Гидратация бетона: Как происходит процесс затвердевания бетона — foamin.ru

Содержание

Как происходит процесс затвердевания бетона

В своей самой простой форме бетон — это смесь пасты и наполнителей. Паста, сделанная из портланд-цемента и воды, покрывает поверхность наполнителя. Во время химической реакции под названием «гидратация», паста затвердевает и «набирает силу», формируя камнеподобный материал, известный как бетон.

В этом процессе и заключается отличительная особенность бетона: он пластичен и гибок, когда только что смешан, и надежен и прочен после затвердевания. Это объясняет, почему из одного материала — бетона — строят небоскребы, мосты, тротуары, суперхайвеи, дома и дамбы.

Пропорции материалов в бетоне

Ключ к изготовлению надежного, крепкого бетона — тщательный подбор пропорций и смешивание материала. Смесь, в которой недостаточно пасты, чтобы заполнить всю пустоту между частицами наполнителя, будет трудно размещать, она даст неровные поверхности и пористый бетон.

Смесь с переизбытком цемента размещать будет легко, а ее поверхность будет гладкой; однако в результате бетон не оправдает свою стоимость и будет легко трескаться.

Химия портланд-цемента начинает действовать в присутствии воды. Цемент и вода формируют пасту, покрывающую каждую частицу наполнителей — камней и песка. В результате бетон затвердевает и становится крепче.

Качество пасты определяет характеристики бетона. Прочность пасты, в свою очередь, зависит от отношения воды к цементу. Оно рассчитывается делением веса воды на вес цемента. Для получения хорошего бетона нужно понизить это отношение насколько возможно, не жертвуя при этом «работоспособностью» свежего бетона, позволяющей ему должным образом размещаться, схватываться и выравниваться.

Подобранная как следует смесь обладает желаемой гибкостью в свежем виде и надежностью в затвердевшем. Обычно смесь состоит из 15% цемента, 60-75% наполнителей и 15-20% воды. Также она может содержать 5-8% воздуха.

Другие ингредиенты

Почти любая природная питьевая вода без ярко выраженного вкуса и запаха может использоваться как компонент для бетона. Излишние примеси не только могут повлиять на время схватывания и прочность бетона, но и привести к изменению его цвета, пятнам, коррозии арматуры, нестабильности объема и уменьшению прочности. В требованиях к бетонным смесям также установлены ограничения на хлориды, сульфаты, алкалиды и твердые частицы в воде для тех случаев, когда определить влияние примесей на бетон невозможно с помощью тестов.

Хотя почти любая питьевая вода подходит для бетонных смесей, наполнители выбирают очень тщательно. Они составляют 60-70% общего объема бетона. Тип и размер используемых наполнителей зависит от плотности и цели конечной бетонной продукции.

Процесс гидратации бетона

Вскоре после того, как наполнители, вода и цемент соединяются, смесь начинает затвердевать. Все портланд-цементы — гидравлические. Они затвердевают благодаря гидратации — химической реакции с водой. При этой реакции на поверхности каждой частицы цемента формируется узел. Он растет и расширяется, пока не связывается с узлами других цементных частиц или близлежащим куском наполнителя.

Когда бетон тщательно перемешан и готов к использованию, его нужно поместить туда, где смесь затвердеет.

При размещении бетон закрепляют, чтобы лучше заполнить форму и чтобы избавиться от потенциальных недостатков, таких, как «соты» и «воздушные карманы».

Для брусков бетон оставляют до тех пор, пока влажная пленка на поверхности исчезнет, после чего его выравнивают специальным деревянным или металлическим «поплавком». Это дает относительно гладкую, но слегка шершавую текстуру, которая не скользит и зачастую является конечной стадией для строительного бетонного бруса. Если же требуется совсем гладкая, твердая, плотная поверхность, после этого его разглаживают стальным мастерком.

Уход за бетоном нужно начинать, когда поверхность достаточно затвердела, чтобы сопротивляться повреждениям. Он помогает убедиться, что гидратация продолжается и цемент все еще набирает силу. Бетонные поверхности обрызгивают водой или используют влагосохраняющие ткани, такие как брезент или хлопок. Другие методы ухода предотвращают испарение воды, запечатывая поверхность пластиковыми или другими специальными спреями, называемыми «смеси для ухода».

Специальные технологии ухода используются при экстремально жаркой или холодной погоде, чтобы защитить бетон. Чем дольше он остается влажным, тем сильнее и прочнее он станет. Время затвердевания зависит от состава и однородности цемента, пропорций смешивания и температурных условий. В основном, гидратация и затвердевание бетона происходит в первый месяц жизненного цикла бетона, но он продолжает гидрироваться на протяжении многих лет, хоть и медленнее.

Гидратация цемента — что это такое? |

14.09.2015 profipol_dp 958 просмотра

При смешивании цемента с водой присходит физико-химическая реакция, называемая гидратацией.

Гидратация вызывает твердение цементного клея и превращение его в прочный цементный камень.

Процесс твердения цементного камня (бетона) условно разделяется на две стадии:

схватывание (кристаллизация, загустевание),
твердение (набирание прочности)

Процесс схватывания начинается через 4-6 часов после смешивания цемента с водой и может длиться около суток, в зависимости от температуры окружающей среды.

Частички цемента начинают кристаллизоваться и связывают заполнитель цементного раствора или бетона (песок, щебень) между собой.

Бетон (раствор) начинает густеть, становится менее подвижным.

В зависимости от необходимости этот процесс можно ускорить или, наоборот, растянуть с помощью специальных добавок. Чаще всего это пластификаторы с комбинированными свойствами (ускоритель или замедлитель).

Условно говоря, через сутки начинается вторая стадия — твердение цементного камня (набор прочности). При идеальных условиях длится она 28 дней.

На начальном этапе ни о какой прочности не может идти и речи. Чатицы цемента кристаллизовались и скрепили заполнитель раствора вокруг себя, но эти соединения очень хрупкие и легко разрушаемые. При малейших механических воздействиях или подвижках эти соединения разрушаются и раствор уже никогда не свяжется и не затвердеет (не поможет и повторное заливание водой).

Пример 1: если походить по стяжке, которая только начала твердеть и набирать прочность, то разрушенные соединения раствора уже не схватятся между собой и стяжка начнет крошиться и высыпаться в этих местах.

Пример 2: кафель намного легче снять на следующий день после укладки, чем в сам день укладки. Пока клей вязкий плитку очень тяжело оторвать от стены (пола). На след.день клей кристаллизуется, но стоит только пару-тройку раз постучать по плитке кулаком (резиновым молотком), так она сразу легко снимется.

За первые 7 дней цементный камень набирает около 70% всей своей прочности, затем процесс твердения замедляется и за оставшиеся три недели он набирает еще около 20-25% прочности.

Существует мнение, что бетон набирает прочность первые сто лет своей «жизни» и еще сто лет он ее утрачивает, т.е. через двести лет бетон может стать критично слабым и разрушиться (привет балконам на «екатерининках» и «сталинках»).

Но для того, чтобы бетон продолжал набирать прочность — он постоянно должен поддерживаться во влажном состоянии.

В первые 2-3 недели желательно периодически проливать его водой и, при жаркой погоде или на сквозняке, накрывать пленкой, чтобы влага не испарялась быстро.

Бетон (цементный раствор) должен застыть, а не высохнуть.
Это огромная разница. В этом весь смысл.

Если влага испарилась или замерзла в растворе, то процесс набора прочности останавливается.

Поэтому принудительное высушивание стяжки просто не допустимо.

Забудьте об открытых настеж окнах и дверях, включении ТП, тепловентиляторов и т.п.

Это тоже интересно:

бетон, материалы, цемент,

Гидратация цемента (схватывание и твердение)

Схватывание и твердение цемента

Всем известно, что, взаимодействуя с водой, цемент становится твердым и преобразуется в цементный камень. Но не всякий задумывается о сути этого дпроцесса: как затвердевает, по какой причине, что служит катализатором и как можно варьировать продолжительность затвердевания. И сегодня именно благодаря изучению и пониманию всех гидратационных процессов ученые создают новые усовершенствованные добавки для бетона или раствора. Их особый состав воздействует на процессы, которые происходят в момент затвердевания цементной смеси.

Сегодня при производстве бетона, люди имеют прекрасную возможность использовать эти добавки в свою пользу. Таким образом можно значительно снизить, избавиться от лишних затрат цемента, улучшить качественные характеристики продукции в целом (водонепроницаемость, морозостойкость, пластичность, прочность и прочее…), а так же проводить бетонирование зимой без специализированного оборудования. Такие изменения реальны, и они возможны благодаря специальным

добавкам для бетона или раствора. С полным перечнем нашего ассортимента добавок в бетоны и растворы можно ознакомиться в разделе нашего сайта: plastificator.com.ua/продукция/добавки-для-растворов-и-бетонов/

Процесс затвердевания бетона можно условно разделить на две стадии:

Схватывание — это достаточно непродолжительная по времени стадия, которая длится в первые 24 часа жизни смеси. Важно заметить, что время схватывания во многом зависит от температуры воздуха. К примеру, если окружающая температура составляет +20С, то цемент начинает схватываться приблизительно спустя 2 часа после замешивания цементного раствора. Схватывание заканчивается через 3 часа. Таким образом, процесс схватывания цемента длится всего 1 час. Однако, если окружающая температура близка к 0С, то процесс может продлиться от 15 до 20 часов. При 0С схватывание только начинается через 6–10 часов с момента замешивания бетона. Также на скорость схватывания можно повлиять специализированными добавками: ускоритель схватывания и замедлитель схватывания.

Следует помнить, что во время всего периода схватывания цементный раствор остается подвижным, то есть на него все еще можно оказать воздействие. Здесь имеет место понятие тиксотропии. То есть пока вы воздействуете на не застывший окончательно цемент, процедура схватывания растягивается. Именно по этому принципу работают все смесители, которые постоянно «шевелят» цементные смеси, сохраняя при этом их основные качества.

Твердение — это следующий процесс, наступающий сразу после схватывания цемента. По сути, твердение бетона происходит постепенно и может растянуться на годы. Описанный срок в 28 суток указывается лишь затем, чтобы определенная марка бетона гарантированно обладала определенной маркой бетона на тот или иной отрезок времени. Стоить иметь в виду, что график твердения цемента в первые несколько дней динамичный и нелинейный. Почему так происходит и что служит причиной затвердевания цемента, подробно описывает процесс гидратации.

Минералогический состав, гидратация цемента

Будет излишне описывать здесь все стадии получения портландцемента, поэтому перейдем сразу к составу цемента. Рассмотрим конкретно состав цемента и все его основные компоненты, которые участвуют в реакции с водой при затвердении цементного раствора. Итак, приступим.
В основе любого портландцемента лежат четыре минерала, которые получаются в результате всех этапов цементного производства:

C2S двухкальциевый силикат;
C3S трехкальциевый силикат;
C3A трёхкальциевый алюминат
C4AF четырехкальциевый алюмоферит.

Причем каждый из минералов имеет свои особенности и свое специфическое воздействие на разных стадиях схватывания цемента. Некоторые из них сразу вступают в реакцию с водой, другие — некоторое время спустя. Предлагаем рассмотреть реакцию каждого минерала более подробно:

C2S двухкальциевый силикат 2CaO x Si02

Этот минерал начинает воздействовать только через месяц после затвердения цемента. До этого времени он просто как бы находится в режиме покоя и ждет своей очереди. Однако этот период «простоя» можно существенно сократить путем применения специальных цементных добавок. Главный плюс этого минерала в том, что его воздействие длится не один год, укрепляя цементную смесь.

C3S трехкальциевый силикат 3CaO x SiO2

Этот минерал участвует в нарастании прочности цемента на протяжении всего времени. Можно с уверенностью сказать, что это главное звено свей смеси, однако в первые сутки жизни раствора у этого силиката имеется более весомый противник — СЗА, который будет описан чуть ниже. Гидратация цемента — это экзотермический процесс. То есть химические реакции, происходящие во время затвердевания, сопровождаются выделением тепла. Именно благодаря C3S раствор «греется» при замешивании. Нагревание прекращается до самого периода схватывания, после идет интенсивный выброс тепла на протяжении всего этапа схватывания, и только потом мы можем наблюдать постепенное понижение температуры.

Свою основную и самую значимую работу трехкальциевый силикат выполняет лишь в первые 28–30 дней после заливки цементного раствора. Вот это и есть тот самый гарантийный срок марочной прочности, о котором мы говорили вначале. По истечении этого месяца его воздействие на прочность цемента значительно уменьшается.

C3A трехкальциевый алюминат 3CaO x Al2O3

Это, наверное, самый активный из всех вышеперечисленных компонент. Его кипучая деятельность начинается вместе с началом периода схватывания. Именно благодаря этому алюминату происходит нарастание прочности смеси за первые несколько дней. В последующем его влияние на твердение и набор прочности незначительно, однако, что и говорить, по скорости ему нет равных.

C4AF четрыехкальциевый алюмоферит 4CaO x Al2O3 x Fe2O3

Про этот компонент можно подумать, что он вообще лишний в цементной смеси. Однако не стоит его недооценивать. Пусть его влияние на набор прочности и твердение минимально, но без этой составляющей не обходится ни один цемент. Незначительное влияние на прочность состава можно заметить уже на финальных этапах твердения.

Все вышеперечисленные компоненты вступают в химическую реакцию с водой, тем самым обеспечивая нарастание, скрепление и осаждение кристаллов соединений гидратации. По сути, процесс гидратации можно спокойно назвать процессом кристаллизации. Это будет так же правильно и более наглядно.

Многолетние разработки ученых и научные опыты, проведенные в многочисленных испытательных лабораториях и НИИ дали нам возможность прогнозировать и регулировать процесс гидратации цемента. Сегодня без труда можно повлиять на процесс начала и конца схватывания, контролировать подвижность смеси, значительно повысить характеристики бетона: коррозийную выносливость, морозостойкость, водонепроницаемость и и так далее. Всем этим мы обязаны специально разработанным добавкам в растворы и бетоны.

Влияние температуры на твердение бетона

При возведении монолитных конструкций и изготовлении изделий на полигонах бетон обычно твердеет при положительной температуре 5…35 ◦С. При достаточной влажности воздуха рост прочности бетона продолжается длительное время. Для ориентировочного определения прочности бетона в разном возрасте используют формулу

Lg n

Rn =R28————,

Lg 28

Где Rn =R28 — прочность бетона на сжатие в возрасте n и 28 суток, Lg n, Lg 28 — десятичный логарифм возраста бетона.

Эта формула дает удовлетворительные результаты про n > 3 для бетонов, приготовленных на рядовом портландцементе и твердевших при температуре 15 . .. 20◦С. В действительности темп роста прочности бетона, особенно в раннем возрасте, будет зависеть от многих факторов: минералогического состава и тонкости помола цемента, состава бетона, В/Ц ( за 1 принята прочность бетона в возрасте 28 суток). Чем меньше В/Ц, тем выше темп роста прочности бетона.

Способность бетона к длительному твердению можно использовать для экономии цемента. В ряде случаев конструкция воспринимает расчетные нагрузки в более поздние сроки, чем 28 сут. В благоприятных условиях твердение бетона продолжается и к моменту передачи на конструкцию эксплуатационной нагрузки прочность бетона часто превышает требуемую проектом. В подобных случаях, назначая более длительные сроки (90 или 180 сут) достижения бетоном проектной прочности, можно уменьшить R28 и сэкономить цемент, т.к. для получения бетона меньшей прочности требуется более низкий расход цемента.

Большое значение для твердения бетона имеет организация ухода за ним, особенно в раннем возрасте. Целью ухода является создание благоприятных условий для твердения бетона, сохранение надлежащей влажности среды. Для этого бетон укрывают полимерной пленкой, посыпают песком, который постоянно увлажняют, используют маты из синтетических материалов, устраивают покрывающие водные бассейны или используют другие способы, чтобы предохранить бетон от высыхания, чтобы избежать замедления процессов гидратации цемента и роста прочности бетона.

При быстром высыхании бетона в раннем возрасте возникают значительные деформации усадки, появляются микротрещина. В результате ухудшается структура бетона, снижается его конечная прочность. Исправить структуру созданием благоприятных условий в последующем не удается, поэтому правильный уход за бетоном в раннем возрасте является необходимым условием получения доброкачественного бетона.

Твердение бетона в зимний период.

Нормальной температурой среды для твердения бетона условно считается 15. ..20 ◦С. При пониженной температуре прочность бетона нарастает медленнее, чем при нормальной. При температуре бетона ниже 0 ◦С твердение практически прекращается, если только в бетон не добавлены соли, снижающие точку замерзания воды. В зимний период наблюдаются частые переходы температуры через 0 ◦С, что непосредственно отражается на твердении бетона. Бетон, начавший твердеть, а затем замерзший, после оттаивания начинает твердеть в теплой среде, причем, если он не был поврежден замерзающей водой в самом начале твердения, прочность его постепенно нарастает, однако, как правило, отстает от роста прочности бетона, твердевшего при нормальной температуре.

Бетон, укладываемый зимой, должен зимой же приобрести прочность, достаточную для распалубки, частичной нагрузки или даже для полной загрузки сооружения. Замерзание бетона в раннем возрасте влечет за собой значительное понижение его прочности после оттаивания и в процессе дальнейшего твердения по сравнению с нормально твердевшим бетоном. Это объясняется тем, что свежий бетон насыщен водой, которая при замерзании расширяется и разрывает связи между поверхностью заполнителей и слабым цементным камнем. Прочность бетона тем ближе к нормальной, чем он позже был заморожен. Кроме того, из-за раннего замораживания значительно уменьшается сцепление бетона со стальной арматурой в железобетоне.

При любом способе производства бетонных работ бетон следует предохранить от замерзания до приобретения им минимальной (критической) прочности, которая обеспечивает необходимое сопротивление давлению льда и сохранение в последующем при положительных температурах способности к твердению без значительного ухудшения основных свойств бетона.

Минимальная прочность, которую бетон должен

приобрести к моменту замерзания

R28, МПа	Минимальная прочность, не менее		Время выдерживания бетона на портландцементе при 15. ..20 ◦С, сут
R28, МПа	% от R28	МПа
10	50	5	5…7
20	40	7	3…5
30	35	10	2…2,5
40	20	12	1,5…2
50	25	12,5	1. ..2

При использовании быстротвердеющего высокопрочного цемента необходимое время выдерживания сокращается примерно в полтора раза. Если к бетону предъявляются высокие требования по динамическим свойствам, водонепроницаемости и морозостойкости, то его следует предохранять от замерзания до достижения марочной прочности, так как замораживание при минимальной прочности, не сказываясь заметно на прочность бетона при сжатии, может нарушить его структуру и ухудшить эти особые свойства.

При введении в бетон повышенного количества солей: хлористого кальция CaCl2, хлористого натрия NaCl, нитрата натрия NaNo3, поташа К2СО3 — он приобретает способность медленно твердеть при отрицательных температурах, т.к. соли понижают точку замерзания воды и сохраняют жидкую фазу в бетоне. Количество соли, добавленное в бетон, зависит от ожидаемой средней температуры твердения бетона.

