Гидратация клинкерных минералов

Гидратация C₃S. Трехкальциевый силикат является наиболее важным компонентом портландцементного клинкера, ответственным за большинство технических свойств затвердевшего цементного камня, поэтому изучению процессов его гидратации посвящено огромное количество литературы. Однако, несмотря на многообразие методов исследования (электронная растровая микроскопия, калориметрия, анализ жидкой фазы, ИК-спектроскопия, термолюминесценция), механизм реакции С₃S с водой еще окончательно не установлен.

Как свидетельствуют данные калориметрии, на кривых скорости тепловыделения отчетливо видны четыре участка (рисунок 1.1), соответствующие четырем периодам (стадиям) реакции. Первый период (доиндукционный) является короткой экзотермической реакцией, после которого наступает второй (индукционный) период относительной неактивности, он длится несколько часов. Затем наступает третий период (постиндукционный), во время которого наблюдается автокаталитическое ускорение скорости реакции. На этой стадии выделяется большое количество продуктов гидратации.

I, II, III, IV – Стадии процесса тепловыделения

Рисунок 1.1 – Изменение скорости тепловыделения при гидратации тонкоизмельченных (3-5 мкм) монокристаллов 3CaO· SiO₂

 

Химизм взаимодействия С₃S с водой можно описать реакцией:

Общее количество теплоты, выделяющейся в результате реакции, составляет около 500 кДж/кг.

Ha VII Международном конгрессе по химии цемента был предложен механизм гидратации C₃S, объединяющий другие теории. Согласно этому механизму, существуют следующие стадии гидратации.

I стадия. Первоначальный гидролиз происходит предпочтительно на активных участках. При этом ионы О^2- протонизуются в ОН^-, [SiO₄]^4- в H_nSiO₄^(n-4) и Са²⁺ - в Са²⁺•aq, а ионы Са²⁺ и ОН^- переходят в раствор; образуется поверхностный слой продуктов реакции, состоящий из группировок силикатных ионов, связанных между собой водородными связями и несколькими ионами Са²⁺. Слой аморфен и склонен к всасыванию воды и набуханию. Образуется двойной электрический слой между подвижными ионами кальция и неподвижным слоем силикатов.

II стадия. Поверхностный слой силикатов развивается и ионы Са²⁺ и ОН^- продолжают переходить в раствор, но процесс замедляется, поскольку ионы должны преодолевать двойной электрический слой. На этой стадии образуются зародыши, но они не могут достичь критического размера.

III стадия. Концентрация ионов в растворе увеличивается и становится достаточной для роста зародышей. Рост частичек CSH происходит вблизи поверхности зерна, так как перенос оксида кремния затруднен. Рост частичек Са(ОН)₂ может происходить также и в порах, удаленных от зерна, он контролируется пересыщением жидкой фазы.

Гидратация алюмоферритов. Гидратация алюмоферритной фазы проходит аналогично гидратации алюминатов, но значительно медленнее. В начале реакции выделяется C₄(A, F)H₁₃, который при температуре выше 20 °С переходит в С₃(А, F)Н₆, что сопровождается выделением гидрогеля Fe(ОН)₃. При изменении соотношения A/F в исходных продуктах несколько изменяется и состав продуктов реакции. Так, Р. Олдридж считает, что гидратация различных алюмоферритов идет следующим образом:

Реакции гидратации начинаются сразу после затворения цемента водой. Уже через несколько минут раствор, заполняющий пространство между зернами цемента, становится пересыщенным по отношению к сульфату и гидроксиду кальция, выделяющимся при гидролизе алита. Высокая концентрация ионов кальция и сульфат-ионов удерживается в тесте в течение определенного времени, зависящего от содержания в цементе щелочей: чем больше в цементе щелочей и чем раньше они начинают растворяться, тем скорее уменьшается пересыщение раствора по отношению к ионам кальция. Кроме ионов кальция и сульфат-ионов в поровом растворе содержится также некоторое количество ионов алюминия, железа и кремния. Концентрация отдельных ионов, в поровом растворе не остается постоянной, а изменяется с увеличением степени гидратации цементного теста.

Так как основным минералом портландцементного клинкера является алит, то в процессе гидратации цемента, как и при гидратации алита, можно выделить доиндукционный, индукционный и постиндукционный периоды, которые выявляются менее отчетливо, чем при гидратации алита.

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: