Гидратация цемента и что определяет скорость процесса твердения – формулы и время
Цемент – популярный строительный материал, получаемый искусственным путем. Он представляет собой мелкодисперсный порошок, который при взаимодействии с водой превращается в пластичную массу, способную затвердевать даже в условиях высокой влажности. Физико-химический процесс взаимодействия цемента с водой называется гидратацией. В результате его протекания растворы и смеси, изготовленные на базе цементного вяжущего, после твердения приобретают высокую прочность, водонепроницаемость, устойчивость к температурным перепадам.
Гидратация цемента – особенности процесса
Гидратация – это необратимый процесс, при котором молекулы воды соединяются с молекулами минералов, входящих в состав цемента. В результате таких взаимодействий образуется пластичная масса, которая после затвердевания преобразуется в камнеподобное твердое тело.
В нормативной документации указываются допустимые водоцементные соотношения, которые зависят от применяемой марки цемента и требуемых характеристик получаемых продуктов.
При достаточном количестве химически связывается примерно 25 % воды, остальная жидкость переходит в физически связанное состояние. Введение в материал воды в количестве меньше допустимого приводит к неполной гидратации, а больше допустимого – к образованию пор. В обоих случаях прочностные характеристики конструкции снижаются.
Основные стадии гидратации
Первая стадия гидратации цементного вяжущего – схватывание, протекающее в первые часы после затворения сухих компонентов водой. Время начала схватывания и скорость протекания этого процесса определяют следующие факторы:
- Температура окружающей среды. Чем она выше, тем быстрее протекает процесс. При комнатной температуре он длится до трех часов, при высоких температурах, созданных в камерах пропаривания, – до 20 минут. При 0 °C схватывание может занять до 20 часов.
- Состав вяжущего – номенклатура и соотношение минеральных компонентов, применяемые добавки. По ГОСТу 30515-2013 выделяют по скорости схватывания при стандартных условиях (+20 °C, относительная влажность – 75 %) три категории цементов: медленно схватывающиеся (начало процесса – через 2 часа после затворения), нормально схватывающиеся (начало схватывания – от 45 минут до 2 часов после затворения), быстро схватывающиеся (начало схватывания – до 45 минут после затворения цемента водой).
- Тонкость помола – чем порошок мельче, тем быстрее происходит схватывание.
Ненадолго отложить начало схватывания позволяет перемешивание пластичного материала. В вязком продукте даже при перемешивании через определенное время начинаются необратимые процессы, которые негативно влияют на прочность отвердевшего элемента. Строители называют такое явление «свариванием бетона». Скорость схватывания и последующего твердения можно изменить введением в состав раствора или бетона пластификаторов и других добавок.
Следующий после схватывания более длительный этап – твердение цемента. Этот процесс, который обычно начинается в течение суток после начала гидратации, может протекать в течение нескольких лет. В течение первых 7 дней созданная конструкция приобретает примерно 70 % прочности. Через 28 дней после заливки раствор или смесь набирают марочную прочность. Она составляет примерно 90-95 % от максимального показателя, для достижения которого требуется несколько лет.
Для получения качественного конечного продукта обеспечивают нормальные условия твердения цемента. Для этого необходимо:
- Оградить конструкцию от малейших механических воздействий, поскольку связи, созданные на начальных этапах гидратации, – непрочные. Они легко разрушаются и восстановлению не подлежат.
- Первые 2-3 недели для нормального протекания в гидратации создавать влажную среду и оберегать конструкцию от прямого воздействия солнечных лучей.
- Не допускать резких перепадов температуры. Для этого конструкцию засыпают небольшим слоем песка или опилок, укрывают утепляющими матами.
Такие меры, принятые во время твердения цемента, позволят снизить усадку конструкции, избежать появления трещин и деформаций.
Зависимость процесса гидратации от химического состава цемента
Механизмы схватывания и твердения цемента зависят от номенклатуры и процентного соотношения компонентов вяжущего. Некоторые из них начинают взаимодействовать с водой на начальной стадии гидратации, другие – через определенный промежуток времени.
В состав портландцемента входят:
- C2S – двухкальциевый силикат. Этот компонент вступает в реакцию с водой не сразу, а примерно через месяц после набора продуктом марочной прочности. Он положительно влияет на прочностные показатели бетона в долгосрочной перспективе. Применение пластификаторов ускоряет вступление двухкальциевого силиката в реакцию твердения цемента.
