , летучая зола и шлак . Клинкер и его реакции гидратации охарактеризованы и подробно изучены многими методами, включая калориметрию , определение прочности , дифракцию рентгеновских лучей , сканирующую электронную микроскопию и атомно-силовую микроскопию .

Использует

Клинкер из портландцемента (сокращенно k в европейских нормах) измельчают до мелкого порошка и используют в качестве связующего во многих цементных изделиях. Необходимо добавить немного гипса (менее 5 мас.%), Чтобы избежать мгновенного схватывания трикальцийалюмината (Ca ₃ Al ₂ O ₆ ), наиболее реакционной минеральной фазы (экзотермическая реакция гидратации) в портланд-клинкере. Его также можно комбинировать с другими активными ингредиентами или добавками к цементу для производства других типов цемента, в том числе в соответствии с европейским стандартом EN 197-1:

• CEM I: чистый портландцемент (обычный портландцемент, OPC)
• CEM II: композитные цементы с ограниченным добавлением известнякового наполнителя или доменного шлака (BFS)
• CEM III: доменные цементы BFS-OPC
• CEM IV: пуццолановые цементы
• CEM V: композитные цементы (с большими добавками BFS, летучей золы или микрокремнезема )

Клинкер при хранении в сухих условиях может храниться несколько месяцев без заметной потери качества. Из-за этого, а также из-за того, что с ним легко работать с помощью обычного оборудования для обработки минералов, клинкер продается в больших количествах на международном уровне. Производители цемента, покупающие клинкер, обычно измельчают его в качестве добавки к собственному клинкеру на своих цементных заводах. Производители также отправляют клинкер на помольные предприятия в регионах, где сырье для производства цемента недоступно.

Добавки для измельчения клинкера

Гипс добавляется в клинкер в первую очередь в качестве добавки, предотвращающей схватывание цемента, но он также очень эффективен для облегчения измельчения клинкера, предотвращая агломерацию и покрытие порошка на поверхности шаров и стенок мельницы .

Органические соединения также часто добавляют в качестве вспомогательных средств измельчения, чтобы избежать агломерации порошка. Триэтаноламин (ТЭА) обычно используется в количестве 0,1 мас. % и оказался очень эффективным. Иногда используются другие добавки, такие как этиленгликоль , олеиновая кислота и додецилбензолсульфонат.

Гидратация клинкерных минералов

При добавлении воды минералы клинкера реагируют с образованием различных типов гидратов и затвердевают в виде гидратированного цементного теста. В силиката кальция гидраты (CSH) (гидраты алита и белит минералов) представляют собой основные «клей» компоненты затвердевшего цементного теста. После первоначального схватывания гидратированная паста продолжает затвердевать и приобретать механическую прочность . Первые 28 дней — самые критические для затвердевания цемента. Цемент не сохнет, но говорят, что цемент схватывается и твердеет. Цемент представляет собой гидравлическое вяжущее, для гидратации которого требуется вода. Прекрасно садится под воду. Вода необходима для его затвердевания, и необходимо избегать потерь воды в молодом возрасте бетона, чтобы избежать развития трещин. Стадия защиты молодого бетона от высыхания из-за испарения воды — это отверждение.

Вклад в глобальное потепление

По состоянию на 2018 год на производство цемента приходилось около 8% всех выбросов углерода во всем мире, что в значительной степени способствовало глобальному потеплению . Большая часть этих выбросов была произведена в процессе производства клинкера.

Основные минералы цементного клинкера

Вяжущие свойства портландцемента обусловлены особенностями химических соединений, входящих в состав клинкера. По химическому составу клинкер представлен следующими соединениями.

При обжиге до спекания эти вещества, соединяясь в различных соотношениях, образуют силикаты и алюминаты кальция, которые входят в состав клинкера в виде минералов кристаллической структуры. Некоторая их часть находится в стекловидном состоянии.

Основные минералы клинкера — алит и белит (силикаты кальция), а также трехкальциевый алюминат и алюмоферрит кальция (алюминаты кальция).

Алит— основной минерал клинкера. Его химическая формула 3Ca0-Si02, сокращенно C3S*. Алита в клинкере содержится 45…60%, т. е. больше, чем любого другого минерала. Алит отличается быстрым твердением и большой прочностью.

Названия искусственных минералов клинкера — алит и белит — образованы от греческого слова «литое» (камень) с прибавлением начальных букв латинского алфавита А и В. Суммарное содержание этих минералов — силикатов кальция — составляет в клинкере портландцемента около 75%. Поэтому его называют иногда силикатным цементом в отличие от алюминатных цементов, например глиноземистого, в клинкерной части которых преобладают не силикаты, а алюминаты кальция.

По этим характеристикам можно составить представление о том, как влияет количественное соотношение между минералами в клинкере на свойства цемента. Так, для получения быстротвердеющего цемента надо увелйчить содержание в клинкере наиболее быстротвердеющих соединений, т. е. C3S и С3А. Такой цемент одновременно обладает и большим тепловыделением. Свойство быстрого твердения используют при производстве сборного железобетона на заводах, где важно сократить длительность технологического цикла. Бетон, изготовленный на цементе с высоким содержанием C3S и С3А, можно применять для работ в зимнее время: из-за большого тепловыделения цемента конструкция медленно остывает даже на морозе и бетон набирает достаточно высокую прочность.

При бетонировании массивных конструкций важно предотвратить излишний саморазогрев бетона, который может вызвать его растрескивание. В этом случае применяют цемент с низким тепловыделением, т. е. относительно малым содержанием C3S и С3А.

