Реферат Курсовая Конспект
Формування структури цементного каменю - раздел Химия, ПРЕДМЕТ І ЗАДАЧІ ФІЗИКО-ХІМІЧНОЇ МЕХАНІКИ Навколишній світ та дисперсні системи За Сучасними Поглядами, У Початковий Період (Перша Стадія Гідра...
|
За сучасними поглядами, у початковий період (перша стадія гідратації) при змішуванні цементу з водою в процесі гідролізу трикальцієвого силікату виділяється гідроксид кальцію, утворюючи пересичений розчин. У цьому розчині знаходяться іони сульфату, гідроксиду і лугів, а також невелика кількість кремнезему, глинозему і заліза. Висока концентрація іонів кальцію і сульфат іонів спостерігається нетривалий час після затвору цементу водою, тому що протягом декількох хвилин з розчину починають осаджуватися перші новотвори – гідроксид кальцію і етрингіт.
Приблизно через годину настає друга стадія гідратації для якої характерне утворення дуже дрібних гідросилікатів кальцію. Унаслідок того, що в реакції беруть участь лише поверхневі шари зерен цементу, то знову утворюються гідратні фази, які одержали назву цементного гелю і характеризуються дуже тонкою гранулометрією, розмір зерен цементу зменшується незначно. Новотвори в першу чергу з'являються на поверхні цементних зерен. Зі збільшенням кількості новотворів і щільності їх упакування приграничний шар стає малопроникненим для води приблизно протягом 2-6 годин. Другу стадію уповільненої гідратації прийнято називати «індукційним періодом» гідратації цементу.
Протягом індукційного періоду цементне тісто являє собою щільну суспензію, стабілізовану дією флокулоутвірних сил. Однак сили притягання між цементними частками у воді відносно слабкі. Це може бути пояснене тим, що покриті гелем зерна цементу утворюють навколо себе сольватний шар і мають позитивний x – потенціал. Спільна дія сольватного шару та електричного заряду перешкоджає безпосередньому контакту між дотичними зернами. Разом з тим ці зерна мають міжчасткове притягання, принаймні на деяких приграничних ділянках. Сили відштовхування і притягання врівноважуються на деякій відстані від поверхні розподілу, де потенційна енергія часток мінімальна. Цементне тісто під дією цих сил стає зв’язним і
рухливим.
Протягом індукційного періоду відбувається поступове поглинання поверхневими оболонками цементних зерен води, товщина водяних прошарків між зернами зменшується, поступово знижується рухливість тіста і бетонної суміші. У гелевих оболонках з'являється осмотичний тиск. Внутрішні шари цементних зерен, реагуючи з водою, прагнуть розширитися. У результаті відбувається руйнування гелевих оболонок і полегшується доступ води всередину цементних зерен, прискорюється процес гідратації цементу.
Настає третя стадія процесу гідратації. Вона характеризується початком кристалізації гідроксиду кальцію з розчину. Цей процес відбувається дуже інтенсивно. У просторі між частками цементу відбувається вільний ріст тонких пластинок гідроксиду кальцію, гідросилікатів кальцію і етрингіту у вигляді довгих волокон. Волокна новотворів проходять через пори, розділяють їх на більш дрібні і створюють просторовий зв'язок, підсилюючи зчеплення між гідратними фазами і зернами цементу. Зі збільшенням вмісту гідратних фаз між ними виникають безпосередні контакти, число яких збільшується – цементне тісто тужавіє, твердіє, утворюється цементний камінь.
Тверда структура, що утворилася, спочатку є дуже пухкою, але поступово вона ущільнюється, у заповнених водою порах цієї структури безупинно утворюються нові гідратні фази. Об’єм пор і їхні розміри зменшуються, зростає кількість контактів між новотворами, товстішають і ущільнюються гелеві оболонки на зернах цементу, що зростаються в суцільний цементний гель, із включеннями непрореагувованих центрів цементних зерен. У результаті зростає міцність цементного каменю. Схематично процес перетворень, що виникають у системі “цемент-вода” у процесі гідратації показано на
рис. 8.1.
|
Ф. Лохер і В. Ріхартц запропонували узагальнену схему процесу гідратації цементу і структоутворення цементного каменю, яка показує зміну у часі об’єму різних новотворів і пористості цементного каменю (рис.8.2).