- C3S – трехкальциевый силикат. Этот компонент участвует во взаимодействии с водой с самого начала приготовления смеси или раствора и в течение всего периода гидратации. Но наибольший вклад он вносит в период набора марочной прочности материала.
- C3A – трехкальциевый алюминат. Способствует нарастанию прочности материала в первые дни твердения. В более поздний период он перестает работать.
- C4AF – четырехкальциевый алюмоферит. Вступает в действие уже в ходе твердения. Улучшает характеристики бетона на самых поздних сроках набора прочности.
Как можно ускорить или замедлить схватывание и твердение цемента
При проведении строительных работ часто возникают ситуации, требующие сокращения времени схватывания и твердения цемента, решить эту проблему позволяет применение специальных добавок. Они понадобятся при проведении бетонирования в зимних условиях или при необходимости увеличить темпы строительства.
Наиболее популярные присадки-ускорители твердения цемента:
- 4 %-е нитрат кальция или нитрат натрия, нитрит-нитрат кальция или хлорида кальция, нитрит-нитрат сульфата натрия;
- 2 %-й сульфат натрия;
- 2 %-й хлорид кальция – используется для армированных конструкций;
- 3 %-й хлорид кальция – предназначен для неармированных бетонных элементов.
Замедлители гидратации цемента используются в основном при возведении масштабных конструкций – крупноразмерных фундаментов, чаш бассейнов, гидротехнических и подземных объектов.
Функции замедлителей выполняют пластификаторы и гиперпластификаторы.
Применение таких добавок позволяет сохранить подвижность бетонных растворов и их рабочие характеристики в течение 24-48 часов после затворения вяжущего водой.
Гидратация цемента – важный процесс, который должен протекать с соблюдением правил, установленных государственными нормативами и проектной документацией для конкретного строительного объекта. Благодаря разработке широко спектра добавок стало возможным регулирование в широких пределах начала и скорости схватывания пластичного материала, его подвижности, прочности на разных стадиях твердения, коррозионной стойкости и других характеристик.
Применение цементного раствора: виды и схема работы
Как работает цемент
Показатели, которые стоит учитывать при выборе цемента
Упрощенное описание технологии производства цемента
Виды цемента
Основные марки цемента
Применение в строительстве
Цемент является одним из самых распространенных строительных материалов.
В чистом виде это сухой порошок, но в контакте с водой образовывается вяжущее вещество. Цементный раствор находит применение в строительстве на различных стадиях.
Как работает цемент
Цемент меняет физические свойства с выделением тепла.
Максимум теплоты наблюдается в завершении процесса.
Как быстро будет протекать гидратация, зависит от нескольких факторов:
- количество воды;
- температура;
- введение добавок.
Показатели, которые стоит учитывать при выборе цемента
- степень измельчения – чем она выше, тем прочнее готовая конструкция;
- стойкость к коррозии – предопределяет, как хорошо вещество будет противостоять разрушающим воздействиям окружающей среды;
- стойкость к низким температурам;
- потребность воды для качественной гидратации;
- прочность, что обозначено маркой;
- сульфатостойкость – противостояние воде, в которой содержатся ионы сульфата.
Также производители указывают, входят ли в состав добавки. Если они отсутствуют, об этом свидетельствует маркировка ДО. Когда объем добавок доходит до 5 %, на упаковке есть обозначение Д5. Если их в пределах 5-20 %, товар промаркирован надписью Д20.
Еще о продукте указаны дополнительные сведения – о его особых свойствах. Например, если это цементный раствор, который быстро твердеет, его опознают по пометке Б. Гидрофобизированный материал помечен буквами ГФ.
Упрощенное описание технологии производства цемента
- добыча сырья;
- транспортировка сырья на завод;
- помол компонентов;
- обжиг клинкера;
- вторичный помол – до состояния порошка;
- введение добавок в состав;
- фасовка.
Ключевые отличия в процессе производства заключаются в том, каким способом оно протекает. Есть сухой и мокрый метод. В первом случае клинкер готовят в сухом состоянии, а во втором – измельчением в воде.
