Как формируется бетон

Взаимодействие цемента с водой сводится к химической реакции с клинкерными минералами, в результате которой образуются коллоидные частицы (частицы, размер которых находится в диапазоне от 1 до 100 нм). При этом жидкая фаза становится насыщенной щелочами и окисью кальция. Цемент состоит из C3S (это обозначение трехкальциевого силиката 3CaO·SiO2), C2S (2CaO·SiO2), которые дают в результате реакции с водой субмикрокристаллы – гидросиликаты, C3A (3CaO·Al2O3 – трехкальциевый гидроалюминат), который образует гидроалюминат кальция в виде также субмикристаллов с большим количеством выделенной теплоты.

Для замедления схватывания в цемент добавляют гипс, который при взаимодействии с гидроалюминатом кальция покрывает C3A тонкой пленкой, затрудняющей доступ воды к этому минералу, поскольку именно C3A (после взаимодействия с водой) определяет вяжущие свойства цемента, то перекрытие доступа воды к нему останавливает реакции.

Коллоидные системы обладают устойчивостью (их частицы не слипаются), поскольку в системе существует двойной электрический слой на частицах (сольватные оболочки), при исчезновении которого частицы слипнутся и потеряют кинетическую устойчивость. Устойчивость системы из коллоидных частиц сильно зависит от формы частиц и, если последняя не изотропна, то появляются участки на частицах, где факторы устойчивости играют меньшую роль. Именно по этим участкам частицы начинают слипаться (под действием сил Ван-дер-Ваальса), формируя пространственную сетку – цементный гель.

Цементный гель представляет собой коагуляционную структуру – взаимодействие между частицами обусловлено физической природой (Ван-дер-Ваальс). В отличие от коагуляционной в кристаллизационной структуре частицы связаны уже химической связью. Коагуляционная структура ухудшает удобоукладываемость бетонной смеси, однако препятствует седиментационным явлениям (гравитационное осаждение частиц дисперной фазы), которые приводят к росту пористости.

Реакция цемента с водой характеризуется активной начальной фазой – первые 30-40 минут: выделяется тепло, происходит увеличение концентрации CaO в жидкой фазе, возрастает электропроводность, однако затем эти процессы замедляются, поскольку зерна цемента покрываются тонкой пленкой гидратных новообразований – гидросульфоалюминатов: прекращается доступ воды к цементу. Пленки в результате действия осмотического давления спустя 2-4 часа разрываются и реакции получают дальнейшее развитие. На этом этапе происходит формирование структуры бетона, нарушение которой приводит к необратимым потерям в прочности бетона.

Интересный факт – в процессе твердения в цементе постоянно образуются гелеобразные новообразования (коллоидные частицы), даже и в поздние сроки твердения. Эти новообразования накапливаются на поверхности зерен цемента и препятствуют проникновению воды. В результате получается, что затвердевший цементный камень имеет в своем составе до 50% негидратированных частиц цемента! Эти частицы служат частично источником материалов для «залечивания» микротрещин, однако в целом – эти частицы играют просто роль микрозаполнителей. Таким образом, половина цемента не расходуется по назначению – реакция с водой. В процессе твердения между частицами гидросиликатов остаются пустоты размерами 25 – 50 ангстрем, что обуславливает высокую микропористость бетона. Внутренность пустот покрывает мономолекулярный слой воды, свойства которого могут чрезвычайно удивить – она не замерзает до -75оС.

Процессы гидратации цемента приводят к тому, что суммарный объем цемента и воды уменьшается, поскольку вода входит в кристаллическую решетку гелеевых новообразований. Это прекрасно видно по следующей химической реакции:

3CaO·Al2O3 + 6H2O = 3CaO·Al2O3·6H2O

абсолютный объем веществ слева: (270,18/3,04 + 108,1) = 196,98 см3, в то же время, абсолютный объем веществ справа: 378,28/2,52 = 150,11 см3. Здесь 270,18; 378,28 – молекулярные веса алюмината кальция и гидроалюмината кальция (справа), а в знаменателях – их плотности. Из примера мы видим, что объем слева – 197 см3, а справа – 150 см3. На 100 кг цемента происходит уменьшение на 6-7 литров, в результате чего возникают закрытые микропоры и внутренние растягивающие напряжения.

Комментарии закрыты.