Рис.8.2. Схема процесу гідратації цементу (а) і структоутворення (б) цементного каменю у часі: 1 – створення довгих кристалів; 2 – етрингіт; 3 – зміна пористості; 4 – утворення коротких волокон; 5 – моносульфат; 6 – нестійка структура; 7 – формування основної структури; 8 – ущільнення структури; 9 – стала структура
Схема 8.2 ураховує можливий перехід частини утвореного ентрінгіту у моносульфати після того, як весь двоводний гіпс, що введений у цемент для подовження терміну тужавлення, вступить у реакцію з трикальцієвим алюмінатом.
Процес гідратації розвивається на границях зерен, і цементний гель росте одночасно усередину і назовні, причому кожне зерно виявляється ніби упакованим у гель. Вода проникає через гелеву оболонку усередину зерна, а частина компонентів гідратованого цементу дифундує в протилежному напрямку до зовнішніх границь шару гелю, де ці компоненти приєднуються до існуючих кристалів чи починають утворювати нові. Приблизно 55 % новотворів з'являються зовні, а 45 % залишаються усередині первісної границі цементного зерна.
У процесі гідратації розміри пор у цементному камені зменшуються, що, з одного боку, приводить до утруднення доступу води до ще непрореаговуваних об’ємів цементу та уповільнення процесу гідратації, а з іншого боку - до зменшення розміру часток гідратних фаз, що розвиваються в цих порах. Волокна гідросилікату кальцію, що утворюються на початку гідратації, можуть мати довжину (5-10)·10-9м і діаметр (0,1-0,2)·10-9м, а наприкінці гідратації новотвори мають розмір у 10-100разів менше. Однак у гелі цілком гідратованого цементу залишаються внутрішні порожнечі, названі порами гелю. Розмір цих пор дуже малий 15·10-9 м...40·10-9м, у них неможливе утворення зародків гідратних фаз, і тому вони не можуть зарости новотворами.
Пористість гелю складає 28%. Якщо пористість вище, то це значить, що в гелі ще є більш великі пори, у яких можуть розвиватися новотвори, які поступово знижують пористість гелю до 28%. Поряд з порами гелю в цементному камені зберігаються більш великі капілярні пори. Однак розмір і об’єм пор поступово зменшуються. У процесі гідратації відбувається поступовий перерозподіл рідкої фази: зменшується кількість вільної чи капілярної води, збільшується кількість хімічно і фізико-хімічно зв'язаної води.
При повній гідратації цементу в хімічний зв'язок з його мінералами вступає приблизно 20-25% води від маси цементу. Гідратація цементу супроводжується зміною об’єму його різних фаз. У процесі гідратації вода, що вступає в реакцію з цементом, набуває регулярної структури і загальний об’єм системи “цемент-вода” зменшується, у той час як об’єм твердої фази за рахунок приєднання води збільшується (рис. 8.3).
Гідратований цемент займає об’єм у 2,1-2,2 разів більше, ніж об’єм цементу до гідратації, але менший на 0,254, ніж сумарний об’єм цементу і зв'язаної води. Середнє значення щільності продуктів гідратації (включаючи пори гелю) у насиченому водою стані приблизно складає 2100-2200 кг/м3.
Рис. 8.3. Зміна об’єму твердої і рідинної фази у системі “цемент-вода” при гідратації цементу (при В/Ц < 0,5): 1 – об’єм негідратованого цементу; 2 – початковий об’єм води; 3 – об’єм твердої фази гідратованого цементу; 4 – об’єм гелевої води; 5 – об’єм контракційних пор; 6 – об’єм цементного гелю разом з порами |
Зменшення об’єму системи цемент-вода в процесі гідратації одержало назву контракції. У середньому величина контракції складає 7-9 см3 на 100 г цементу.
Цемент гідратує тривалий час. Ступінь його гідратації α до визначеного моменту визначають як відношення води, зв'язаної до цього моменту Wt, до кількості води, зв'язаної при повній гідратації Wmax
α = Wt / Wmax (8.12)
У зв’язку з тим, що більшість новотворів цементного каменю мають колоїдні розміри, то в процесі гідратації поверхня твердої фази значно збільшується. Питома поверхня гелю досягає величини 5,5×106 м2/см3 чи 2×106 см2/кг, у той час як питома поверхня негідратованого цементу в середньому дорівнює 3000 см2/г.
