// //
Дом arrow Научная литература arrow ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СХВАТЫВАНИЯ  И ТВЕРДЕНИЯ arrow Структура цементного камня
Структура цементного камня
8.3. Структура цементного камня

Структура цементного камня в значительной степени определяется механизмом его гидратации. В результате взаимодействия цемента с водой образуются «внутренние» продукты гидратации в пространстве, первоначально занятом цементными зернами, и «внешние» продукты гидратации, заполняющие пространство, первоначально занятое водой.

Количество внутреннего гидросиликата кальция намного больше, чем внешнего С—S—Н. Внутренний гидросиликат получается в результате топохимической гидратации алита и белита, т. е. путем непосредственного присоединения воды к твердой фазе. Внутренний гидросиликат имеет тонкую и плотную структуру; отношение CaO/SiO2 может быть от 0,5 до больших величин по Тейлору.       

Внешние продукты гидратации образуются через растворение вне зерен цемента и состоят из небольшого количества внешнего гидросиликата, крупных кристаллов Са(ОН)2 и эттрингита. Частицы геля гидросиликата (сг аллиты) представляют собой субмикрокристаллические тонкие пластинки (фольгу) из двух-трех структурных слоев; толщина каждого слоя примерно 0,6 нм, диаметр частицы менее 10 нм. Следовательно, твердая фаза в гидратированном цементе находится в тонкодисперсном состоянии. Удельная поверхность портландцемента составляет 0,3—0,45 м2/г; в процессе гидратации удельная поверхность твердой фазы возрастает в 100—200 раз. Например, удельная поверхность цементного камня, изготовленного с водоцементным отношением 0,6, после 512 сут твердения при 100 %-ной влажности была равна 782 м2/г (при гидратации 91 % цемента).

В. Н. Юнг ввел представление о цементном камне как «микробетоне», состоящем из гелевых и кристаллических продуктов гидратации цемента и многочисленных включений в виде негидратированных зерен клинкера. Основная масса новообразований при взаимодействий цемента с водой получается в виде гелевидной массы, состоящей в основном из субмикрокристаллических частичек гидросиликата кальция. Гелеподобная масса пронизана относительно крупными кристаллами Са(ОН)2. Такое своеобразное «комбинированное» строение предопределяет специфические свойства цементного камня, резко отличающиеся от свойств других материалов: металлов, стекла, гранита и т. п. Например, с наличием гелевой составляющей связана усадка цементного камня при твердении на воздухе и набухание в воде, особенности работы под нагрузкой и другие свойства.

Цементный камень включает: 1) продукты, гидратации цемента: а) гель гидросиликата кальция и другие новообразования1, обладающие свойствами коллоидов; б) относительно крупные кристаллы Са(ОН)2 и эттрингита; 2) непрореагировазшие зерна клинкера, содержание которых уменьшается по мере гидратации цемента; 3) поры: а) поры геля (менее 0,1 мкм); б) капиллярные поры (от 0,1 до 10 мкм), расположенные между агрегатами частиц геля; в) воздушные поры (от 50 мкм до 2 мм), заполненные воздухом, засосанным вследствие вакуума, вызванного контракцией, либо вовлеченным при добавлении специальных воздухозовлекающих веществ, повышающих морозостойкость.

Классификация пор геля по размерам дана Р. Кондо и М. Даймоном (размер пор в данной классификации характеризуется половиной гидравлического радиуса): 1) очень мелкие поры, пронизывающие частицы геля: межкристаллитные размером менее 0,6 нм, а внутрикристаллитные до 16 нм; 2) более крупные поры между частицами геля — до 0,1 мкм. Все эти поры структурно присущи цементному гелю, т. е. в геле всегда есть поры, поскольку он является дисперсной системой, состоящей из частиц коллоидного уровня и их агрегатов, разделенных поровым пространством. В зависимости от состава цемента, начального количества воды и технологии пористость геля может составлять 28—40 % объема геля, причем около 1/4-1/3 пористости (т. е. 7—12 %) приходится на долю контракционного объема. Пористая структура геля как самого важного продукта гидратации цемента оказывает влияние на механические свойства, проницаемость и морозостойкость цементного камня; при этом следует учитывать особые физические свойства пор геля, обусловленные их малыми размерами.

