Гидратация цемента — химическая реакция клинкерных составляющих цемента с водой (присоединение воды), причем образуются твердые новообразования (гидраты), которые заполняют первоначально залитый цементом и водой объём плотным наслоением гелевых частиц, вызывая тем самым упрочнение. Первоначально жидкий или пластичный, цементный клей превращается в результате гидратации в цементный камень. Первая стадия этого процесса называется загустеванием, или схватыванием, дальнейшая — упрочнением, или твердением.

Гидратация как пространственный процесс

Цементные частицы в виде дробленых зерен окружены водой затворения, объём которой относительно велик (50—70 объёмных процентов). Этот объём заполняется новообразованиями, чтобы возникла прочная структура (цементный камень). Благодаря химическим реакциям с водой уже через несколько минут как на поверхности зерен, так и в воде возникают иглообразные кристаллы. Через 6 часов образуется уже так много кристаллов, что между цементными зернами возникают пространственные связи. Через 8—10 часов весь объём между постепенно уменьшающимися зернами цемента заполнен скелетом иглообразных кристаллов. Его также называют «алюминатной структурой», так как он возникает из 3CaO*Al₂O₃. Будучи до сих пор пластичной, масса начинает застывать, при этом происходит быстрое нарастание прочности. В оставшихся пустотах возникают одновременно (но поначалу не слишком интенсивно) продукты гидратации клинкерных минералов 2(3CaO*SiO₂) и 2(2CaO*SiO₂). Последние образуют гомогенный чрезвычайно тонкопористый ворс из малых кристаллов (так называемую "силикатную структуру"). Значение этой структуры вce более увеличивается. Она становится носителем прочности цементного камня и приблизительно через сутки начинает вытеснять алюминатную структуру. Через 28 суток (обычный срок испытания цемента и бетона) обнаруживается только силикатная структура.

Возникновение продуктов гидратации рассматривают как гелеобразование, а продукты гидратации — как гель. Скорость, с котором протекают эти процессы, зависит от:

• крупности цементных зерен (толщины помола цемента);
• минерального состава клинкера цемента;
• количества воды, которым замешивается цемент;
• температуры гидратации;
• введения добавок

Для полной гидратации цементного зерна необходимо присутствие 0,4-кратного (по массе) количества воды. Из неё только 60 % (то есть 0,25 массы цемента) связывается химически. Остальные 40 % исходной воды остаются слабо связанными в порах геля. Размер гелевых пор около 3-10 мм. Их образование неизбежно, именно они определяют тонко-пористое строение гелевой массы.

Гидратация как химический процесс

Безводные минералы клинкера при реакции с водой превращаются в гидросиликаты, гидроаллюминаты и гидроферраты кальция.

3CaO*SiO₂+H₂O -> 3Ca₂SiO₄*H₂O+Ca(OH)₂ +502 Дж/г

Ca₂SiO₄+H₂O -> Ca₂SiO₄*H₂O +206 Дж/г

3CaO*Al₂O₃+6H₂O -> 3CaO*Al₂O₃*6H₂O +867 Дж/г

Образовавшийся Ca(OH)₂ под действием CO₂ воздуха постепенно превращается в CaCO₃, гидроаллюминаты кальция с гипсом в присутствии воды дают двойные основные сульфаты, например Ca₆Al₂(OH)₁₂(SO₄)₃*26H₂O и Ca₄Al₂(OH)₁₂SO₄*6H₂O При получении бетона образовавшийся Ca(OH)₂ с CO₂ воздуха и SiO₂ превращается в очень прочную массу, состоящую из карбонатов и силикатов кальция.

Литература

Райхель В., Конрад Д. Бетон: В 2-х ч. Ч. 1. Свойства. Проектирование. Испытание. — М.: М.: Стройиздат, 1979. С. 33.Пер. с нем./Под ред. В. Б. Ратинова.

Ссылки