Hydrering av cement

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 5 mars 2017; kontroller kräver 8 redigeringar .

Cementhydrering  är den kemiska reaktionen mellan cement och vatten för att bilda kristallina hydrater . [2] Under hydreringsprocessen förvandlas flytande eller plastcementlim till en cementsten. Det första steget i denna process kallas förtjockning, eller härdning, det andra - härdning eller härdning. [3]

Kemiska reaktioner

Vattenfria klinkermineraler , när de reagerar med vatten, omvandlas till hydrosilikater, hydroaluminater och kalciumhydroferrater. Alla reaktioner är exotermiska , det vill säga de fortsätter med frigöring av värme. Hydratiseringshastigheten påverkas av: graden av malning av cement och dess mineralsammansättning, mängden vatten med vilken cement blandas, temperatur, införandet av tillsatser. [5] Hydratiseringsgraden beror på vatten-cementförhållandet och når sitt maximala värde först efter 1-5 år. [6] [~ 1] Hydratiseringsgraden bestäms på olika sätt: av mängden Ca(OH) 2 , genom värmeavgivning, av cementpastans specifika vikt, av mängden kemiskt bundet vatten, av mängd icke-hydratiserat cement, [~ 2] eller indirekt av hållfasthetsindikatorer cementsten. [7] Hydrationsprodukter varierar i styrka. De huvudsakliga hållfasthetsbärarna är kalciumhydrosilikater. [6] I processen för hydratisering av C 3 S- och C 2 S-klinker bildas, förutom kalciumhydrosilikater, släckt kalk Ca(OH) 2 , som blir kvar i cementstenen och förhindrar stålkorrosion inuti cementstenen. [åtta]

Reaktionsekvationerna för de fyra huvudsakliga klinkermineralerna är följande [9] :

För trikalciumsilikat (förkortat ):

j / g

För dikalciumsilikat (förkortat ):

j/g

För trikalciumaluminat (förkortat ):

j/g

För tetrakalciumaluminoferrit (förkortat ):

j/g

Ändringar i fysiska egenskaper

Vid blandning av cement och vatten omges cementpartiklar av vatten, vilket utgör 50-70 volymprocent av blandningen. Som ett resultat av den kemiska reaktionen av hydratisering börjar bildandet av nålformade kristaller. Efter 6 timmar bildas en tillräcklig mängd kristaller och rumsliga bindningar bildas mellan cementpartiklarna. Så uppstår förtjockningen (sättningen) av cementblandningen. [3] Härdningsprocessen tillhandahålls troligen av den selektiva hydratiseringen av klinkermineralerna C 3 A och C 3 S, samt utvecklingen av skal runt cementkornen och den ömsesidiga koaguleringen av beståndsdelarna i cementpastan. [11] Efter 8–10 timmar fylls volymen av cementblandningen med ett skelett av nålformade kristaller, huvudsakligen bildade av produkterna från hydratisering av C 3 A-aluminater; därför kallas denna struktur aluminat. Från detta ögonblick börjar stelning och hållfasthetsutveckling , vilket är förknippat med bildandet av en silikatstruktur som bildas under hydratiseringen av C 3 S- och C 2 S-klinkermineralerna . Reaktionen av silikater och vatten resulterar i mycket små kristaller som kombineras till en homogen finporös struktur, som bestämmer den slutliga styrkan av cementsten. Efter ungefär ett dygn börjar silikatstrukturen tränga undan aluminatstrukturen och efter 28 dagar förskjuter den den helt. [5] I praktiken påverkar bildningen av en lös aluminatstruktur från kalciumhydrosilikat under härdning cementstenens hållfasthetsegenskaper negativt. Därför införs gips i cementklinker , vars mängd begränsas av den tillåtna koncentrationen av svavelsyraanhydrid SO 3 i cement i vikt. [~ 3] Gipstillsatsen bromsar bildningen av kalciumhydroaluminat och ramverket för den hydratiserade cementpastan bildas av kalciumhydrosilikat. [elva]

Hydratiseringen av cement under härdningsperioden kännetecknas av frigöring av värme: i början av härdningen sker en snabb temperaturökning och i slutet av härdningen observeras ett temperaturmaximum. Inställningshastigheten beror på den omgivande temperaturen. Vid låga temperaturer saktar inställningen ner. När temperaturen stiger ökar inställningshastigheten, men vid temperaturer över 30 °C kan motsatt effekt observeras. [elva]

För fullständig hydratisering av cementkornet är mängden vatten som krävs 40% av dess massa. I detta fall, av den specificerade mängden vatten, kommer 60 % (eller 25 viktprocent cement) att bindas kemiskt med cement, och 40 % (eller 15 viktprocent cement) kommer att finnas kvar i geléns porer . [12] Medelvärdet för den specifika vikten för hydratiseringsprodukterna i vattenmättat tillstånd är 2,16. [13] Den del av vattnet (25 % av cementmassan), som går in i en kemisk reaktion med cement, genomgår volymkontraktion ( kompression) under reaktionen, vilket är ungefär 25 % av dess volym. Som ett resultat reduceras den resulterande cementstenen delvis i volym. Denna process kallas krympning, och mängden volymreduktion kallas krympningsvolym. [12]