Для получения морозостойких бетонов ограничивают в клинкере содержание С3А. Кроме того, нормируют минеральный состав клинкера, чтобы повысить стойкость цементов против химической коррозии.

Помимо указанных основных соединений в клинкере присутствуют свободный кристаллический оксид магния MgO (минерал периклаз), а также оксиды калия и натрия. Высокое содержание периклаза (более 5%), особенно в виде крупных кристаллов, представляет большую опасность. При взаимодействии с водой MgO увеличивается в объеме. Если эта реакция происходит в затвердевшем цементном камне, то возникают большие внутренние напряжения, что приводит к растрескиванию бетона.

Минералы цементного клинкера способны энергично взаимодействовать с водой, образуя гидратные соединения. Клинкерные минералы растворяются в воде в большей или меньшей степени, а продукты гидратации цемента (так называемые новообразования или кристаллогидраты) в воде практически нерастворимы. В противном случае отвердевшие цемент или бетон не были бы водостойкими.

Процесс твердения цемента в соответствии с теорией твердения вяжущих, разработанной академиком А. А. Байковым, условно разделяется на три периода: подготовительный, коллоидации и кристаллизации.

В подготовительном периоде частицы цемента смачиваются водой и растворяются с поверхности; со временем образуется насыщенный раствор. В этот период, длящийся 1…3ч, цементное тесто пластично и легко поддается формованию.

В период коллоидации концентрация гид-ратных новообразований в растворе возрастает. Новообразования обладают гораздо меньшей растворимостью в воде, чем исходные безводные соединения. Поэтому раствор, насыщенный по отношению к исходным соединениям, является пересыщенным по отношению к новообразованиям. Гидратные новообразования в виде мельчайших коллоидных частичек — субмикрокристаллов — выделяются из раствора, образуя цементный гель.

Возникновение большого количества геля приводит к загустеванию цементного теста, которое утрачивает пластичность. Момент загустевания (схватывания) цементного теста наступает через 3…5 ч после затворения цемента водой. Прочность загустевшего теста в этот период еще невелика.

Период кристаллизации характеризуется дальнейшей гидратацией цемента. Образующийся гель постепенно преобразуется в кристаллические сростки. Число и поверхность контактов в кристаллах новообразований увеличивается, что приводит к заметному росту прочности цементного камня. Твердение цемента и материалов на его основе—бетона, строительного раствора при благоприятных условиях может продолжаться несколько лет.

Новообразования, формирующие кристаллический сросток в цементном камне, возникают в результате химических реакций гидролиза и гидратации минералов цементного клинкера. Гидролиз характеризуется расщеплением минералов, а при гидратации идет лишь присоединение воды к исходному минералу.

Алит C3S и белит C2S при взаимодействии с водой подвергаются гидролизу. В результате реакций возникает соединение 3Ca0-2Si02-3H20, в состав которого входит химически связанная вода. Важно отметить, что это соединение (гидросиликат кальция), как и другие продукты гидратации цемента, представляют собой твердые вещества. Их называют кристаллогидратами.

Кроме гидросиликатов кальция при гидролизе элита и белита образуется значительное количество гид-роксида кальция Са(ОН)г. Это обстоятельство имеет большое значение для формирования многих свойств затвердевшего цемента, о чем будет сказано ниже.

Чтобы замедлить схватывание цемента, вводят в его состав гипсовый камень CaS04-2H20, который связывает алюминат кальция. Так продолжается до тех пор, пока не будет израсходован весь гипс.

Таким образом, в результате взаимодействия цемента с водой получаются новые соединения, в состав которых входит химически связанная вода: гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция, а также гидроксид кальция. Они и обусловливают формирование прочной структуры твердеющего цемента.

Ниже приведены наиболее важные выводы из рассмотренного процесса твердения портландцемента.

Все химические реакции взаимодействия клинкерных минералов с водой — экзотермические, т.е. сопровождаются выделением теплоты. Экзотермия цемента может рассматриваться и как положительное явление (например, при зимнем бетонировании), и как отрицательное (при бетонировании массивных конструкций или производстве работ в жаркую сухую погоду).

Один из продуктов взаимодействия силикатных минералов (алита и белита) с водой — гидроксид кальция. Это значит, что в результате твердения в цементном камне всегда возникает щелочная среда.

Данное явление также имеет свои плюсы и минусы. В щелочной среде, как известно, не происходит коррозии железа. Поэтому бетоны на портландцементе (и его разновидностях) хорошо защищают стальную арматуру от коррозии. Это одно из основных условий долговечности железобетона.

С другой стороны, Са(ОН)2 сравнительно легко подвергается коррозии в агрессивных средах и даже может вымываться водой. Поэтому для повышения стойкости бетона к коррозии приходится вводить в цемент особые добавки, связывающие Са(ОН)2 в более стойкие- соединения. Таким путем получают, например, пуццолановый портландцемент.

Затворение цементного порошка водой — это необходимое условие образования прочного цементного камня, но избыточное количество воды не увеличивает, а уменьшает его прочность. Это вызвано тем, что цемент способен химически связывать не любое, а строго ограниченное количество воды — максимум 25…30% (считая от массы сухого цемента). Химически связанная вода входит в состав твердой фазы — новообразований цементного камня. Эти новообразования и формируют (синтезируют) прочность цемента.

Вся остальная вода, содержащаяся в цементном тесте или камне, остается в жидком состоянии. Впоследствии, при высыхании бетона, вода испаряется, в результате чего в структуре цементного камня образуется система тончайших пор. Чем больше введено при затворении воды, тем большей окажется пористость и, следовательно, ниже прочность и стойкость цементного камня и бетона.