Вода и ее поведение в присутствии цементных минералов

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

1. ВОДА В ЦЕМЕНТНОМ КАМНЕ
2. ВОДА И ЕЕ ПОВЕДЕНИЕ В ПРИСУТСТВИИ ЦЕМЕНТНЫХ МИНЕРАЛОВ
3. ГИДРАТАЦИЯ ЦЕМЕНТА
4. ОБЪЕМ ПРОДУКТОВ ГИДРАТАЦИИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Цементом, в самом общем  смысле этого слова, может быть назван материал с адгезионными и когезионными свойствами, которые делают его способным  соединять отдельные минеральные  частицы в монолитное целое. Такое  определение охватывает большое  число различных вяжущих веществ.

Для строительства значение термина «цемент» ограничено вяжущими веществами, применяемыми для скрепления каменных материалов, песка, кирпича, строительных блоков и т. д.

Для бетонов применяют  гидравлические вяжущие вещества, обладающие способностью схватываться и твердеть под водой в результате химического взаимодействия с ней.

Гидравлические вяжущие состоят в основном из силикатов и алюминатов кальция, к ним относятся романцементы, портландцемента, глиноземистые цементы и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ВОДА В ЦЕМЕНТНОМ КАМНЕ 

О присутствии воды в цементном  камне уже неоднократно упоминалось. Цементное тесто является гигроскопическим веществом вследствие гидрофильного  характера частиц цемента и наличия  в нем субмикроско-пических пор. Фактическое содержание воды в цементном камне зависит от влажности окружающей среды. В частности, капиллярные поры из-за их сравнительно большого размера осушаются в тех случаях, когда относительная влажность окружающей, среды падает ниже примерно 45%, в порах геля вода адсорбируется даже при очень низкой влажности среды.

Таким образом, можно видеть, что вода в цементном камне  может удерживаться с различной  степенью прочности связи. С одной  стороны, имеется свободная вода, с другой — химически связанная, образующая определенную часть гидратированных  соединений. Между этими двумя  крайними категориями находится  вода геля, которая может удерживаться в цементном камне различными силами.

Вода, удержанная поверхностными силами частиц геля, называется адсорбционной  водой. Часть этой воды, которая по данным некоторых исследователей удерживается между поверхностями определенных плоскостей в кристалле, называется цеолитовой водой.

Вода решетки — это  часть кристаллизационной воды, которая  химически не связана с основными  компонентами решетки.

Свободная вода удерживается в капиллярах и находится вне  поля действия поверхностных сил  твердой фазы.

В настоящее время нет  методики испытаний, которая позволила  бы определить количество воды в указанных  различных ее состояниях. Также нелегко  предсказать эти величины исходя из теоретических представлений, поскольку  величина энергии связи воды в  гидрате такого же порядка, как и  величина энергии связи адсорбированной воды .

По существующей классификации  полезная для исследовательских  целей вода в цементном камне  подразделяется на воду неиспаряющуюся и испаряющуюся.

Это разделение достигается  при высушивании цементного камня  до установившегося равновесия (т. е. до постоянного веса) при определенном давлении пара. Обычно высушивание выполняется при величине давления пара 8• 10~3 ммрт.ст., получаемого над Mg(C104h 2Н20. Недавно было применено высушивание цементного камня под вакуумом, соединенным с влагоуловителем, охлажденным до температуры—79° С. Количество испаряющейся воды может быть определено также путем высушивания при повышенной температуре, обычно 105° С, в результате или вымораживания, или удаления с растворителем.

Все эти методы в сущности основаны на разделении воды в соответстви с возможностью ее удаления из цементного камня при определенном пониженном давлении водяного пара. Такое деление неизбежно является в какой-то части произвольным, поскольку зависимость между давлением водяного пара и содержанием воды в цементном камне имеет непрерывный характер. В противоположность кристаллогидратам в этой зависимости нет характерных точек, соответствующих определенным стехиометрическим количествам воды.

В целом, неиспарающаяся вода включает почти всю химически связанную воду, а также некоторое количество воды, не удерживаемой химическими связями. Эта вода характеризуется более низким давлением пара, чем вода в окружающей атмосфере; количество такой воды в действительности есть непрерывная функция давления окружающего пара.

