Реакция цемента с водой формула

Твердение цемента

Цемент – популярный строительный материал, получаемый искусственным путем. Он представляет собой мелкодисперсный порошок, который при взаимодействии с водой превращается в пластичную массу, способную затвердевать даже в условиях высокой влажности. Физико-химический процесс взаимодействия цемента с водой называется гидратацией. В результате его протекания растворы и смеси, изготовленные на базе цементного вяжущего, после твердения приобретают высокую прочность, водонепроницаемость, устойчивость к температурным перепадам.

Гидратация цемента – особенности процесса

Гидратация – это необратимый процесс, при котором молекулы воды соединяются с молекулами минералов, входящих в состав цемента. В результате таких взаимодействий образуется пластичная масса, которая после затвердевания преобразуется в камнеподобное твердое тело.

В нормативной документации указываются допустимые водоцементные соотношения, которые зависят от применяемой марки цемента и требуемых характеристик получаемых продуктов. При достаточном количестве химически связывается примерно 25 % воды, остальная жидкость переходит в физически связанное состояние. Введение в материал воды в количестве меньше допустимого приводит к неполной гидратации, а больше допустимого – к образованию пор. В обоих случаях прочностные характеристики конструкции снижаются.

Основные стадии гидратации

Первая стадия гидратации цементного вяжущего – схватывание, протекающее в первые часы после затворения сухих компонентов водой. Время начала схватывания и скорость протекания этого процесса определяют следующие факторы:

• Температура окружающей среды. Чем она выше, тем быстрее протекает процесс. При комнатной температуре он длится до трех часов, при высоких температурах, созданных в камерах пропаривания, – до 20 минут. При 0 °C схватывание может занять до 20 часов.
• Состав вяжущего – номенклатура и соотношение минеральных компонентов, применяемые добавки. По ГОСТу 30515-2013 выделяют по скорости схватывания при стандартных условиях (+20 °C, относительная влажность – 75 %) три категории цементов: медленно схватывающиеся (начало процесса – через 2 часа после затворения), нормально схватывающиеся (начало схватывания – от 45 минут до 2 часов после затворения), быстро схватывающиеся (начало схватывания – до 45 минут после затворения цемента водой).
• Тонкость помола – чем порошок мельче, тем быстрее происходит схватывание.

Ненадолго отложить начало схватывания позволяет перемешивание пластичного материала. В вязком продукте даже при перемешивании через определенное время начинаются необратимые процессы, которые негативно влияют на прочность отвердевшего элемента. Строители называют такое явление «свариванием бетона». Скорость схватывания и последующего твердения можно изменить введением в состав раствора или бетона пластификаторов и других добавок.

Следующий после схватывания более длительный этап – твердение цемента. Этот процесс, который обычно начинается в течение суток после начала гидратации, может протекать в течение нескольких лет. В течение первых 7 дней созданная конструкция приобретает примерно 70 % прочности. Через 28 дней после заливки раствор или смесь набирают марочную прочность. Она составляет примерно 90-95 % от максимального показателя, для достижения которого требуется несколько лет.

Для получения качественного конечного продукта обеспечивают нормальные условия твердения цемента. Для этого необходимо:

1. Оградить конструкцию от малейших механических воздействий, поскольку связи, созданные на начальных этапах гидратации, – непрочные. Они легко разрушаются и восстановлению не подлежат.
2. Первые 2-3 недели для нормального протекания в гидратации создавать влажную среду и оберегать конструкцию от прямого воздействия солнечных лучей.
3. Не допускать резких перепадов температуры. Для этого конструкцию засыпают небольшим слоем песка или опилок, укрывают утепляющими матами.

Такие меры, принятые во время твердения цемента, позволят снизить усадку конструкции, избежать появления трещин и деформаций.

Зависимость процесса гидратации от химического состава цемента

Механизмы схватывания и твердения цемента зависят от номенклатуры и процентного соотношения компонентов вяжущего. Некоторые из них начинают взаимодействовать с водой на начальной стадии гидратации, другие – через определенный промежуток времени.

В состав портландцемента входят:

• C2S – двухкальциевый силикат. Этот компонент вступает в реакцию с водой не сразу, а примерно через месяц после набора продуктом марочной прочности. Он положительно влияет на прочностные показатели бетона в долгосрочной перспективе. Применение пластификаторов ускоряет вступление двухкальциевого силиката в реакцию твердения цемента.
• C3S – трехкальциевый силикат. Этот компонент участвует во взаимодействии с водой с самого начала приготовления смеси или раствора и в течение всего периода гидратации. Но наибольший вклад он вносит в период набора марочной прочности материала.
• C3A – трехкальциевый алюминат. Способствует нарастанию прочности материала в первые дни твердения. В более поздний период он перестает работать.
• C4AF – четырехкальциевый алюмоферит. Вступает в действие уже в ходе твердения. Улучшает характеристики бетона на самых поздних сроках набора прочности.