Бетонная смесь с добавкой поташа быстро густеет и схватывается, что затрудняет ее укладку в опалубку. Для сохранения удобоукладываемости бетонной смеси с поташом в нее добавляют СДБ, мылонафт или суперпластификатор. Для приготовления бетонной смеси с противоморозными добавками можно использовать холодные заполнители, укладывать бетонную смесь с температурой до -5 ◦С.

Прочность бетона на портландцементе с добавками, твердеющего на морозе, может быть определена ориентировочно по таблице. Бетон с добавкой нитрита натрия при температуре -5 ◦С твердеет медленнее, а при температурах ниже -10 ◦С почти так же, как бетон с добавкой хлористых солей.

Прочность бетона с противоморозными добавками, % от R28

Вид добавки	Температура твердения бетона, ◦С	Время твердения на морозе, сут
Вид добавки	Температура твердения бетона, ◦С	7	14	28
Хлористые соли	-5	36	65	80
	-10	25	35	45
	-15	15	25	35
Поташ	-5	50	65	75
	-10	30	50	70
	-15	25	40	60
	-20	22	35	55
	-15	20	30	50

Способ зимнего бетонирования с применением противоморозных добавок прост и экономичен, но большое количество соли, вводимой в бетон, может ухудшить структуру, долговечность и некоторые особые свойства. При эксплуатации конструкции во влажных условиях имеется опасность коррозии арматуры от действия хлористых солей (нитрит натрия и поташ коррозии не вызывают). Кроме того, образующиеся в процессе твердения бетона с добавками едкие щелочи могут вступить в реакцию с активным кремнеземом, содержащимся в некоторых заполнителях, и вызвать коррозию бетона.

Ю.М. Баженов «Технология бетона» Москва 2003 г

Условия твердения бетона и уход за ним

В процессе твердения в бетоне протекают реакции гидратации, в ходе которых минералы цемента, взаимодействуя с водой, образуют новые соединения. Обезвоживание бетона в ранние сроки в результате испарения может замедлить или прекратить процесс твердения и привести к недобору прочности, а также вызвать большие его усадки и растрескивание.

При благоприятных условиях твердения прочность бетона непрерывно повышается. Для нормального твердения бетона необходима положительная температура 20±2°С с относительной влажностью окружающего воздуха не менее 90%.

При нормальных условиях твердения нарастание прочности бетона происходит довольно быстро и бетон (на портландцементе) через 7—14 дней после приготовления набирает 60—70% своей 28-дневной прочности. Затем рост прочности замедляется.

Если бетон твердеет все время в воде, то его прочность будет выше, чем при твердении на воздухе. При твердении бетона в сухой среде вода из него через несколько месяцев испарится и тогда твердение практически прекратится. Объясняется это тем, что внутренняя часть многих зерен цемента не успевает вступить в реакцию с водой. Поэтому для достижения бетоном необходимой прочности нельзя допускать его преждевременного высыхания. В теплую сухую и ветреную погоду углы, ребра и открытые поверхности бетона высыхают быстрее, чем внутренние его части. Необходимо предохранить эти элементы от высыхания и дать им возможность достигнуть заданной прочности.

При твердении бетона всегда изменяется его объем. При твердении бетон дает усадку, которая в поверхностных зонах происходит быстрее, чем внутри, поэтому при недостаточной влажности бетона в период твердения на его поверхности появляются мелкие усадочные трещины. Кроме того, трещинообразование возможно в результате неравномерного разогрева бетонного блока вследствие выделения тепла при схватывании и твердении цемента. Трещины снижают качество, прочность и долговечность бетона.

Рост прочности бетона в значительной степени зависит от температуры, при которой происходит твердение. Твердение бетона при температуре ниже нормальной замедляется, а при температуре ниже 0°С практически прекращается; наоборот, при повышенной температуре и достаточной влажности процесс твердения ускоряется.

Продолжительность твердения имеет большое практическое значение при бетонных работах. Ускорять твердение необходимо, когда требуется быстро нагрузить конструкции эксплуатационной нагрузкой или распалубить в ранние сроки, а главным образом при работах зимой и изготовлении бетонных и железобетонных изделий.

Для ускорения твердения бетона применяют добавки-ускорители, вводимые при приготовлении бетонной смеси. Оптимальное содержание добавок-ускорителей устанавливается экспериментальным путем строительной лабораторией.

Чтобы свежеуложенный бетон получил требуемую прочность в назначенный срок, за ним необходим правильный уход: поддержание его во влажном состоянии, предохранение от сотрясений, повреждений, ударов, а также от резких изменений температуры.

Отсутствие ухода может привести к получению низкокачественного, дефектного и непригодного бетона, а иногда к разрушению конструкции несмотря на хорошее качество применяемых материалов, правильно подобранный состав смеси и тщательное бетонирование. Особенно важен уход за бетоном в течение первых дней после укладки. Недостатки ухода в первые дни могут настолько ухудшить качество бетона, что практически их нельзя будет исправить даже тщательным уходом в последующие дни.

Благоприятные температурно-влажностные условия для твердения бетона обеспечивают путем предохранения его от вредного воздействия ветра и прямых солнечных лучей, систематической поливкой. Для этого открытые поверхности свежеуложенного бетона укрывают полиэтиленовой пленкой и поливают водой. В зависимости от климатических условий частота поливки должна быть такой, чтобы поверхность бетона в период ухода все время была во влажном состоянии. В сухую погоду открытые поверхности поддерживают во влажном состоянии до достижения бетоном 50—70% проектной прочности.

В жаркую погоду поливают также деревянную опалубку. При снятии опалубки до истечения срока поливки (например, опалубки колонн, стен, боковых щитов балок) поливают и распалубленные вертикальные поверхности бетонных конструкций. Наиболее эффективно вертикальные и круто наклонные поверхности поливать непрерывным потоком воды через систему трубок с мелкими отверстиями. В жарком сухом климате этот способ полива применяют обязательно. При температуре ниже +5° бетон не поливают.