Виды цемента
- быстротвердеющий портландцемент;
- сульфатостойкий портландцемент;
- с поверхностно-активными добавками;
- с гидрофобизирующими компонентами;
- белый портландцемент;
- цветной портландцемент;
- тампонажный портландцемент;
- пуццолановый портландцемент;
- шлаковые смеси;
- глиноземистый состав;
- расширяющиеся смеси;
- напрягающий материал;
- гидроизоляционный;
- высокопрочный.
Основные марки цемента
На упаковке со смесью впоследствии обозначают, насколько прочен материал. Если на ней написано М300 – это значит, что нагрузка достигает до 300 килограммов на сантиметр.
Соответственно, чем выше цифра после буквы М, тем прочнее будет строительный материал.
Например, марки М400-М500 находят применение в строительстве фундаментов. Для изготовления штукатурки, выполнения различных отделочных работ подходят марки М200-М300. М600 – продукт военного назначения. Его отличает максимальная прочность, что обуславливает и высокую стоимость. Поэтому он находит применение в возведении бункеров, аналогичных сооружений.
Следует учитывать, что по мере хранения материал утрачивает прочность. В среднем она становится ниже на 10 % в течение месяца. Но все зависит от условий хранения: чем выше влажность воздуха, тем больше страдает смесь. Это следует учитывать, составляя по инструкции пропорцию цементно-песчаного раствора.
Применение в строительстве
Она востребована при заливке площадок. Массой заполняют швы между панелями, ею выравнивают полы.Еще две области применения – оштукатуривание и облицовка. В промышленных масштабах из строительного материала делают плиты перекрытий, балки, другие железобетонные изделия для строения жилых, производственных, сельскохозяйственных объектов.
Мы производим и доставляем бетон круглосуточно уже более 15 лет. Все партии проходят лабораторный контроль, имеют паспорт качества.
Дата публикации — 15.03.2021
Понравилась наша статья?
Статьи
04-05-2021
Как влияет температура на прочность бетона?
04-05-2021
Приготовление бетона: пропорции и состав бетонной смеси
09-02-2021
Как защитить бетон от коррозии
Наша продукция
Мы производим товарный бетон, мостовой бетон, строительный и кладочный раствор
Закажите бетон от производителя
Заполните форму, и мы свяжемся с вами
Химия, стоящая за бетоном — декор из бетона
В 609 году нашей эры в Риме римляне построили Пантеон из простого древнего цемента, состоящего только из вулканического пепла и извести.
Колоссальное здание стоит до сих пор и почти не требовало ремонта за последние 1400 лет. Фото любезно предоставлено Google PhotosЕсли вас спросят, вы можете лучше всего описать цемент как «гидравлический клей». Он состоит только из специального клея, который связывает песок и гравий вместе, образуя твердый элемент, похожий на камень. Сам по себе цемент имеет очень мало применения. Однако, когда вы смешиваете заполнители, такие как песок и гравий, образуется бетон. Он повсюду вокруг нас — в наших домах, на предприятиях, на тротуарах, мостах, дорогах и автомагистралях. Безусловно, бетон является наиболее часто используемым искусственным материалом, когда-либо изобретенным.
Раннее происхождение бетона
Первые римляне изобрели цемент/бетон, смешав вулканический пепел (пуццолан) с известью (оксидом кальция). Они обнаружили, что при добавлении воды образуется отличный клей, который они назвали «opus caementicium». Это вещество, которое теперь называется раствором, могло скреплять большие каменные валуны, образуя стены.
А если бы римляне добавили гравия, его можно было бы высыпать на землю, чтобы сформировать твердые бетонные плиты и мощеные дороги, которые до сих пор существуют в Европе и Северной Африке.
Этот очень полезный материал не получил большой популярности, так как известь и вулканический пепел не всегда были доступны. Затем, в 1824 году, английский каменщик и самопровозглашенный химик по имени Джозеф Аспдин изобрел современный портландцемент. Он назвал этот цемент «портланд», потому что он напоминал камни, найденные на острове Портленд в Англии.
Разрушение химииАспдин знал, что римляне делали цемент из извести и вулканического пепла. Поскольку вулканический пепел был в дефиците в большинстве районов, он решил использовать известняк и песок для своего продукта. Эти легкодоступные материалы имеются в изобилии в природе.
Но известняк (карбонат кальция) представлял проблему. А именно, он нерастворим в воде и не может гидратироваться. Аспдин провел множество экспериментов, пытаясь химически преобразовать карбонат кальция в оксид кальция (известь), но каждый раз ему это не удавалось.
Впоследствии он получил известь, нагрев известняк до 1652 градусов по Фаренгейту (900 градусов по Цельсию). Нагревая известняк при такой высокой температуре, он смог заменить углекислый газ кислородом. Проще говоря, он получил чистую известь из известняка. Сегодня мы называем этот процесс прокаливанием. Это единственный способ производства портландцемента.
CaCO3 + Δ → CaO + CO2
Как уже упоминалось, известь (оксид кальция) хорошо растворяется в воде. Однако, как только он вступает в реакцию с водой, он превращается в твердый камнеподобный материал, называемый гидроксидом кальция (проще говоря, отвержденный цемент). Химическая реакция очень экзотермическая (с выделением энергии). Настолько, что если бы плотина Гувера не контактировала регулярно с холодной водой, она все равно излучала бы тепло.
CaO + h3O → CaOH3+O
Итак, подводя итог, мы видим, что весь процесс производства цемента и его использования в бетоне начинается с нерастворимого в воде материала, карбоната кальция (известняка).
Без сомнения, Джозеф Аспдин заслуживает огромной похвалы за изобретение портландцемента. Однако 19-й и 20-й века открыли современные кирпичные и бетонные дома, многоэтажки, дороги и автомагистрали. Впоследствии портландцемент Aspdin сам по себе не мог удовлетворить потребности этих современных бетонных конструкций. Поэтому промышленности пришлось модифицировать портландцемент, в результате чего были получены следующие типы цемента:
Как видно из названия, он отверждается без воды.
Он сделан из порошкообразного известняка, гипса и жидкости под названием оксихлорид. Он мало используется в крупной строительной отрасли. Однако из-за его водонерастворимости мы широко используем его для строительства мостов и водохранилищ. Удивительная особенность этого цемента заключается в том, что чем дольше стареет конструкция, тем тверже и жестче она становится.
Гидравлический (серый портландцемент)
По сути, современный гидравлический цемент — это тот же самый цемент, который разработал Аспдин. Однако, чтобы соответствовать механическим свойствам современных и очень требовательных архитектурных конструкций, цемент необходимо было модифицировать.
Доступный сегодня портландцемент состоит в основном из извести с добавлением диоксида кремния, оксида алюминия и оксида железа. Оксид алюминия играет наиболее важную роль. При добавлении воды он превращается в гель и долго удерживает воду. Затем диоксид кремния придает цементу гибкость и устойчивость к сколам.
И, наконец, оксид железа делает цемент в целом прочнее и повышает его прочность на растяжение. В этом цементе также много оксида марганца, что придает ему серый цвет.
По химическому составу белый цемент аналогичен серому портландцементу. Однако в нем гораздо меньше оксидов железа и марганца. Другие отличия включают его обработку при гораздо более высокой температуре и гораздо более тонкий помол, чем серый цемент. Подрядчики и дизайнеры в основном используют белый цемент для декоративных целей, таких как бетонные полы, архитектурные элементы зданий, украшения для газонов, статуи, колонны и столбы. Люди также используют его для гидроизоляции сухих стен.
Доработка для конкретных целей
Портландцемент требует дальнейшей модификации для конкретных нужд/применения:
- Цемент типа 1 является наиболее распространенным портландцементом.
- Добавляйте гипс в цементы типов 2, 4 и 5, чтобы сделать цемент устойчивым к сульфатам.
- Используйте цемент типа 3, если проект требует раннего схватывания.
- Используйте быстросхватывающиеся цементы для ремонта, который требует быстрого схватывания, например, для заполнения трещин и ремонта дорог. Также используйте их для ремонта дорог/выбоин в холодном климате. Эти цементы производятся путем добавления триалюмината тетракальция и силиката двухкальциевого кальция в цемент типа 1 или типа 3. Вы также можете добавить фосфаты кальция в портландцемент для быстрого отверждения.
- Добавление полимеров к портландцементу для придания дополнительной гибкости, лучшей адгезии к затвердевшему бетону и стойкости к сколам. К наиболее распространенным добавляемым полимерам относятся акриловые, стиролакриловые, поливинилацетатные, этиленацетатные, бутадиен-стирольные каучуки, эпоксидные смолы и пластификаторы.
Далее –
Часть II: Декоративный бетон, покрытия, аппликации помогают украсить мир, в котором мы живем
Остались вопросы по вашему проекту?
- Вопрос*
- У вас есть фото проекта, которым вы хотели бы поделиться с нами?
Перетащите файлы сюда или
Допустимые типы файлов: jpeg, jpg, gif, png, pdf, макс. размер файла: 50 МБ.Допустимые форматы: jpeg, jpg, gif, png, pdf
- Имя
- Фамилия
- Ваша роль*
- Электронная почта*
- Телефон
- Примечание. Некоторые вопросы будут опубликованы анонимно, а ответы на них будут опубликованы в конце этой истории, чтобы поделиться ими с другими читателями.
размер файла: 50 МБ.Основы производства цемента
специальный артикул
Основы производства цемента
Цемент является основным компонентом бетона. Бетон образуется, когда портландцемент образует пасту с водой, которая связывается с песком и камнем для затвердевания.
Цемент изготавливается из тщательно контролируемой химической комбинации кальция, кремния, алюминия, железа и других ингредиентов.
Обычные материалы, используемые для производства цемента, включают известняк, ракушки и мел или мергель в сочетании со сланцами, глиной, сланцем, доменным шлаком, кварцевым песком и железной рудой.
Эти ингредиенты при нагревании при высоких температурах образуют похожее на камень вещество, которое растирается в мелкий порошок, который мы обычно называем цементом.
Портландцемент, наиболее часто используемый цементный продукт, был впервые разработан в начале 19 века. Наиболее распространенным способом производства портландцемента является сухой способ.
Первым шагом является добыча основного сырья, в основном известняка, глины и других материалов. После добычи порода дробится. Это включает в себя несколько этапов. Первое дробление уменьшает размер породы до максимального размера около 6 дюймов. Затем порода поступает на вторичные дробилки или молотковые мельницы для измельчения примерно до 3 дюймов или меньше.
Щебень смешивают с другими ингредиентами, такими как железная руда или летучая зола, измельчают, смешивают и подают в цементную печь.
Цементная печь нагревает все ингредиенты примерно до 2700 градусов по Фаренгейту в огромных цилиндрических стальных вращающихся печах, облицованных специальным огнеупорным кирпичом. Печи часто достигают 12 футов в диаметре — достаточно больших, чтобы вместить автомобиль, и во многих случаях длиннее, чем высота 40-этажного здания. Большие печи установлены с небольшим наклоном оси от горизонтали.
Мелкоизмельченное сырье или суспензия подается в верхнюю часть. В нижней части находится ревущий взрыв пламени, создаваемый точно контролируемым сжиганием порошкообразного угля, нефти, альтернативных видов топлива или газа при принудительной тяге.
Когда материал проходит через печь, некоторые элементы удаляются в виде газов. Остальные элементы объединяются, образуя новое вещество, называемое клинкером. Клинкер выходит из печи в виде серых шариков размером с мрамор.
Клинкер выгружается раскаленным из нижнего конца печи и обычно доводится до рабочей температуры в различных типах охладителей.
Нагретый воздух из охладителей возвращается в печи, что позволяет экономить топливо и повышает эффективность горения.
После охлаждения клинкера цементные заводы измельчают его и смешивают с небольшим количеством гипса и известняка. Цемент настолько мелкий, что 1 фунт цемента содержит 150 миллиардов зерен. Цемент теперь готов к транспортировке на предприятия по производству товарного бетона для использования в различных строительных проектах.
Хотя сухой процесс является наиболее современным и популярным способом производства цемента, в некоторых печах в Соединенных Штатах используется мокрый процесс. Эти два процесса в основном похожи, за исключением мокрого процесса, сырье измельчается с водой перед подачей в печь
Адаптировано из «Как производится цемент» Portland Cement Association.
Лучшее восстановление
Тематическая статья
Строительство более качественных и устойчивых зданий и инфраструктуры в наших сообществах в соответствии с более высокими стандартами, чем того требуют действующие строительные нормы и правила, имеет решающее значение для будущего благополучия миллионов людей во всем мире.