Способы формирования структуру и свойств цементного камня

При изучении особенностей гидратации клинкерных составляющих цемента было установлено, что все минералы, составляющие портландцемент, при взаимодействии с водой выделяют тепловую энергию.

В результате проводимых исследований характера процессов тепловыделения в начальные сроки гидратации цементного теста можно оценивать активность цемента и связывать полученные данные по тепловыделению с тонкостью помола и активностью входящих минералов, устанавливать индукционный период и его длительность, а также объяснять особенности твердения цементного камня. Такой подход позволяет в каждом случае быстро и четко определять возможность наиболее эффективного использования цемента в производстве бетонов разного назначения и свойств.

Кроме того, используя калориметрию можно выбрать наиболее эффективные добавки-ускорители и -замедлители твердения, оценить эффективность применения модификаторов структуры и т. д.

А.А. Пащенко, рассматривая получаемое при гидратации тепловыделение, предложил объяснение последовательности процессов, протекающих в цементном тесте сразу после затворения водой.

В начальный период при объединении воды и цемента происходит процесс смачивания поверхности цементных зерен, что сопровождается значительным выделением энергии, при этом в цементе с большим содержанием С3А энергия тепловыделения значительно выше, так как алюминатная фаза цемента одновременно с гидратационными процессами вступает в реакцию с гипсом, образуя эттрингит (рис. 4). Далее тепловыделение прекращается на время от 45 минут до нескольких часов, этот период называют индукционным (см. рис. 4).

Индукционный период устанавливается в результате блокировки зереналита мембранами из первичного гидросиликата, образовавшегося в начальный период смешивания цемента с водой. В дальнейшем через мембрану происходит ограниченное поступление воды в алитовые зерна, что вызывает гидролиз алита с выделением в жидкую фазу ионов кальция.

Кремнеземистый гель за счет поглощения поступающей воды постепенно накапливается под мембраной и увеличивается в объеме. В итоге значительно увеличившийся в объеме гидросиликатный гель разрушает мембрану и выходит в свободное
пространство между гидратирующимися зернами цемента.

Это пространство заполнено водным раствором, содержащим в некотором количестве алюминаты и алюмоферриты, но в большей степени раствор пересыщается ионами Са2+, в результате рН раствора достигает значений выше 12. В такой среде аморфный гель кремнезема, имея значительный отрицательный заряд, активно поглощает ионы кальция из жидкой фазы, образуя пересыщенные кальцием гидросиликаты. Этот процесс одновременно вызывает снижение рН жидкой фазы цементного теста и способствует формированию стабильных в сформировавшейся среде гидросиликатов кальция и установлению постоянного рН в системе.

Продолжающийся процесс гидратации цементных минералов, в первую очередь алита, а в дальнейшем и белита, способствует дополнительному выделению ионов кальция в жидкую фазу и образованию в поровом пространстве гидросиликатов кальция, а также свободного гидроксида кальция (Са (ОН)2) в виде кристаллов пластинчатого строения.

В среде с высоким содержанием гидроксида кальция цементный камень формируется из высокоосновных гидросиликатов кальция с отношением СаО/SiO2 ≥ 1,5, а при введении в цементное тесто активных кремнеземистых добавок рН жидкой фазы становится ниже 12. В результате цементный камень формируется из низкоосновных гидросиликатов кальция с отношением СаО/SiO2 ≤ 1,5, как правило, более стойких к различным воздействиям среды эксплуатации.

Получение структуры цементного камня с пониженной пористостью обеспечивают добавки-суперпластификаторы, позволяющие снизить В/Ц на 25–45 %. Сформировать структуру гидратных фаз предпочтительно из низкоосновных и стабильных гидратных фаз можно введением в цементное тесто добавок-модификаторов. Такими добавками являются в основном вещества, содержащие активный кремнезем: микрокремнезем, зола рисовой шелухи, золу сопропелей, доменные гранулированные шлаки и другими приемами.

Управлять скоростью твердения цементного камня и бетона можно разными способами, включающими использование добавок-ускорителей твердения, воздействие повышенных температур, введение суперпласти-фикаторов и, соответственно, снижение В/Ц, использование тонкомолотых цементов и других приемов.