Как можно ускорить или замедлить схватывание и твердение цемента

При проведении строительных работ часто возникают ситуации, требующие сокращения времени схватывания и твердения цемента, решить эту проблему позволяет применение специальных добавок. Они понадобятся при проведении бетонирования в зимних условиях или при необходимости увеличить темпы строительства.

Наиболее популярные присадки-ускорители твердения цемента:

• 4 %-е нитрат кальция или нитрат натрия, нитрит-нитрат кальция или хлорида кальция, нитрит-нитрат сульфата натрия;
• 2 %-й сульфат натрия;
• 2 %-й хлорид кальция – используется для армированных конструкций;
• 3 %-й хлорид кальция – предназначен для неармированных бетонных элементов.

Замедлители гидратации цемента используются в основном при возведении масштабных конструкций – крупноразмерных фундаментов, чаш бассейнов, гидротехнических и подземных объектов.

Функции замедлителей выполняют пластификаторы и гиперпластификаторы. Применение таких добавок позволяет сохранить подвижность бетонных растворов и их рабочие характеристики в течение 24-48 часов после затворения вяжущего водой.

Гидратация цемента – важный процесс, который должен протекать с соблюдением правил, установленных государственными нормативами и проектной документацией для конкретного строительного объекта. Благодаря разработке широко спектра добавок стало возможным регулирование в широких пределах начала и скорости схватывания пластичного материала, его подвижности, прочности на разных стадиях твердения, коррозионной стойкости и других характеристик.

• Строитель с 20-летним стажем
• Эксперт завода «Молодой Ударник»

В 1998 году окончил СПбГПУ, учился на кафедре гражданского строительства и прикладной экологии.

Занимается разработкой и внедрением мероприятий по предупреждению выпуска низкокачественной продукции.

Разрабатывает предложения по совершенствованию производства бетона и строительных растворов.

Источник

Описание процесса гидратации цемента и его особенности

Образование цементного камня (бетона) в результате взаимодействия воды и строительной смеси основа современного строительства. Этот процесс известен как гидратация цемента, он носит необратимый характер, и правильное его прохождение во времени определяет качество строительных работ.

Гидратация бетона или цемента

Ингредиенты цементного порошка вступают в химическое взаимодействие с водой и начинается кристаллизация в получаемом монолите. Для полноценного прохождения гидратации бетона соотношение объема цемента и жидкости составляет 3:2 и должно быть точно соблюдено. Тщательный замес раствора позволяет создавать однородную структуру камня и управлять временем схватывания монолита.

Время от начала замеса до начала схватывания – это тот период, в течение которого раствор должен попасть в форму или опалубку. Согласно строительных регламентов он равен 45 минутам, однако модифицирующими присадками и постоянным перемешиванием в миксере может быть растянут.

Обратите внимание! После заполнения раствором форм или опалубки процесс связывания компонентов (схватывание) происходит в течении 3-х часов и тоже может быть изменено добавками, технологией и внешней средой. Процесс набора заявленной прочности бетона достигает 28 дней, но твердение цемента не прекращается и длится годами.

Особенности реакции, как влияют компоненты

Основой цемента любой марки составляют 4 минеральных соединения в разных пропорциях входящие в строительную смесь:

• C3S трёхкальциевый силикат;
• C3A трёхкальциевый алюминат;
• C2S двухкальциевый силикат;
• C4AF четырёхкальциевый алюмоферрит.

Любой из них вступая в контакт с водой по-своему влияет на химический процесс в отдельных временных отрезках нелинейного графика превращения раствора в каменный монолит.

Трехкальциевый силикат C3S активно участвует в процессе кристаллизации раствора в монолит на всем его протяжении. Эта химическая реакция носит изотермический характер, и соединение C3S с водой обеспечивает выделение тепла при замесе, затем снижение нагрева при перемешивании. В период схватывания энергия выделяется интенсивно и в дальнейшем, на этапе нормального твердения, 28 суток постепенно снижается.

Трехкальциевый алюминат C3A отвечает за процесс схватывания раствора. Именно его взаимодействие с водой приводит к выделению тепла при схватывании в первое время после заливки. По мере набора прочности активность минерала слабеет, и он прекращает работу.

Двухкальциевый силикат C2S включается в работу при выходе процесса нормального твердения на финиш (90% набора прочности бетона), то есть примерно через месяц соединения цементной смеси с водой. Его действие продолжает укреплять изделия из бетона после достижения заявленной прочности. Введение пластификаторов в смесь может сократить месячный промежуток времени и заставить работать этот компонент раньше без потери качества.

Четырехкальциевый алюмоферрит C4AF работает как катализатор на финишном отрезке твердения бетона. Взаимодействуя с водой, двухкальциевым силикатом C2S, а также модифицирующими добавками он существенно улучшает характеристики бетона.

Гидратация цемента — это длительный процесс взаимодействия его с водой, каждый ингредиент в нем играет основную роль на своем отрезке времени.

Основные стадии затвердевания

В создании монолитного бетонного сооружения или товарной железобетонной продукции принято выделять два существенных этапа: схватывание цементного раствора и твердение бетонного массива. Последовательное успешное выполнение этапов позволяет получить запланированные характеристики сооружений.

Схватывание цемента

Первый этап длится не более суток. На скорость схватывания влияют соотношение основных ингредиентов цемента, модифицирующих присадок и температуры окружающей среды.

В зависимости от состава цементные смеси различаются:

• Быстрые, начало схватывания от 45 минут после замеса;
• Медленные, по истечении 2 часов соединения с водой;
• Средние, время схватывания между 45 и 120 минутами.

Температура окружающей среды для схватывания после выбора смеси играет определяющую роль. Зависимость от нее прямая: чем она выше, тем быстрее схватывается раствор цемента.

При комнатной температуре плюс 20° бетон схватится максимально через 3 часа (сам этап схватывания длится час).

Если заливка производится при 0° и ниже, процесс схватывания может затянутся до 20 часов. Это происходит из-за задержки начала этапа до 10 часов от заполнения форм.

При выпуске товарных бетонных изделий в камерах с насыщенным паром и высокой температурой (пропариванием) на заводах ЖБИ время схватывания сокращают до 20 минут.

Цементный раствор, который прошел этап схватывания, еще не продукт с нужными параметрами. Он еще не стал бетоном и может разрушаться при небольших нагрузках, терять образовавшиеся слабые связи, которые уже не восстановить. До завершения второго этапа нельзя производить механических работ и ухудшать температурный режим.

Процесс твердения цемента

Второй этап получения прочного бетона запускается примерно через сутки после начала гидратации. В первую неделю после схватывания цементный раствор приобретает до 70% заявленных характеристик. Затем твердение замедляется и на 90-95% прочности бетон выходит по истечении 28 дней. Остальные 5% прочностных характеристик цементный камень может добирать несколько лет.

Четырехнедельный срок твердения бетона определен производителями различных марок цементных смесей для гарантированного получения качественного монолита.

Во время застывания нельзя подвергать массив механическим воздействиям, чтобы не нарушать связи заполнителя с кристаллизирующимися частицами цемента. При необходимости, до 20-го дня процесса, можно увлажнять бетон, защищать от солнечного света (ультрафиолета) и обеспечить температуру выше 0° (желательно).

Как можно повлиять на процессы

На этапе схватывания гидратации бетона это еще подвижный материал и, пока он перемешивается, процесс твердения не начинается. На этом свойстве основана доставка раствора к месту строительства в автомобилях с работающими бетономешалками (миксерами). Но время задержки схватывания при помощи перемешивания раствора ограничено, особенно в жару. Бетон может свариться и не набрать прочность.

Залитый в форму или опалубку раствор должен правильно, согласно технологии затвердеть, а не высохнуть или замерзнуть. В противном случае он деформируется, трескается, образуются пустоты и увеличивается усадка.

Важно! После тщательного изучения инструкции до начала работы как можно точнее определить и подготовить объем цементной смеси и воды. Недостаток жидкости приведет к тому, что часть цемента не будет участвовать в гидратации, а при избытке воды неизбежно возникнут капилляры внутри массива. Бетон не будет монолитным и быстро разрушится при отрицательной температуре.

Для специальных условий обычный цемент не подходит, для них разработаны различные добавки, позволяющие получать качественные бетоны, работающие в агрессивных средах и критических температурах. При выборе или составлении формулы смеси необходимо это учитывать. Описание влияния присадок даны в регламентах на смеси.

Оснащение современных бетонных заводов дозирующим и смесительным оборудованием, а также совершенствование технологии укладки бетона позволяет получать качественные сооружения и изделия из цемента.

Методы определения активности цемента

Технология изготовления цемента своими руками

Особенности применения быстродействующего цемента

Технология применения глиноземистого цемента

Источник