На поверхні гелю адсорбується велика кількість води, що відсмоктується з більш великих пор. Вода в порах гелю міцно утримується поверхневими силами і тому не може бути використана для гідратації ще не гідратованого цементу. Щільність води в порах гелю складає 1100-1150 кг/м3. Об’єм води, фізико-хімічно зв'язаної поверхнею гелю, приблизно дорівнює об’єму хімічно зв'язаної води. За даними Т. Пауерса і С. Брунаура, загальна кількість хімічно зв'язаної води при повній гідратації цементу (у цементному гелі) складає 47-52% від маси цементу (у середньому 50%). Для повної гідратації цементу необхідно, щоб В/Ц було більше 0,5.
Якщо цементний камінь твердіє у воді, то повна гідратація цементу
відбувається і при менших В/Ц, тому що вода може дифундувати через капілярні і контракційні пори, які частково звільняються від води в результаті гідратації. Однак необхідно, щоб об’єм цих пор був достатній для розміщення продуктів гідратації. Це має місце при В/Ц>0,38; при менших В/Ц повна гідратація цементу неможлива.
Таким чином, при В/Ц>0,5 у бетоні завжди будуть присутні капілярні пори, доступні для міграції води, і стійкість його буде знижуватися.
При В/Ц=0,38-0,5 у цементному камені можуть зберегтися капілярні і контракційні пори при відсутності припливу вологи ззовні за рахунок того,
що не буде цілком проходити гідратація цементу. При водяному твердінні ці пори частково заростають продуктами гідратації. При В/Ц<0,38 у цементному камені відсутні капілярні пори. Він весь складається з цементного гелю, але в ньому обов'язково зберігаються залишки негідратованого цементу. Ці залишки сприяють ущільненню матеріалу і підвищенню його міцності.
Зміна складу цементного каменю у процесі його гідратації залежно від В/Ц показана на рис. 8.4.
У звичайних бетонах цемент рідко гідратується повністю. При звичайних термінах твердіння встигає прогідратуватися тільки частина цементу, тому навіть при В/Ц = 0,5 і вище у цементі зберігаються негідратовані зерна і значна кількість капілярних пор.
Рис. 8.4. Зміна складу цементного каменю після повної гідратації цементу
залежно від В/Ц:
1 – негідратований цемент;
2 – цементний гель;
3 – капілярна вода (пори)
У бетоні цементний камінь у результаті введення заповнювача займає тільки частину об’єму, тому, хоча загальний характер залежностей збігається, відносні величини їх менше. Якщо початкова капілярна пористість для цементного каменю при В/Ц = 0,5 досягає 61%, то у бетоні при витраті 170 л води і цементу 340 кг на 1 м3 бетонної суміші вона зменшується до 17%. Зміну пористості бетону наведено на рис. 8.5.
При зміні витрати цементу і води пористість також змінюється. Орієнтовно можна розрахувати, що для пониження капілярної пористості на 1 % необхідно зменшити витрати води на 10 л/м3 або на 20...30 кг/м3 підвищити витрати цементу.
Зниження капілярної пористості веде до підвищення міцності і стійкості бетону, тому на виробництві прагнуть готувати бетонну суміш з мінімальною кількістю води, яка забезпечує необхідну легкоукладальність.
Заповнювач значно впливає на структуроутворення бетонної суміші. Заповнювач може утворювати жорсткий каркас, що зміцнює структуру на першій стадії її формування. Заповнювач суттєво впливає і на умови твердіння цементного каменю. У бетоні взаємодія цементу з водою і його твердіння відбувається у тонких прошарках між зернами заповнювача при постійній взаємодії з ним. Заповнювач підвищує водоутримуючу спроможність цементного тіста, обмежує усадочні деформації, сприяє утворенню кристалічного каркасу цементного каменю.
| |||
Таким чином, заповнювач чинить суттєвий вплив на формування структури цементного каменю і бетону. Це звичайно враховується при визначенні властивостей і проектуванні складу бетону. Для зручності розрахунків і прогнозування властивостей бетону процес формування його структури можна розбити на три періоди: першопочатковий, протягом якого бетонна суміш перетворюється у бетон, подальший, коли у часі структура бетону поступово змінюється, і третій, коли структура стабілізується і майже не змінюється у часі (рис. 8.6).