Низкая температура является главной проблемой сопровождающей зимнее бетонирование. Для начала стоит упомянуть каким образом отрицательная температура может повлиять на процесс схватывания и твердения бетона. Существует две основных причины:

— затормаживание процесса гидратации цемента (увеличение сроков набора прочности бетона)

— вымерзание воды, входящей в состав бетона (полная остановка процесса набора прочности)

Низкая температура (0 − +10 градусов) существенно затормаживает процесс гидратации цемента, то есть растягиваются сроки набора прочности бетона. К примеру: в нормальных условиях (+20 градусов Цельсия) за неделю бетон набирает до 70% прочности. При температуре окружающего воздуха +5 градусов, срок набора 70% марочной прочности бетона может растянуться на 3-4 недели. В такую погоду рекомендовано добавление добавок, ускоряющих гидратацию, чтобы бетон ускоренными темпами набирал марочную прочность.

И если низкая положительная температура тормозит процесс схватывания и набора прочности бетона, то отрицательная — полностью его останавливает. Причина тому – вымерзание воды в молодом бетоне. Сам процесс гидратации цемента невозможен в отсутствие воды. Вода является необходимым компонентом для образования цементного камня. Цемент должен находиться в контакте с водой (влагой) в течение всего времени созревания.

При бетонировании в отрицательных температурах, основная задача – не дать замерзнуть воде, входящей в состав бетона.

Существует несколько основных способов сохранения воды затворения бетона от вымерзания:

— применение противоморозных добавок в бетон (ПМД)

— использование электропрогрева бетона

— укрывание бетона пленкой ПВХ, утеплителями и т. п.

— сооружение временного укрытия с прогревом тепловыми пушками.

Применение противоморозных добавок в бетон — наиболее распространённый способ, применяемый при бетонировании в зимних условиях. Так называемый зимний бетон производится в различных вариациях, отличающихся между собой процентным содержанием добавок. Роль химических добавок – активировать процессы твердения и понизить температуру замерзания жидкой фазы. Кроме этого строитель должен помнить:

— чтобы обеспечить твердение бетона в теплой и влажной среде до набора критической прочности, внутренний запас теплоты в бетоне создают путем подогрева материалов, составляющих бетонную смесь;

— после окончания укладки смеси поверхность бетона нужно сразу же утеплить щитами или матами, что поможет сохранить теплоту выделяющуюся при химической реакции цемента с водой (экзотермия цемента) и поддерживать необходимые условия для твердения бетона. Изолированный от холодного воздуха бетон твердеет за счет тепла, внесенного в бетонную смесь при ее приготовлении, а также тепла, выделяемого в процессе экзотермической реакции твердения цементного теста;

— запрещается применять смерзшийся заполнитель.

Электропрогрев бетона чаще применяется на стройках, где имеется техническая возможность использовать трансформаторы большой мощности (30-80 кВт). Электрический прогрев бетона зимой лучший метод, при проведении монолитных работ.

Укрывание бетона – наиболее рациональный метод бетонирования в зимнее время, при граничных температурах воздуха +3 − -3. Схватывание и твердение бетона – изотермический процесс, то есть: при застывании и наборе прочности, цемент, контактируя с водой, выделяет тепло. Для этого необходимо свежеотлитую конструкцию из бетона укрыть ПВХ плёнкой, или утеплителем. В некоторых случаях, если при бетонировании в зимнее время применялся обычный бетон без противоморозных добавок, а температура воздуха резко упала до низких минусовых значений (-5 − -15º) целесообразно использовать газовые или электрические пушки.

Если будет использоваться дополнительный прогрев тепловыми пушками, то укрытие из плёнки ПВХ укладывается не на поверхность бетона, а на временный каркас из досок, брусков и т. п . Создаётся нечто наподобие низкой «палатки» или «шатра» над бетонной конструкцией и под это укрытие ставятся тепловые пушки. Чем выше будет температура под шатром, тем быстрее будет идти процесс набора прочности, и соответственно, раньше можно будет прекратить прогрев.

Движение людей по забетонированным конструкциям, а также установка на них лесов и опалубки допускается только тогда, когда бетон достигает прочности не менее 1,5 МПа. Движение автотранспорта и бетоноукладочных машин по забетонированной конструкции допускается только по достижении бетоном прочности, предусмотренной проектом производства работ.

Неправильно выполненный уход за твердеющим бетоном — Блог

Hекачественное выполнение ухода за твердеющим бетоном

При твердении бетона правильно выполнить уход за ним/его защиту очень важно. Что происходит с бетоном, если он созревает при некачественном выполнении ухода за твердеющим бетоном? На фотографии видно изображение фрагмента отполированной бетонной поверхности. Керн бетона был вырезан из проезжей части моста в Англии в 1970 г. Фотография сделана с использованием сканирующего электронного микроскопа (SAM), на ней ясно виден результат неправильно выполненного ухода за твердеющим бетоном – слой бетонной поверхности проезжей части моста является пористым, много зернышек негидратировавшего цемента. После проведения более подробного анализа пробы установлено, что на бетонной поверхности, на глубине 1 мм гидратация произошла. Видно, что на такой глубине цементный камень является плотным. Однако ближе к поверхности бетона гидратация остановилась из-за нехватки влаги. Сформировавшиеся капиллярные поры показывают бывшие скопления воды до испарения.

Может ли процесс гидратации в бетоне возобновиться позднее при благоприятных условиях?

Видимая на фотографии бетонная поверхность в естественной среде смачивалась дождевой водой, однако сформировавшийся на поверхности твердеющего бетона при первоначальной гидратации защитный барьер вокруг зернышек цемента является влагонепроницаемым, поэтому предотвращается возможная последующая гидратация зернышек цемента. Некачественно выполненный уход за бетоном при его твердении не обеспечил защиты структуры цементного камня, поэтому последующая гидратация из-за благоприятных условий окружающей среды (дождевой воды) не повторилась. Для видимой на фотографии пробы бетона срочный глубинный ремонт не обязателен, однако если на такую пористую поверхность будет воздействовать постоянное механическое трение, циклы замерзания-оттаивания с периодическим впитыванием соленой воды – через некоторое время ремонт будет неотложно необходимым и дорогим. Если бы поверхность декоративного бетона была такой пористой – ремонт был бы нужен сразу. Плохо выполненный уход за твердеющим бетоном отрицательно воздействует не только на качество бетонной поверхности, но и на весь конструкционный элемент. Уменьшившаяся сила бетона отрицательно воздействует на предельные характеристики безопасной эксплуатации и, если ничего не делать, может вызвать аварийные ситуации.

Однозначно утверждать, что во всех случаях повторная более поздняя гидратация никогда не может произойти, если был некачественно выполнен первоначальный уход за твердеющим бетоном, мы не можем. Всегда существует много различных обстоятельств, однако важнейшим из них является критический период времени между начавшейся дегидратацией твердеющего бетона и повторным увлажнением. Вообще говоря, если поверхность твердеющего бетона высохла, что можно называть «высушенной микроструктурой», то надеяться позднее на полную, эффективную, возобновляющуюся гидратацию не стоит. Бетонная поверхность останется пористой и слабой и будет требовать безотлагательных ремонтных работ. Намного проще и легче сразу осуществить качественный уход за твердеющим бетоном.

Более подробную информацию о SINAK S-102™ можно найти здесь

Как производят бетон. Интересные статьи от Ильбетона

В своей простейшей форме бетон представляет собой смесь различных компонентов: песка, воды, цемента и других добавок. Смесь, состоящая из портландцемента и воды, покрывает поверхность мелких (мелких) и крупных (больших) компонентов. В результате химической реакции, называемой гидратацией (присоединение молекул воды к молекулам или ионам), смесь затвердевает и набирает прочность, образуя твердую массу, известную как бетон.

В этом процессе заложен смысл к оптимальным характеристикам бетона: он пластичен и податлив при повторном смешивании, прочный и долговечный при затвердевании. Эти качества объясняют, почему из одного материала, бетона, можно строить небоскребы, мосты, тротуары и автомагистрали, а также дома и плотины.

Дозирование

Ключ к получению прочного и долговечного бетона лежит в тщательном дозировании и смешивании ингредиентов. Смесь, которая не имеет достаточного количества цемента для заполнения всех пустот между заполнителями, будет трудно разместить и будет давать шероховатые поверхности и пористый бетон. Смесь с избытком цементной пасты легко укладывается и дает гладкую поверхность; однако полученный бетон не является экономически эффективным и может легче ломаться.

Портландцемент показывает свои свойства в присутствии воды. Цемент и вода образуют цементную пасту, которая покрывает каждую частицу щебня и песка — агрегаты. Благодаря химической реакции, называемой гидратацией, цементная паста затвердевает и набирает прочность.

Качество цементной пасты определяет характер бетона. Прочность цементной пасты, в свою очередь, зависит от соотношения воды и цемента. Водоцементное соотношение — это вес воды для смешивания, деленный на вес цемента. Высококачественный бетон получают путем максимально возможного снижения водоцементного соотношения, не жертвуя обрабатываемостью свежего бетона, что позволяет его правильно размещать, закреплять и отверждать.

Правильно разработанная смесь обладает желаемой обрабатываемостью для свежего бетона и необходимой прочностью и прочностью для затвердевшего бетона. Обычно смесь содержит от 10 до 15 процентов цемента, от 60 до 75 процентов заполнителя и от 15 до 20 процентов воды. Воздух во многих бетонных смесях также может занимать еще 5–8 процентов.

Другие ингредиенты

Почти любая природная вода, которая пригодна для питья и не имеет выраженного вкуса или запаха, может использоваться в качестве воды для смешивания бетона. Чрезмерные примеси в воде для смешивания могут не только повлиять на время схватывания и прочность бетона, но также могут вызвать выцветание, окрашивание, коррозию арматуры, нестабильность объема и снижение долговечности. Спецификации бетонной смеси обычно устанавливают ограничения на хлориды, сульфаты, щелочи и твердые вещества в воде для смешивания, если только не могут быть проведены испытания для определения влияния примеси на конечный бетон.

Хотя в большинстве случаев питьевая вода подходит для смешивания бетона, тщательно подбираются заполнители. Агрегаты составляют от 60 до 75 процентов от общего объема бетона. Тип и размер используемого заполнителя зависит от толщины и назначения использования бетонной смеси.

Относительно тонкие строительные бетонные секции требуют небольшого количества крупного заполнителя, хотя в больших плотинах использовался заполнитель диаметром до шести дюймов (1 дюйм = 2,54 сантиметрам). Для эффективного использования цементной пасты желательна равномерное распределение размеров частиц. Кроме того, заполнители должны быть чистыми и свободными от любых примесей, которые могут повлиять на качество бетона.

Гидратация начинается

Вскоре после того, как заполнители, вода и цемент смешались, смесь начинает затвердевать. Все портландцементы представляют собой гидравлические цементы, которые осаждаются и затвердевают в результате химической реакции с гидратацией воды. Во время этой реакции на поверхности каждой частицы цемента образуется узел. Узел растет и расширяется, пока не соединится с узлами от других частиц цемента или не прилипнет к соседним агрегатам. Как только бетон тщательно перемешан и пригоден для обработки, его следует поместить в формы, прежде чем смесь станет слишком жесткой.

Во время укладки бетон уплотняется, чтобы уплотнить его в формах и устранить потенциальные недостатки, такие как соты и воздушные карманы.

Для плит бетон оставляют стоять до тех пор, пока поверхностная влага не исчезнет, а затем для выравнивания бетона используется деревянный или металлический ручной поплавок. Поплавок создает относительно ровную, но слегка шероховатую текстуру, которая обладает хорошей устойчивостью к скольжению и часто используется в качестве окончательной отделки для наружных плит. Если требуется гладкая, твердая, плотная поверхность, за поплавком следует стальная арматура.

Отверждение начинается после того, как открытые поверхности бетона достаточно отвердели, чтобы не появлялись неровности. Отверждение обеспечивает продолжительное увлажнение цемента, так что бетон продолжает набирать прочность. Бетонные поверхности отверждаются путем разбрызгивания водяного тумана или с помощью влагоудерживающих тканей, таких как мешковина или хлопковые маты. Другие методы отверждения предотвращают испарение воды путем герметизации поверхности пластиковыми или специальными аэрозолями, называемыми отвердителями.

Специальные методы используются для отверждения бетона в очень холодную или жаркую погоду для защиты бетона. Чем дольше бетон остается влажным, тем он прочнее и долговечнее. Скорость отверждения зависит от состава и тонкости цемента, пропорций смеси, а также условий влажности и температуры. Бетон продолжает крепнуть с возрастом. Большая часть гидратации и прироста прочности происходит в течение первого месяца жизненного цикла бетона, но гидратация продолжается более медленными темпами в течение многих лет.

Источник информации: https://www.cement.org/cement-concrete-applications/how-concrete-is-made — Portland Cement Association (Ассоциация Портланд Цемента — США). Статья переведена с английского языка на русский.

Увлажнение

Увлажнение Гидратация портландцемента

Введение
Портландцемент — это гидравлический цемент, поэтому он обладает высокой прочностью. от химических реакций между цементом и водой. Процесс известен как увлажнение.

Цемент состоит из следующих основных компонентов (см. Состав цемента):

Силикат трикальция, C ₃ S
Силикат дикальция, C ₂ S
Алюминат трикальция, C ₃ A
Тетракальций алюмоферрит, C ₄ AF
Гипс, C S H ₂

Химические реакции при гидратации
При добавлении воды в цемент происходит следующая серия реакций:

Трехкальциевый алюминат реагирует с гипсом в присутствии воды. для производства эттрингита и нагрева:

Алюминат трикальция + гипс + вода ® эттрингит + тепло

C ₃ A + 3C S H ₂ + 26H ® C ₆ AS ₃ H ₃₂, D H = 207 кал / г

Трехкальциевый силикат (алит) гидратируется с образованием силиката кальция. гидраты, известь и тепло:

Силикат трикальция + вода ® кальций силикатный гидрат + известь + тепло

2C ₃ S + 6H ® C ₃ S ₂ H ₃ + 3CH, D H = 120 кал / г

Как только весь гипс израсходован в соответствии с реакцией (i), эттрингит становится нестабилен и реагирует с любым оставшимся алюминатом трикальция с образованием моносульфата кристаллы алюмината гидрата:

Алюминат трикальция + эттрингит + вода ® моносульфат алюминат гидрат

2C ₃ A + 3 C ₆ A S ₃ H ₃₂ + 22H ® 3C ₄ ЯСЕНЬ ₁₈,

Белит (силикат дикальция) также гидратируется с образованием силиката кальция. гидраты и тепло:

Силикаты дикальция + вода ® кальций силикатный гидрат + известь

C ₂ S + 4H ® C ₃ S ₂ H ₃ + CH, D H = 62 кал / г

₂

Феррит вступает в две прогрессивные реакции с гипсом:

в первой из реакций эттрингит реагирует с гипсом и вода с образованием эттрингита, извести и гидроксидов оксида алюминия, т. е.е.

Феррит + гипс + вода ® эттрингит + гидроксид трехвалентного алюминия + известь
C ₄ AF + 3C S H ₂ + 3H ® C ₆ (A, F) S ₃ H ₃₂ + (A, F) H ₃ + CH

феррит далее реагирует с эттрингитом, образованным выше, с образованием гранаты, т.е.

Феррит + эттрингит + известь + вода ® гранаты
C ₄ AF + C ₆ (A, F) S ₃ H ₃₂ + 2CH + 23H ® 3C ₄ (A, F) S H ₁₈ + (A, F) H ₃

Гранаты только занимают место и никоим образом не способствуют прочность цементного теста.

Тесто цементное затвердевшее
Затвердевшая паста состоит из следующих компонентов:

эттрингит — от 15 до 20%
Гидраты силиката кальция, CSH — от 50 до 60%
Гидроксид кальция (известь) — от 20 до 25%
Пустоты — от 5 до 6% (в виде капиллярных пустот) и захваченный и увлеченный воздух)

Заключение
Следовательно, можно видеть, что каждый из составов в цементе имеет роль в процессе гидратации.

Изменяя пропорцию каждого компонентов цемента (и других факторов, таких как зерно размер), возможно изготовление разных видов цемента подходит для различных строительных нужд и условий окружающей среды.

Артикул:
Сидни Миндесс и Дж. Фрэнсис Янг (1981): бетон, Прентис-Холл, Inc., Englewood Cliffs, NJ, стр. 671.

Стив Косматка и Уильям Панарезе (1988): Разработка и контроль Бетонные смеси, Portland Cement Association, Skokie, Ill.С. 205.

Майкл Мамлук и Джон Заневски (1999): Материалы для гражданских и Инженеры-строители, Addison Wesley Longman, Inc.,

Урок 5 — Итак, вы думаете, что бетон сохнет —

Возраст: Классы 7–12
Предметы: Наука
Навыки: Описание, пропорции,
наблюдение, работа в малых группах
Продолжительность: 2 занятия в классе
Условия: Лаборатория или класс
Ключевые слова: Гидратация, масса, испарение,
трикальций силикат, дикальций
силикат, алюминат трикальция,
тетракальцийалюмоферрит, гипс

Цель

Студенты изучат 1) химию цемента 2) гидратность бетона и разницу между гидратацией и высыханием 3) принцип сохранения массы

Метод

Студенты узнают о процессе гидратации, создав образцы бетона и взвесив их до и после гидратации.

Они увидят, что образцы не теряют веса из-за испарения из-за химической реакции между цементом и водой.

Фон

Бетон изготавливается из смеси цемента, воды и заполнителя различных размеров, чтобы получить работоспособную суспензию, имеющую консистенцию густого молочного коктейля. Качество портландцементного теста обусловлено химической реакцией между цементом и водой, называемой гидратацией.

Портландцемент — это не простое химическое соединение, это смесь многих соединений. Четыре из них составляют 90% или более от веса портландцемента: силикат трикальция, силикат дикальция, алюминат трикальция и алюмоферрит тетракальция. Помимо этих основных соединений, несколько других играют важную роль в процессе гидратации. Различные типы цемента содержат одни и те же четыре основных соединения, но в разных пропорциях.

Цемент в бетоне нуждается в воде для гидратации и затвердевания.Даже если химические реакции могут завершиться на поверхности бетона, химические реакции внутри бетона занимают гораздо больше времени. Прочность бетона продолжает расти, пока продолжаются химические реакции.

Когда вода добавляется в цемент, происходит химическая реакция, называемая гидратацией, которая способствует получению конечного бетонного продукта. Силикаты кальция вносят наибольший вклад в прочность бетона. Силикаты трикальция ответственны за большую часть ранней прочности (первые семь дней).

Исходные гидраты дикальцийсиликата, образующиеся более медленно, на более поздних стадиях повышают прочность бетона. Следующие уравнения слов описывают производство бетона.

Силикат трикальция + вода
(выходы)

Гидрат силиката кальция + гидроксид кальция + тепло

Дикальций силикат + вода
(выходы)

Гидрат силиката кальция + гидроксид кальция + нагревание

важно для обеспечения прочности бетона вышеуказанные реакции являются наиболее важными.

Два силиката кальция, которые составляют около 75 процентов веса портландцемента, реагируют с водой с образованием двух новых соединений: гидроксида кальция и гидрата силиката кальция. Последний на сегодняшний день является наиболее важным цементирующим компонентом в бетоне. Технические свойства бетона — схватывание и твердение, прочность и стабильность размеров — в первую очередь зависят от геля гидрата силиката кальция. Это сердце из бетона.