Контракция (стяжение) — это явление уменьшения абсолютного объема системы .(цемент + вода) в процессе гидратации. Для примера рассмотрим систему:

ЗСаО- А12О3 + 6Н2О = ЗСаО-А12О3-6Н2О.

Абсолютный объем реагирующих веществ — СзА и воды — составит 196,97 см3, а объем гидроалюмината только 150,11 см3. Следовательно, контракция в данном примере составила 46,86 см3. Поскольку контракция почти не уменьшает внешний объем системы, ее следствием является образование в гидратированном цементе контракционного объема. В цементном камне и бетоне возникает вакуум, под влиянием которого эти поры заполняются водой или воздухом в зависимости от среды, в которой твердеет цементное тесто. Контракция для обычных портландцементов, затворенных водой после 28 сут твердения составляет 6—8 л на 100 кг цемента, т. е. в 1 м3 бетона с расходом вяжущего 300 кг/м3 контракционный объем занимает 18—24 л.

Каждому минералу цемента свойственна контракция; она начинается после его смешения с водой и достигает максимума при полной гидратации. Самая большая контракция происходит при гидратации трехкальциевого алюмината (более 15 %); она может быть причиной внутренних напряжений в цементном камне. Двуводный гипс, добавляемый при помоле клинкера, выравнивает контракцию, так как в химической реакции образования эттрингита из СзА, гипса и воды контракция составляет лишь 6,14 %.

Поры геля представляют собой микропоры менее 0,1 мкм. Вода, заполняющая поры геля (сокращенно «вода геля»), имеет с твердой фазой физико-химическую связь, так как адсорбционный полимолекулярный слой воды имеет толщину до 0,15 мкм. Вода геля замерзает при низкой температуре (по некоторым данным при —78 °С) и не переходит в лед даже при сильных морозах. Следовательно, поры геля не сказываются отрицательно на морозостойкости цементного камня и бетона. Вода, адсорбированная в порах, уменьшает живое сечение и без того малых гелевых пор, поэтому водопроницаемость цементного геля весьма мала. Часть воды затворения, не уместившейся в порах геля, располагается вне геля и образует капиллярные поры. Капиллярные поры имеют больший эффективный диаметр, чем поры геля, и доступны для воды при обычных условиях насыщения. При значительном объеме капиллярных пор, пронизывающих цементный камень, бетон имеет низкую морозостойкость  и большую проницаемость, плохо сопротивляется химической коррозии и не защищает надежно стальную арматуру.   

Вода является активным элементом структуры цементного камня, участвующим в образовании гидратных соединений и формировании пор. Пористость цементного камня зависит не только от начального водоцементного отношения, но и от форм связи воды с твердой фазой.

          Согласно классификации П. А. Ребиндера, построенной по принципу интенсивности энергии связи, выделяют три формы связи воды в цементном камне: химическая связь является наиболее сильной. Химически связанная вода удаляется при прокаливании. Количество химически связанной воды обычно выражают в % или долях от массы цемента; физико-химическая связь характерна для адсорбционно связанной воды, находящейся в порах цементного геля; связь эта нарушается при высушивании; физико-механическая связь — в данном случае капиллярное давление — обусловливает удержание воды в капиллярных порах цементного камня. Адсорбционно связанная и капиллярная вода, удаляемая при высушивании, называется еще испаряемой. Потери при прокаливании высушенной пробы цементного камня определяют химически связанную (неиспаряемую) воду.

В порах цементного камня обычно присутствует жидкая фаза, которая представляет собой водные растворы щелочей, прежде всего Са(ОН)2. Это обусловливает отсутствие коррозии стальной арматуры в цементном бетоне при достаточной концентрации раствора Са(ОН)2 вследствие «пассивирующего» действия щелочи по отношению к стали.

 

Контакты

115419, г. Москва, ул. Шаболовка, д. 34, стр. 3.



Просьба заранее предупредить о приезде, т.к. специалисты распределены по объектам




info@masterbetonov.ru




ООО «Стройсервис» работает на рынке строительного производства c 1992 года.
Основной ценностью для нашей компании являются клиенты, поскольку единственный реальный актив компании — это люди, удовлетворенные нашей работой, которые еще раз захотят воспользоваться нашими услугами. Мы стремимся сделать своих клиентов своими партнерами.