Med fullständig hydratisering av cementlimmet kommer porvolymen att vara cirka 28 [15] –30 [12]  % av volymen av den resulterande gelstrukturen. Samtidigt beror värdet på gelporositet inte huvudsakligen på blandningens vatten-cementförhållande och graden av hydratisering, utan är en karakteristisk indikator för cementmärket. [16] Storleken på gelporerna är cirka 1,5-2 [15] (1-3 [17] ) nm i diameter. [~ 4] Den del av den totala volymen av cementpastan som inte är fylld med hydratiseringsprodukter bildar ett sammankopplat system av kapillärporer som är slumpmässigt fördelade genom cementstenen. Den kapillära porositeten hos cementsten är direkt beroende av vatten-cementförhållandet i blandningen och omvänt beroende på graden av hydratisering. Ju större vatten-cement-förhållandet är, desto större är kapillärporerna. Samtidigt, när graden av cementhydratisering ökar, kommer volymen av kapillärporer att minska. Den kapillära porstorleken är cirka 1,27 µm . [19]

Strukturellt är hydratiseringsprodukterna geler , och själva hydratiseringsprocessen klassificeras som gelning. [5] Under hydratiseringsprocessen ökar ytan av den fasta fasen av cementgelen avsevärt, vilket medför en ökning av adsorptionen av fritt vatten. Samtidigt bevaras vattenförbrukningen i hydreringsreaktioner. Konsekvensen av dessa två processer är självtorkning - fenomenet att minska den relativa fuktigheten i cementpastan. Självtorkning minskar hydratiseringsgraden, därför är det för det normala förloppet av cementpastahärdningsprocesser nödvändigt att bibehålla fuktighetsnivån, som ett av villkoren för normal hållfasthetsutveckling. Självtorkningsprocessen kompenseras också av överskottsvatten vid blandning av cementblandningen (när vatten-cementförhållandet är 0,5 eller mer). [tjugo]

Anteckningar

Kommentarer
  1. ↑ När man analyserade " romersk betong " fanns det hydrauliska komponenter i den, som efter 200 år ännu inte har genomgått 100% hydratisering. [6]
  2. ↑ Använda röntgendiffraktionsanalys .
  3. ↑ Enligt GOST 10178-62 måste innehållet av svavelsyraanhydrid (SO 3 ) i Portlandcement vara minst 1,5 och inte mer än 3,5 %. Enligt den brittiska standarden BS 12: 1958 är den maximala halten SO 3 satt till 2,5 % med en C 3 A-halt på högst 7 % eller 3 % med en C 3 A-halt på mer än 7 %. [elva]
  4. ↑ Som jämförelse: diametern på vattenmolekyler är 0,29 nm. [arton]
Källor
  1. ↑ Rouhollah Alizadeh. Cement och  konst . Datum för åtkomst: 17 december 2016. Arkiverad från originalet 14 december 2016.
  2. ↑ Konstruktion: Encyclopedic Dictionary, 2011 , s. 107.
  3. ↑ 1 2 Reichel, Konrad, 1979 , sid. 33.
  4. ↑ Neville, 1972 , sid. 13.
  5. ↑ 1 2 3 Reichel, Konrad, 1979 , sid. 34.
  6. ↑ 1 2 3 Reichel, Konrad, 1979 , sid. 40.
  7. ↑ Neville, 1972 , sid. 12.
  8. ↑ Reichel, Conrad, 1979 , sid. 38.
  9. ↑ Reichel, Conrad, 1979 , sid. 37.
  10. ↑ Reichel, Conrad, 1979 , sid. 36.
  11. ↑ 1 2 3 4 Neville, 1972 , sid. 16.
  12. ↑ 1 2 3 Reichel, Konrad, 1979 , sid. 35.
  13. ↑ Neville, 1972 , sid. tjugo.
  14. ↑ Neville, 1972 , sid. 19.
  15. ↑ 1 2 Neuville, 1972 , sid. 25.
  16. ↑ Neville, 1972 , sid. 26.
  17. ↑ Dr. James J Beaudoin. Om giltigheten av kolloidala modeller för hydrerad cementpasta  (engelska)  (länk ej tillgänglig) . Tillträdesdatum: 15 december 2016. Arkiverad från originalet 25 juli 2017.
  18. ↑ Shevchenko, 2004 , sid. 25.
  19. ↑ Neville, 1972 , sid. 24.
  20. ↑ Neville, 1972 , sid. 19-20.

Litteratur

Länkar

Tematiskt urval av illustrationer  (engelska) erhållna med hjälp av ett svepelektronmikroskop