Количество неиспаряющейся воды увеличивается по мере развития гидратации, но в насыщенном водой  цементном камне количество неиспаряющейся воды никогда не может превысить  половину общего количества имеющейся  воды. В достаточно полно гидратированном  цементе количество неиспаряющейся воды составляет около 18% веса безводного материала; такое соотношение возрастает примерно до 23% в полностью гидратированном цементе. Это вытекает из пропорциональной зависимости между количеством неиспаряющейся воды и объемом твердой части цементного камня, при этом последний объем может быть использован для определения количества присутствующего цементного геля, т. е. степени гидратации.

Способ удержания воды в цементном камне определяет энергию связи. Например, 400 калорий  необходимо для связывания 1 г неиспаряющейся воды, в то время как энергия  кристаллизационной воды Са(ОН)2 составляет 850 калорий на 1 г. Кроме того, плотность воды различна и составляет примерно 1,2 для неиспаряющейся воды, 1,1 для воды геля и 1 для свободной воды. Было показано, что увеличение плотности адсорбционной воды при ее низких поверхностных концентрациях не есть результат уплотнения, а вызывается ориентацией молекул в адсорбированной фазе вследствие действия поверхностных сил.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ВОДА И ЕЕ ПОВЕДЕНИЕ В ПРИСУТСТВИИ ЦЕМЕНТНЫХ МИНЕРАЛОВ

 

Вода — термодинамически устойчивое соединение.

Вода —хороший растворитель полярных жидкостей и соединений с ионными связями, она образует кристаллогидраты со многими химическими соединениями.

В жидкой воде устанавливается  равновесие между связанными в ассоциаты и свободными молекулами.

В воде «роме молекулярных существуют и ионно-молекуляр-ные компоненты, образованные устойчивыми ионами ОН~ и Н3О+, которые активно участвуют в реакциях гидратообразования.

Воду рассматривают и  как аморфный полупроводник, поскольку  она является диэлектрической средой, в которой движутся и взаимодействуют  заряженные частицы Н3О+ и ОН- по аналогии с электронными полупроводниками.

Связанную воду можно представить ,как находящуюся под давлением в десятки тысяч атмосфер среду из-за влияния поля поверхности твердого тела.

Поскольку вода является полноправным участником процесса твердения вяжущих  веществ, ее свойства оказывают значительное влияние на характер взаимодействия в системе твердое — жидкость (Т — Ж).

Возможны различные способы  воздействия на структуру воды: химический (введение в воду водорастворимых  добавок), физический (тепловой, магнитный, ультразвуковой и др.

Вода (влага), содержащаяся в  материалах, может быть связана с ними различным образом.

Физико-механически связанная вода по своим свойствам приближается к свойствам обычной жидкости.

В то же время физико-химически связанная вода (особенно первые адсорбированные слои жидкости) характеризуются рядом особенностей.

Связанная вода обладает свойствами упругого твердого тела.

Такая вода замерзает при  более низкой температуре (до — 75°С) и не способна растворять легко растворимые  вещества, обладает высоким удельным сопротивлением (практически электрическая проводимость ее равна нулю).

При этом происходит уменьшение общего объема системы твердое тело + вода (контракция).

Вода содержится в кристаллах в виде ионов ОН~, причем наличие  гидроксильного иона обнаруживалось даже в Ci2A7) полученном плавлением при 1500 °С и охлажденном в среде сухого азота.

Вода, находящаяся в дисперсной системе, не является однородной по всему объему системы.

Цементные сырьевые шламы  — полидисперсные и полиминеральные  системы, в которых твердая фаза представлена частицами известняка, кварца, глины и других материалов, а жидкая — водой.

Молекулы воды, ориентированные  вокруг заряженной глинистой частицы, образуют пленку адсорбционно связанной  водой, которая находится в ином физическом состоянии, чем капельножидкая.

Избыточная вода располагается  в пространстве между агрегатами, образуя водные прослойки различной толщины.