Рис. 8.6. Розрахункові періоди структуроутворення:
І – період структуроутворення первиннопочаткової структури;
ІІ – період зміцнення структури; ІІІ – період стабілізації структури
На цій стадії спостерігається незначне зростання модуля пружності і значне підвищення міцності за рахунок субмікристалічної (гелеподібної)
фази, а також повільний розвиток структури гідросилікатів, що зумовлює непружні властивості цементного каменю. Швидкість гідратації найменша. Відбувається обростання основного кристалізаційного каркасу і розвиток гідратних новоутворень між його елементами, виникають внутрішні напруження, що приводять до спаду пружності і міцності.
Кристалізаційні контакти, що створюють своєрідний жорсткий
каркас, сприяють різкому підвищенню міцності матеріалу, в’язко-пластичне деформування переходить у пружно-крихке руйнування. Підвищенню
міцності сприяють також збільшення числа контактів прямого зрощування,
збільшення об’ємної концентрації новоутворень і щільності гелю в просторі між частинками цементу. Разом з тим виникнення і розвиток кристалічного каркасу викликає внутрішні напруження в системі, що твердіє. Відбувається (особливо при підвищенні температури) так зване старіння гелю –
укрупнення часток, зменшення числа контактів і зниження міцності системи в цілому. В мікроструктурі виникають дефекти, тріщини, розриви тощо. Одночасно через наявність коагуляційних контактів відбуваються і релаксаційні процеси, що знижує внутрішній напружений стан. Тому стадія зміцнення структури відбувається в умовах дочасного впливу конструктивних і деструктивних факторів. Особливо гостра боротьба цих впливів має
місце при підвищенні температури середовища, коли зазначенні процеси інтенсифікуються. Подальший розвиток структури цементного каменю
складається, в основному, з поступового ущільнення гелю і збільшення об’єму кристалічної складової – відбувається повільне і тривале підвищення міцності.
Між першим і другим періодами є точка А (рис. 8.6), яка визначає момент, коли первинна структура вже виникла і в подальшому відбувається її зміцнення. В цьому разі зміна міцності бетону у подальшому періоді підпорядковується логарифмічному закону, що дозволяє більш точно прогнозувати зміну властивостей бетону у часі. У загальному вигляді міцність бетону буде описуватися виразом (8.13):
R = R0 + ΔR (8.13)
де: R0 – міцність первісної структури бетону;
ΔR = f (t, T) – міцність бетону, яка набувається у процесі подальшого твердіння і яка залежить від часу і температури твердіння.
Таким чином, весь процес структуроутворення цементного каменю у бетоні можна умовно поділити на два основних періоди:
перший – підготовча стадія і стадія виникнення структурованої системи (коагуляційної структури);
другий – стадія виникнення та розвитку проростання) кристалічного каркасу і стадія тривалого підвищення міцності та ущільнення структури.
Природно, чітких меж між періодами і стадіями не існує, їх можна встановити тільки за ознаками, які свідчать про те, що одні процеси в даний момент переважають над іншими. А все ж для керування структуроутворенням потрібно мати інформацію про кінетику його розвитку у даних умовах, щоб рішення про технологічні керуючі дії були науково обґрунтованими і оптимальними.
Зміна властивостей бетону визначається головним чином гідратацією цементу, тому властивості останнього рішуче впливають на ці закономірності. Процес гідратації є головним і його протікання визначає зміну структури і властивостей бетону. Інші фактори (склад бетону, властивості заповнювачів і ін.) хоча і впливають на зміну властивостей бетону, але їх вплив на
кінетику зміни властивостей бетону є другорядним і обумовлюється, у певній мірі, їх впливом на процеси гідратації цементу і структуроутворення цементного каменю. Поступове затухання змін властивостей бетону
у часі і їх стабілізація пояснюється поступовим затуханням процесу гідратації цементу.
– Конец работы –
Эта тема принадлежит разделу:
ПРЕДМЕТ І ЗАДАЧІ ФІЗИКО ХІМІЧНОЇ МЕХАНІКИ... Навколишній світ та дисперсні системи... Фізико хімічна механіка як наукова дисципліна її задачі...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Формування структури цементного каменю
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов