Hydratace cementu

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 5. března 2017; kontroly vyžadují 8 úprav .

Hydratace cementu  je chemická reakce cementu s vodou za vzniku krystalických hydrátů . [2] V procesu hydratace se kapalné nebo plastické cementové lepidlo mění v cementový kámen. První fáze tohoto procesu se nazývá zahušťování nebo tuhnutí, druhá - zpevnění nebo zpevnění. [3]

Chemické reakce

Minerály bezvodého slínku se při reakci s vodou přeměňují na hydrokřemičitany, hydroalumináty a hydroželezitany vápenaté. Všechny reakce jsou exotermické , to znamená, že probíhají za uvolňování tepla. Rychlost hydratace je ovlivněna: stupněm mletí cementu a jeho minerálním složením, množstvím vody, se kterou je cement smíchán, teplotou, zavedením přísad. [5] Stupeň hydratace závisí na poměru voda-cement a maximální hodnoty dosahuje až po 1-5 letech. [6] [~ 1] Stupeň hydratace se určuje různými způsoby: množstvím Ca(OH) 2 , uvolňováním tepla, měrnou hmotností cementové pasty, množstvím chemicky vázané vody, množství nehydratovaného cementu, [~ 2] nebo nepřímo indikátory pevnosti cementového kamene. [7] Hydratační produkty mají různou sílu. Hlavními nosiči pevnosti jsou hydrokřemičitany vápenaté. [6] V procesu hydratace slínků C 3 S a C 2 S vzniká kromě hydrosilikátů vápníku hašené vápno Ca(OH) 2 , které zůstává v cementovém kameni a zabraňuje korozi oceli uvnitř cementového kamene. [osm]

Reakční rovnice pro čtyři hlavní slínkové minerály jsou následující [9] :

Pro trikalciumsilikát (zkráceně ):

j / g

Pro dikalciumsilikát (zkráceně ):

j/g

Pro trikalciumhlinitan (zkráceně ):

j/g

Pro tetrakalcium aluminoferrit (zkráceně ):

j/g

Změny fyzikálních vlastností

Při míchání cementu a vody jsou částice cementu obklopeny vodou, která tvoří 50-70 objemových procent směsi. V důsledku chemické reakce hydratace začíná tvorba jehličkovitých krystalů. Po 6 hodinách se vytvoří dostatečné množství krystalů a vytvoří se prostorové vazby mezi částicemi cementu. Dochází tak k zahušťování (tuhnutí) cementové směsi. [3] Proces tuhnutí je pravděpodobně zajišťován selektivní hydratací slínkových minerálů C 3 A a C 3 S, jakož i vývojem slupek kolem cementových zrn a vzájemnou koagulací složek cementové pasty. [11] Po 8–10 hodinách je objem cementové směsi vyplněn kostrou jehličkovitých krystalů, tvořených převážně produkty hydratace hlinitanů C 3 A, proto se této struktuře říká hlinitan. Od tohoto okamžiku začíná tuhnutí a vývoj pevnosti , které jsou spojeny s tvorbou silikátové struktury vzniklé při hydrataci slínkových minerálů C 3 S a C 2 S. Reakcí silikátů a vody vznikají velmi malé krystaly, které se spojí do homogenní jemně porézní struktura, která určuje konečnou pevnost cementového kamene. Zhruba po dni začne silikátová struktura vytlačovat strukturu hlinitanu a po 28 dnech ji zcela vytlačí. [5] V praxi tvorba volné aluminátové struktury z hydrokřemičitanu vápenatého během tuhnutí nepříznivě ovlivňuje pevnostní charakteristiky cementového kamene. Do cementového slínku se proto zavádí sádra , jejíž množství je omezeno přípustnou hmotnostní koncentrací anhydridu kyseliny sírové SO 3 v cementu. [~ 3] Přísada do sádry zpomaluje tvorbu hydrohlinitanu vápenatého a kostru hydratované cementové pasty tvoří hydrosilikát vápenatý. [jedenáct]

Hydratace cementu během doby tuhnutí je charakterizována uvolňováním tepla: na začátku tuhnutí dochází k rychlému nárůstu teploty a na konci tuhnutí je pozorováno teplotní maximum. Rychlost nastavení závisí na okolní teplotě. Při nízkých teplotách se tuhnutí zpomaluje. Se stoupající teplotou se zvyšuje rychlost tuhnutí, avšak při teplotách nad 30 °C lze pozorovat opačný efekt. [jedenáct]

Pro úplnou hydrataci cementového zrna je potřebné množství vody 40 % jeho hmotnosti. V tomto případě bude z uvedeného množství vody 60 % (nebo 25 % hmotnosti cementu) chemicky vázáno s cementem a 40 % (nebo 15 % hmotnosti cementu) zůstane v pórech gelu. . [12] Průměrná hodnota měrné hmotnosti produktů hydratace ve stavu nasyceném vodou je 2,16. [13] Ta část vody (25 % hmoty cementu), která vstupuje do chemické reakce s cementem, podléhá při reakci objemové kontrakci (kompresi), což je přibližně 25 % jejího objemu. Výsledkem je částečné zmenšení objemu výsledného cementového kamene. Tento proces se nazývá smrštění a velikost zmenšení objemu se nazývá objem smrštění. [12]

Při úplné hydrataci cementového lepidla bude objem pórů přibližně 28 [15] – 30 [12]  % objemu výsledné gelové struktury. Hodnota pórovitosti gelu přitom nezávisí hlavně na poměru voda-cement ve směsi a stupni hydratace, ale je charakteristickým ukazatelem pro značku cementu. [16] Velikost pórů gelu je asi 1,5-2 [15] (1-3 [17] ) nm v průměru. [~ 4] Část celkového objemu cementové pasty, která není naplněna hydratačními produkty, tvoří propojený systém kapilárních pórů náhodně rozmístěných po celém cementovém kameni. Kapilární pórovitost cementového kamene je přímo závislá na poměru voda-cement ve směsi a nepřímo závislá na stupni hydratace. Čím větší je poměr voda-cement, tím větší jsou kapilární póry. Zároveň s rostoucím stupněm hydratace cementu se bude zmenšovat objem kapilárních pórů. Velikost kapilárních pórů je přibližně 1,27 µm . [19]

Strukturálně jsou produkty hydratace gely a samotný proces hydratace je klasifikován jako gelovatění. [5] V procesu hydratace se povrch pevné fáze cementového gelu výrazně zvětšuje, což má za následek zvýšení adsorpce volné vody. Zároveň je zachována spotřeba vody při hydratačních reakcích. Důsledkem těchto dvou procesů je samoschnutí - fenomén snižování relativní vlhkosti v cementové pastě. Samoschnutí snižuje stupeň hydratace, proto je pro normální průběh procesů tvrdnutí cementové pasty nutné udržovat vlhkost, jako jednu z podmínek normálního vývoje pevnosti. Proces samoschnutí je také kompenzován přebytkem vody při míchání cementové směsi (při poměru voda-cement 0,5 a více). [dvacet]

Poznámky

Komentáře
  1. ↑ Při analýze „ římského betonu “ v něm byly hydraulické komponenty, které po 200 letech ještě neprošly 100% hydratací. [6]
  2. ↑ Použití rentgenové difrakční analýzy .
  3. ↑ Podle GOST 10178-62 musí být obsah anhydridu kyseliny sírové (SO 3 ) v portlandském cementu nejméně 1,5 a ne více než 3,5 %. Podle britské normy BS 12: 1958 je maximální obsah SO 3 stanoven na 2,5 % s obsahem C3A nejvýše 7 % nebo 3 % s obsahem C3A vyšším než 7 %. [jedenáct]
  4. ↑ Pro srovnání: průměr molekul vody je 0,29 nm. [osmnáct]
Prameny
  1. ↑ Rouhollah Alizadeh. Cement a  umění . Datum přístupu: 17. prosince 2016. Archivováno z originálu 14. prosince 2016.
  2. ↑ Konstrukce: Encyklopedický slovník, 2011 , str. 107.
  3. ↑ 1 2 Reichel, Konrad, 1979 , str. 33.
  4. ↑ Neville, 1972 , str. 13.
  5. ↑ 1 2 3 Reichel, Konrad, 1979 , str. 34.
  6. ↑ 1 2 3 Reichel, Konrad, 1979 , str. 40.
  7. ↑ Neville, 1972 , str. 12.
  8. ↑ Reichel, Conrad, 1979 , s. 38.
  9. ↑ Reichel, Conrad, 1979 , s. 37.
  10. ↑ Reichel, Conrad, 1979 , s. 36.
  11. ↑ 1 2 3 4 Neville, 1972 , str. 16.
  12. ↑ 1 2 3 Reichel, Konrad, 1979 , str. 35.
  13. ↑ Neville, 1972 , str. dvacet.
  14. ↑ Neville, 1972 , str. 19.
  15. ↑ 1 2 Neuville, 1972 , str. 25.
  16. ↑ Neville, 1972 , str. 26.
  17. ↑ Dr. James J Beaudoin. O platnosti koloidních modelů pro hydratovanou cementovou pastu  (anglicky)  (odkaz není k dispozici) . Datum přístupu: 15. prosince 2016. Archivováno z originálu 25. července 2017.
  18. ↑ Ševčenko, 2004 , s. 25.
  19. ↑ Neville, 1972 , str. 24.
  20. ↑ Neville, 1972 , str. 19-20.

Literatura

Odkazy

Tematický výběr ilustrací  (anglicky) získaných pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu