Химия: расчет водоцементного отношения и количества добавок

После того, как в бетонную смесь добавляют воду, начинается химическая реакция взаимодействия цемента с водой – происходит образование иглообразных кристаллов, которые в дальнейшем образуют скелет – алюминатная структура. Эта структура примерно через месяц полностью заменяется силикатной структурой – малые кристаллы, возникшие от гидратации клинкерных минералов: 2(3CaO·SiO2). Эти процессы протекают с выделением тепла, иногда значительным, возрастает электропроводность.

Рассчитаем сколько воды необходимо для полной гидратации цемента следующего состава:

3CaO·SiO2 – 60%

2CaO·SiO2 – 20%

3CaO·Al2O3 – 8%

4CaO·Al2O3·Fe2O3 – 12%

            Запишем химические реакции взаимодействия составляющих цемент веществ с водой:

3CaO·SiO2 +5H2O = 2CaO·SiO2·4H2O + Ca(OH)2

2CaO·SiO2 + 4H2O = 2CaO·SiO2·4H2O

3CaO·Al2O3 + 6H2O = 3CaO·Al2O3·6H2O

4CaO·Al2O3·Fe2O3 + 7H2O = 3CaO·Al2O3·6H2O + CaO·Fe2O3·H2O

            Для того, чтобы данные реакции происходили, требуется определенное массовое соотношение между водой и веществами в левой части. Например, из первого уравнения мы видим, что на одну массовую часть соединения 3CaO·SiO2 приходится 5 массовых частей воды. Следовательно, нам нужно сначала рассчитать молекулярные массы всех соединений, стоящих в уравнениях слева, а затем найти требуемое количество воды, используя начальные данные о процентном соотношении каждого из соединений. Итак,

M(3CaO·SiO2) = 3(40+16)+28+32 = 228

M(2CaO·SiO2) = 2(40+16)+28+32 = 172

M(3CaO·Al2O3) = 3(40+16)+54+48 = 270

M(4CaO·Al2O3·Fe2O3) = 4(40+16)+54+48+112+48 = 486

M(H2O) = 2+16 = 18

Тогда, искомое В/Ц найдем, как

В/Ц = 0,6·18·5/228 + 0,2·18·4/172 + 0,08·18·6/270 + 0,12·18·7/486 = 0,4.

На взаимодействие с цементом в реальности уходит 15 – 20% от веса цемента (т.е. вступает в реакцию порядка половины по массе цемента), оставшаяся часть воды рассредотачивается в пространстве между зернами цемента и под частицами заполнителей, тем самым создавая предпосылки для возникновения капилляров и седиментационных полостей, что определяет пористость бетона. Пространственные размеры капилляров соответствуют диапазону от долей микрона до десятков микрон, а полости достигают нескольких сотен микрон. Излишек воды извлекают различными методами (уплотнение бетонной смеси), например, вакуумированием или центрифугированием.

Приведем еще один расчетный пример, связанный с химией и, как мы считаем, представляющий практическую пользу. Рассчитаем, в каком соотношении следует смешать портландцемент и гидравлическую добавку с содержанием 25% активного кремнезема. Необходимо, чтобы кремнезем полностью соединился со свободной известью, которая выделяется цементом при твердении. В результате этой реакции образуется CaO·SiO2·H2O. Содержание 3CaO·SiO2 в портландцементе составляет 50%.

Запишем химическую реакцию, которая протекает в описываемом процессе:

3CaO·SiO2 + 5H2O = 2CaO·SiO2·4H2O + Ca(OH)2.

Сумма молекулярных масс слева и справа: 228+90 = 244+74. Количество негашеной извести CaO в процентах по отношению ко всей массе цемента равно:

56·50/228 = 12,3%.

В соединении CaO·SiO2·H2O (однокальциевый гидросиликат) известь (CaO) и кремнезем (SiO2) соединяются в соотношении их молекулярных масс 56:60, следовательно, кремнезема следует взять 12,3·60/56 (в %), а гидравлической добавки в 4 раза больше (т.к. кремнезема в ней содержится 25%) – 12,3·60/(56·0,25) = 53% от массы цемента.

Окончательно, соотношение между цементом и гидравлической добавкой по массе должно составлять: 1 : 0,53 и смешанный с добавкой цемент будет содержать 100/(1+0,53) = 65% портландцемента и 100·0,53/(1+0,53) = 35% гидравлической добавки

Комментарии закрыты.