Янкина Любовь

Контракция при твердении портландцемента.Её роль в формировании структуры цементного камня.

• Вместе с тем сравнение абсолютных объемов исходной системы и системы, возникшей при гидратации, позволяет отметить еще очень важное положение. Так, при реакции ЗСаО • А1203+6Н20 = ЗСаО • А1203+6Н20 абсолютный объем смеси алюмината кальция с водой составил 196,97 см3, а абсолютный объем гидроалюмииата оказался равным 150,11 см3. Следовательно, в результате реакции произошла контракция (стяжение) системы на 196,97—150,11 =46,86 см3, или на 23,79 %. Контракция наблюдается и у других веществ при их взаимодействии с водой, например при реакции трехкальциевого силиката с водой она достигает 9,14 %.

Ранее уже отмечалось, что при гидратации цементов вначале образуются гидросиликаты и гидроалюминаты кальция с повышенным содержанием воды, которые с течением времени переходят в гидраты с пониженным числом молекул воды. Так, образующийся при обычных температурах 2Ca0-SiO2-(2,5—4)Н20 переходит в 3CaO-2Si02-3H20, а 4СаО- А1203-13Н20 — в ЗСаО-АЬОз-бНгО и т. п. Этот переход сопровождается значительным уменьшением абсолютных объемов твердых фаз при одновременном выделении воды в жидком состоянии. Несомненно, такое явление приводит к снижению напряжений расширения в твердеющей системе. . Уменьшение объемов той или иной системы дано в миллилитрах на 100 г клинкерного минерала. Приведенные данные свидетельствуют о том, что наибольшая контракция в течение 28 сут характерна для систем, включающих трех-кальциевый алюминат и четырехкальциевый алюмофер-рит. Поэтому портлаидцемеиты, содержащие разные минералы, характеризуются разной контракцией при твердении.

По данным В. В. Некрасова и других, значения относительной контракции для обычных цементов достигают 5—8 мл на 100 г или в среднем 6—7 л на 100 кг цемента. Повышенными показателями контракции характеризуются цементы с увеличенным содержанием алюминатов и алюмоферритов кальция, а также более тонко измельченные. Показатели контракции с возрастанием водоцементного фактора, принятого при изготовлении бетона, значительно увеличиваются вследствие более интенсивной гидратации цемента.

Под влиянием контракции объем цементного камня должен бы уменьшиться, однако в действительности этого не происходит. В начале взаимодействия цемента с водой, когда тесто еще достаточно пластично и могло бы уменьшиться в объеме, контракция незначительна. В последующем с увеличением степени гидратации контракция возрастает, но объем затвердевшей системы не уменьшается. Вследствие этого результатом контракции является лишь увеличение пористости портландцемеит-. итого камня, которая через 28 сут твердения составляет обычно 4—7 % его объема. Это зависит от свойств цемента, а также в большой мере от исходного водоцемеит-.ного отношения.

При образовании пор в системе возникает вакуум, под влиянием которого они заполняются водой или воздухом в зависимости от условий твердения цементного камня или бетона. Иногда контракцию называют химической усадкой.

• Структура бетона образуется в результате затвердевания (схватывания) бетонной смеси и последующего твердения бетона. Определяющее влияние на ее формирование оказывают гидратация цемента, его схватывание и твердение.

Под структурой бетона мы подразумеваем сумму параметров характеризующих расположение в пространстве элементов каркаса цементного камня и частиц заполнителей, вид и свойства контактов кристаллов и коллоидных частиц в составе каркаса, а также данные о форме, размере и количестве пор или промежутков между частицами твердой фазы.

По современным воззрениям в начальный период при смешивании цемента с водой в процессе гидролиза трехкальциевого силиката выделяется гидрооксид кальция, образуя перенасыщенный раствор. В этом растворе также находятся ионы сульфата, гидрооксида, щелочей, а также небольшое количество кремнезема, глинозема и железа. Высокая концентрация гидрооксидов и сульфатов наблюдается непродолжительное время, так как уже через несколько минут из перенасыщенного раствора начинают выделяться новообразования – гидрооксид Ca – Ca(OH)2 и эттрингит 3CaOAl2O33CaSO431H2O или ГСАК.

Приблизительно через час наступает вторая стадия гидратации, для которой характерно образование мелких гидросиликатов кальция CSH. Так как в реакции участвуют только поверхностные слои частиц цемента, то размер частичек уменьшается незначительно. Вновь образовавшиеся гидратные фазы, называющиеся цементным гелем (гидросиликатным) характеризуются чрезвычайно тонкой гранулометрией. Но в первую очередь они появляются также на поверхности частиц. С увеличением количества новообразований и плотности их упаковки пограничный слой становится малопроницаемым для воды (2–6 часов).

Вторую стадию медленной гидратации называют «скрытым, или индукционным, периодом» гидратации цемента. В течение этого периода цементное тесто представляет собой плотную суспензию, стабилизированную действием флоккулообразующих сил, но силы притяжения между цементными частицами малы. Тесто приобретает связность и подвижность.

В течение скрытого периода происходит постепенное поглощение поверхностными оболочками цементных зерен воды, толщина прослоек между зернами уменьшается, постепенно понижается подвижность теста и бетонной смеси. В гелевых оболочках появляется осмотическое давление. Внутренние слои цементных зерен, реагируя с водой, стремятся расшириться. В результате наступает разрушение гелевых оболочек, отмечается доступ воды к внутренним слоям цементных зерен, ускоряется процесс гидратации.

Наступает 3-я стадия, характеризуемая началом кристаллизации Ca(OH)2 из раствора. Процесс этот происходит интенсивно так как в свободном пространстве между частицами цемента, заполненном первоначально только водой, происходит свободный рост частичек Ca(OH)2 и ГСАК в виде длинных волокон, которые образуются одновременно и как бы делят крупную пору на более тонкие с помощью волокнистых «мостков». Возникают пространственные связи, усиливающие сцепление между гидратными фазами и зернами цемента. С увеличением количества гидратных фаз между ними возникают непосредственные контакты, число их множится – цементное тесто схватывается и затвердевает, образуя цементный камень.

Образовавшаяся жесткая структура сначала является очень рыхлой, но постепенно она уплотняется: в заполненных водой порах непрерывно появляются новые гидратные фазы. Объем пор и их размеры уменьшаются, возрастает количество контактов кристаллов и коллоидных частиц, утолщаются и уплотняются гелевые оболочки на зернах цемента, срастающиеся в сплошной цементный гель с включением непрореагировавших частиц цемента. В результате возрастает прочность цементного камня и бетона

№ 46 (Анастасия Якшина)