Трехкальциевый алюминат с водой

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Минералы клинкера портландцемента, формулы

Основные минералы клинкера: алит 3CaO-SiO2; белит 2CaO-SiO2; трехкальциевый алюминат ЗСаО×А12О3 и алюмоферриты кальция переменного состава от 8CaO-3Al2O3-Fe2O3 до 2CaO-Fe2O3.

Портландцементный клинкер состоит из ряда искусственных минералов, образовавшихся при обжиге.

Ориентировочное содержание и формулы основных четырех минералов в портландцементном клинкере составляет ‘(% по массе): алит 3CaO-SiO2(C3S) —- 40. 65, белит 2CaO-SiO2(C2S) — 15. 40, целит ЗСаО-А12О3(С3А) — 5. 15, целит 4СаО-Al2O3-Fe2O3(C4AF) — 10. 20.

Исследования цементного клинкера под микроскопом показывают, что в нем преобладают кристаллы алита и белита, между которыми размещается промежуточное вещество, состоящее из алюминатов и алюмоферритов кальция в кристаллической форме, а также незакристаллизованного стекла и оставшихся в свободном состоянии СаО и MgO.

Трехкальциевый силикат (алит) — главный минерал цементного клинкера — обладает большой активностью в реакции с водой, особенно в начальные сроки (величина тепловыделения к 3 сут достигает примерно 2/з от тепловыделения при полной гидратации).

Алит быстро твердеет и набирает высокую прочность.

Двухкальциевый силикат (белит) значительно менее активен, чем алит. Тепловыделение белита при полной гидратации примерно в 2 раза меньше, чем у алита, и к 3 сут составляет около 10 % от тепловыделения при полной гидратации.

Твердение белита происходит медленно. К месячному сроку продукт его твердения обладает сравнительно невысокой прочностью, но при длительном твердении (несколько лет) в благоприятных условиях (при положительной температуре и влажной среде) его прочность неуклонно возрастает.

Трехкальциевый алюминат — самый активный клинкерный минерал, отличающийся быстрым взаимодействием с водой. Его тепловыделение при полной гидратации почти в 2 раза больше, чем у алита, а за 3 сут составляет не менее 80 % от общего тепловыделения.

Однако продукт его твердения имеет повышенную пористость, низкие прочность и долговечность. Быстрое твердение С3А вызывает раннее структурообразование в цементном тесте и сильно ускоряет сроки схватывания (всего до нескольких минут).

Если не ввести добавку гипса, то получается цемент «быстряк», бетонные смеси на котором из-за преждевременного схватывания не успевают хорошо перемешать и уложить в форму.

Четырехкальциевый алюмоферрит характеризуется умеренным тепловыделением и по быстроте твердения занимает промежуточное положение между трехкальцие-вым и двухкальциевым силикатами. Прочность продуктов его гидратации в ранние сроки ниже, чем у алита,-и несколько выше, чем у белита.

Располагая данными о формуле, минеральном составе клинкера и зная свойства клинкерных минералов, можно заранее предопределить основные свойства цемента и особенности его твердения в различных условиях эксплуатации.

Нежелательными составными частями портландцементого клинкера являются свободные оксиды кальция и магния. Их вредное влияние проявляется в том, что они гидратируются очень медленно в уже затвердевшем цементе (см. с. 133). Содержание свободных СаО и MgO в клинкере допускается соответственно не более 1 и 5 %

В клинкере могут быть также щелочные оксиды №гО и КгО, перешедшие в него из сырьевых материалов и золы твердого топлива. Их вредное влияние может проявиться в тех случаях, когда бетон изготовлен на заполнителях, содержащих опаловидный кремнезем.

Щелочи, реагируя с диоксидом кремния, образуют в водной среде водорастворимые силикаты калия и натрия с увеличением объема, что вызывает растрескивание бетона. Содержание Na2O и КгО в цементах для таких бетонов ограничивается до 0,6 %.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Трехкальциевый алюминат

Трехкальциевый алюминат ( С3А) и четырехкальциевый алюмоферрит ( C4AF) вследствие их вяжущей инертности и незначительного количества с введенным кремнеземом не реагируют. Повышение механической прочности камня, твердеющего при высоких температурах и давлениях, зависит как от количества, так и от качества вводимого кремнезема. [16]

Трехкальциевый алюминат активно подвергается гидратации, переходя в коллоидное состояние. В противоположность ему двухкальциевый силикат взаимодействует с водой очень медленно с образованием двухкальциевого гидросиликата. [18]

Трехкальциевый алюминат при 20 и 70СС образует малопрочные структуры. Основные фазы — С4АН13 ( переходит в СзАНе), АН, ГКАК состава С3А — СС-НП и портландит СН. Появление ГКАК при 70 С через 60 сут втрое увеличивает контракцию по сравнению с 20 С. При твердении С3А в ЫаС1 и КС1 при 20 С ранняя прочность уменьшается, но в дальнейшем твердение идет нормально, по логарифмическому закону с ускорением в период 7 — 28 сут и замедлением к 90 сут. А в КС1 всегда выше, чем в НаС1; расширение невелико ( — 1 %), СН на поверхности образцов не образуется. [19]

Если трехкальциевый алюминат и трехкальциевый силикат имеют наибольшую скорость тепловыделения в начальные сроки твердения, то двухкальциевый силикат, выделяя вначале малое количество тепла, в последующие сроки характеризуется повышенным тепловыделением. [20]

Кристаллы трехкальциевого алюмината и алюмоферрита значительно меньше по размеру и встречаются в небольшом количестве среди клинкерного стекла, так как большая часть этих минералов не успевает выкристаллизоваться из расплава при быстром охлаждении клинкера. При минералогическом описании клинкера все эти фазы относят к промежуточному ( между кристаллами элита и белита) веществу, которое иногда называют целитом. В качестве примесей в алюминате присутствуют оксид натрия, хлорид кальция, оксиды магния и хрома. Оксид серы тзкже может связываться с алюминатом. [21]

Содержание трехкальциевого алюмината должно быть не более 8 %, так как он придает малую прочность и низкую морозостойкость асбесто-цементным изделиям. Тонкость помола цемента должна быть в пределах удельной поверхности 2900 — 3200 см2 / г. Песчанистый портландцемент получают совместным помолом портландцементного клинкера; кварцевого песка ( до 45 %) и гипса. Помол компонентов может быть и раздельным с последующим их смешением. Тонкость помола должна быть до удельной поверхности 3200 — 3600 см2 / г. Применение этого вяжущего позволяет обеспечивать существенную экономию клинкера. Портландцементы, применяемые для производства изделий способом экструзии, кроме соответствия указанным требованиям, не должны содержать более 0 3 % быстрорастворимых щелочей. [22]

Зерна трехкальциевого алюмината при этом приобретают сине-зеленый цвет, в то время как остальные минералы не изменяют своей окраски. [23]

Взаимодействие трехкальциевого алюмината с водой происходит следующим образом. [24]

Структура трехкальциевого алюмината была установлена благодаря исследованиям Лагерквиста, Вальмарка и Вестгрена 1в на примере изучения изоморфного соединения 35гО — А12Оз — Они получили результаты, позднее полностью совпавшие с результатами, полученными Мак — Мерди17, который рассматривал вопрос о наиболее вероятной структуре трехкальциевого алюмината. [25]

При гидратации трехкальциевого алюмината и алюмофер-ритной фазы в присутствии гипса вместо гидроалюмоферрит-ного твердого раствора образуются гидросульфоалюмоферриты кальция. [26]

Для определения трехкальциевого алюмината порошок средней пробы клинкера измельчают в агатовой ступке до более тонкого состояния. Избыток кислоты отбирают полоской фильтровальной бумаги. [27]

Для растворения трехкальциевого алюмината употребляется, раствор азотной кислоты, для браунмиллерита 4СаО А120з Fe203 — раствор соляной кислоты / а для кальциевых силикатов и портландцемента-смесь растворов азотной и плавиковой кислот. [28]

Для растворения трехкальциевого алюмината употребляется раствор азотной кислоты, для 4СаО А12О3; Fe2Od — раствор соляной кислоты, а для кальциевых силикатов и портландцемента — смесь растворов азотной и плавиковой кислот. [30]

Источник

Схватывание и твердение бетона

Когда бетон взаимодействует с водой, он твердеет и становится цементным камнем. Однако для влияния на этот процесс необходимо понимать, что происходит: как проистекает твердение, от каких факторов оно зависит. Изучение стадий гидратации позволяет ученым создавать добавки для бетона, ускоряющие схватывание и улучшающие его свойства.

Выгоды от применения добавок

Предприятия, производящие железобетонные изделия или выпускающие товарный бетон, пользуются упомянутыми добавками и получают ощутимые преимущества. Ведь добавки позволяют:

• уменьшить потребление электричества и газа, поскольку сроки пропаривания ЖБИ сокращаются;
• снизить трудозатраты на вибрирование;
• увеличить скорость оборачивания опалубки (формоснастки);
• сэкономить цемент;
• улучшить эксплуатационные качества товарного бетона и ЖБИ.

Стадия схватывания бетона

Эта стадия занимает небольшой отрезок времени – несколько часов. Сколько именно будет проходить схватывание, зависит от температуры окружающей среды. Эталоном считается температура 20 градусов Цельсия – это так называемая расчетная температура. Она позволяет бетону/цементу схватиться через 2 ч после затворения раствора. Сам процесс схватывания занимает 1 ч. То есть примерно через 3 ч после затворения можно сказать, что бетон/цемент схватился. Но если температура равна 0 градусов, данная стадия занимает 15-20 ч. Да и начало схватывания при нулевой температуре приходится на 6-10-й час после затворения смеси. А вот при высоких температурах картина обратная – пропаривание ЖБИ в специальных камерах позволяет ускорить схватывание до 10-20 мин.

На этой стадии можно помешать бетону/цементу окончательно твердеть. Ведь раствор еще остается подвижным, и если его постоянно помешивать, процесс схватывания затягивается – действует механизм тиксотропии. Поэтому раствор доставляют в бетоносмесителе, осуществляющем непрерывное вращение смеси. Так сохраняются ее основные свойства, а будущая надежность и прочность бетона/цемента ничуть не уменьшается.

Однако чрезмерное затягивание времени вращения негативно сказывается на качественных характеристиках бетона/цемента. К сожалению, такие случаи бывают – когда форс-мажорные обстоятельства не позволяют вылить раствор в опалубку, и смесь приходится перемешивать в бетоносмесителях в течение 10-12 ч. Особенно неприемлемы подобные ситуации при жаркой погоде, ведь высокая температура воздуха способствует быстрому схватыванию бетона/цемента. Непрерывное вращение не дает смеси твердеть, однако в ней происходят необратимые изменения, отнюдь не улучшающие эксплуатационные характеристики.

Стадия твердения бетона

Как только стадия схватывания бетона/цемента закончена, наступает стадия твердения. Смесь лежит в опалубке, она схватилась и теперь твердеет. Поскольку в нормативах прописано время твердения 28 дней, многие считают, что это окончательный срок. На самом деле процесс твердения и набора прочности товарного бетона или ЖБИ идет годами. 28 суток – это регламентированный срок, позволяющий использовать бетонные изделия с некоторой гарантией. За эти четыре недели прочность бетона/цемента нарастает весьма динамично, а далее увеличение твердости происходит малыми темпами. Так получается благодаря входящим в состав смеси компонентам, обеспечивающим ее гидратацию.

Компоненты бетона

При затворении цементного/бетонного раствора его основные компоненты вступают в реакцию с водой. На стадиях схватывания и твердения их поведение значительно различается. Одни ингредиенты сразу же при затворении вступают в реакцию с жидкостью, другие – спустя время, третьи не проявляют активности вовсе. Вот компоненты бетонной/цементной смеси:

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

Роль трёхкальциевого силиката

Минерал C3S (формула 3СаО х SiO2) способствует нарастанию прочности бетона/цемента не только в течение 28 дней, но и гораздо дольше. Хотя, конечно, наиболее значимый вклад в дело прочности С3S делает в первый месяц существования бетонной или железобетонной конструкции. Трёхкальциевый силикат выделяет тепло, когда в смесь добавляют воду, затем нагревание прекращается на непродолжительное время и возобновляется с началом стадии схватывания. Вся эта стадия идет с выделением тепла, а в процессе твердения температура постепенно снижается. Именно трёхкальциевый силикат играет главную роль в приобретении стройматериалом прочности несмотря на то, что в первые сутки после затворения смеси в ней более активно действует другой компонент – С3А.

Трёхкальциевый алюминат – самый быстрый компонент

С3А (формула 3СаО х Аl2O3) усилено работает с самого начала стадии схватывания. В первые дни жизни бетонной/цементной конструкции он способствует стремительному нарастанию прочности – его скорость реакции в период схватывания огромна. А вот в стадии твердения и дальнейшем наборе прочности он практически не участвует.

Двухкальциевый силикат – помощник на стадии твердения

C2S (формула 2CaO x SiО2) в течение первых четырех недель бездействует. Стадия схватывания и первичный период твердения цемента происходят без его участия. К концу первого месяца активность его «родственника» – трёхкальциевого силиката – угасает. И двухкальциевый силикат вступает в активную фазу. Его благотворное воздействие на прочность бетона/цемента длится годами, способствуя нарастанию этого качества. Кстати, период «спячки» C2S можно значительно сократить, если использовать специальные добавки в бетонную/цементную смесь.

Инертность четырёхкальциевого алюмоферрита

C4AF (формула 4CaO x Al2O3 x Fe2O3) – минерал, практически не играющий роли в наборе прочности и твердении бетона/цемента. Только на самых поздних сроках твердения он оказывает влияние на увеличение прочности конструкции. Однако воздействие это незначительно.

Все эти компоненты вступают в химическую реакцию с водой при затворении. Данная реакция способствует увеличению, сцеплению и осаждению кристаллов минералов, так что гидратация бетона/цемента – это кристаллизация смеси.

Усовершенствование качеств бетона

Многочисленные лаборатории и институты подробно изучают процесс гидратации в целом и отдельные его этапы. Благодаря этому производители могут влиять на многие показатели:

• начало и конец схватывания смеси;
• ее подвижность;
• морозостойкость;
• водонепроницаемость;
• стойкость к коррозии;
• прочность и т.д.

Основная роль в оказании такого влияния принадлежит специальным добавкам в бетон/цемент. А современное оборудование, осуществляющее точное дозирование и тщательное перемешивание, помогает достичь отличных результатов по однородности состава бетона/цемента.

Источник