Поскольку с мелом, известняком, глиной и природной водой в  суспензию привносятся ионы Са2+ и Mg2+, такие системы (шламы) склонны к большей агрегации частиц друг с другом за счет значительной компенсации потенциала твердых частиц при адсорбции на их поверхности указанных ионов (^-потенциал низкий).

При этом образуются нерастворимые  в воде карбонаты, силикаты, фосфаты  кальция и магния, выпадающие в  виде твердых частичек в суспензии.

При гранулировании цементной  сырьевой муки, керамических масс, зол, цементной пыли в качестве технических  связок чаще всего используют воду (до влажности муки 13%), глиняный шликер, жидкое стекло, лигно-сульфонаты кальция, поливинилацетат, известь и другие материалы.

В общем случае гидратация представляет собой процесс взаимодействия вещества с водой с образованием гидратного соединения.

Возможно протекание реакции  путем соединения поверхности исходных зерен с водой и последующим  осаждением перешедших в раствор частиц.

При соприкосновении с  водой зерна цемента практически  мгновенно всасывают ее и реакция гидратации протекает на сильно развитой поверхности, значительная часть которой приходится на срединную часть частицы.

Процесс разрушения цементных  зерен водой протекает с затухающей скоростью, что вызывается образованием на их поверхности защитных пленок из продуктов реакции и уменьшением  размера гидратирующихся частиц во времени.

Деление вяжущих веществ  на высоко-и низкотермичнЫе явно недостаточно и не характеризует собственно процессы гидратации, особенно сразу после затворения водой, и влияние на них общих и частных факторов.

Такая трактовка предопределяет главную задачу термохимической  кинетики в приложении к химической технологии цементов и бетонов —  установление термокинетических закономерностей в изменяющейся реакционной системе цемент — вода и на этой основе регулирование скоростей гидратации и управление процессами твердения.

В начальный период гидратации при соприкосновении частиц цемента  с водой на контактной поверхности  сразу же начинают идти реакции растворения  кристаллов безводных минералов  и ре-зультзтом их протекания является насыщение воды затворения ионами Са2+, SO42~, OH~,?

В течение первых нескольких минут вода, находящаяся в порах  заформованного цементного теста, пересыщается ионами Са2+ и насыщается ионами SO42~, K+, Na+, в раствор переходят и небольшие количества ионов алюминия, железа и кремния.

Когда при затворении цемента с водой в течение короткого времени материал схватывается, иногда наблюдается явление, называемое ложным схватыванием.

Более длительное перемешивание  цемента с водой обусловливает нормальное его схватывание.

Поэтому хорошо известно, что  затвердевший цемент при повторном  измельчении и затворении с водой снова схватывается и твердеет, хотя прочность такого цементного камня ниже прочности, достигаемой при первом схватывании.

Микропоры, гель, адсорбционная  вода, сверхмалые, большие внутренние, внутрикристаллитные

Вода из цеолитов удаляется  при нагреве постепенно, при этом кристаллический каркас не нарушается.

Во влажной атмосфере  они способны вновь поглощать воду.

Для обеспечения гидратации и подвижности цементного теста  необходимо, чтобы каждое зерно находилось в контакте с водой.

Этот процесс обусловливает  повышение количества пор в структуре, заполняемых освобождающейся из гидратов водой, и разрыхлением структуры  камня в связи с увеличением  общего его объема по сравнению с исходным.

Снижение прочности цементного камня из СиАт в период от 1 до 3 сут вызвано, с одной стороны, начавшейся перекристаллизацией гексагональных гидроалюминатов кальция в С3АН6, с другой — быстрым проникновением воды (при помещении образцов в воду) внутрь образца, быстрой гидратацией CiaAy с образованием большого количества твердой фазы в уже сформировавшейся структуре, сопровождающейся возникновением в ней напряжений.

При начальном взаимодействии цемента с водой на поверхности  его зерен образуется экранирующая гидратная оболочка.

 

Другим важным фактором, приводящим к появлению внутренних напряжений в структуре цементного камня, является перекристаллизация метастабильных гидратных фаз в кристаллическом  каркасе, образовавшихся на начальной  стадии взаимодействия цемента с водой.