Когда бетон схватывается, его общий объем остается почти неизменным, но затвердевший бетон содержит поры, заполненные водой и воздухом, которые не имеют прочности. Сила заключается в твердой части пасты, в основном в гидрат силиката кальция и кристаллической фазе.

Чем менее пористо цементное тесто, тем прочнее бетон. Поэтому при смешивании бетона используйте не больше воды, чем это абсолютно необходимо, чтобы сделать бетон пластичным и пригодным для обработки. Даже тогда используемой воды намного больше, чем требуется для полной гидратации цемента. Водоцементное соотношение (по массе) полностью гидратированного цемента составляет примерно 0,22–0,25, без учета испаряемой воды.

Материалы

Используйте 40-фунтовый мешок со строительной смесью, стаканчики из полистирола и весы. Раствор — это бетонная смесь, в которой песок используется как единственный заполнитель.

Процедура

Распространенное выражение: «Не ходи по бетону, пока он не высохнет!» Один из самых простых способов показать, что затвердевание (отверждение) бетона не происходит из-за высыхания (вода становится частью химического состава бетона), — это использовать принцип сохранения массы.

С помощью стаканов из полистирола отвесить 500 граммов строительной смеси (песчано-цементной смеси), добавить 75 граммов воды.Мешать, пока комки не исчезнут из растворной смеси. Взвесьте еще раз, чтобы определить общий вес и добавленное количество воды для проверки. Отставьте чашку с бетонной смесью в сторону, а также другую чашку из полистирола с водой, наполненную примерно до того же уровня, что и чашка с бетоном. Взвесьте чашку с водой. Поставьте чашку с водой рядом с чашкой с бетоном. Этот стакан с водой используется, чтобы указать, сколько воды испаряется с поверхности бетона до полного затвердевания.

Подождите примерно 24 часа и снова взвесьте каждую чашку.Бетон потеряет лишь часть воды из-за испарения с открытой поверхности. Вы можете сравнить потерю воды из бетона с потерей воды из чашки с простой водой, которая также потеряла немного воды из-за испарения. Оба эти количества воды малы по сравнению с исходным количеством воды, добавленной в бетон, которая не испаряется, чтобы сделать затвердевший бетон. Сравнивая количество исходных ингредиентов с массой готового бетона, становится ясно, что бетон не высыхает.

Бетонная смесь может потерять немного больше воды, чем стакан с водой. Если вы посмотрите внимательно, то увидите, что поверхность бетона неровная. Эта более грубая поверхность позволяет воде испаряться быстрее, чем вода в одной только чашке. Опять же, это количество воды ничтожно мало по сравнению с водой, добавленной в бетонную смесь, которая вступила в химическую реакцию, чтобы сделать затвердевший материал.

Обсудите со студентами, какие усилия могут предпринять рабочие строительной отрасли, чтобы устранить испарение с поверхности только что залитого бетона.

Учитывая эту информацию, необходимо более точно сформулировать выражение, данное учителем в начале исследования. Попросите студентов написать более точное указание.

Как делают бетон

В своей простейшей форме бетон представляет собой смесь пасты и заполнителей, или горных пород. Паста, состоящая из портландцемента и воды, покрывает поверхность мелких (мелких) и крупных (крупных) заполнителей. В результате химической реакции, называемой гидратацией, паста затвердевает и набирает прочность, образуя каменную массу, известную как бетон.

В этом процессе кроется ключ к замечательным свойствам бетона: он пластичен и пластичен при свежем смешивании, прочен и долговечен при затвердевании. Эти качества объясняют, почему из одного материала, бетона, можно строить небоскребы, мосты, тротуары и супермагистрали, дома и плотины.

Дозирование
Ключ к получению прочного и долговечного бетона заключается в тщательном дозировании и смешивании ингредиентов. Смесь, в которой недостаточно пасты, чтобы заполнить все пустоты между заполнителями, будет трудно разместить, и она приведет к образованию шероховатых поверхностей и пористого бетона.Смесь с избытком цементного теста легко укладывается и дает гладкую поверхность; однако получаемый в результате бетон не является рентабельным и может более легко треснуть.
Химический состав портландцемента оживает в присутствии воды. Цемент и вода образуют пасту, которая покрывает каждую частицу камня и песка — агрегаты. В результате химической реакции, называемой гидратацией, цементное тесто затвердевает и приобретает прочность.
Качество пасты определяет характер бетона.Прочность пасты, в свою очередь, зависит от соотношения воды и цемента. Водоцементное соотношение — это вес воды для затворения, деленный на вес цемента. Высококачественный бетон получают за счет максимально возможного снижения водоцементного отношения без ущерба для удобоукладываемости свежего бетона, что позволяет его должным образом укладывать, укреплять и выдерживать.

Правильно подобранная смесь обладает желаемой удобоукладываемостью для свежего бетона и требуемой прочностью и прочностью для затвердевшего бетона.Обычно смесь содержит от 10 до 15 процентов цемента, от 60 до 75 процентов заполнителя и от 15 до 20 процентов воды. Вовлеченный воздух во многих бетонных смесях также может составлять еще 5-8 процентов.
Другие ингредиенты
Практически любая питьевая природная вода без ярко выраженного вкуса или запаха может использоваться в качестве воды для замешивания бетона. Избыточные примеси в воде для смешивания могут не только повлиять на время схватывания и прочность бетона, но также могут вызвать выцветание, окрашивание, коррозию арматуры, нестабильность объема и снижение долговечности.Спецификации бетонной смеси обычно устанавливают пределы содержания хлоридов, сульфатов, щелочей и твердых веществ в воде для смешивания, если не могут быть проведены испытания для определения воздействия примесей на конечный бетон.
Хотя большая часть питьевой воды подходит для смешивания бетона, заполнители выбираются тщательно. Заполнители составляют от 60 до 75 процентов от общего объема бетона. Тип и размер используемого заполнителя зависит от толщины и назначения конечного бетонного продукта.
Относительно тонкие строительные секции требуют небольшого крупного заполнителя, хотя заполнители диаметром до шести дюймов использовались в больших плотинах. Для эффективного использования пасты желательна непрерывная градация размеров частиц. Кроме того, заполнители должны быть чистыми и не содержать каких-либо веществ, которые могут повлиять на качество бетона.
Начинается гидратация
Вскоре после объединения заполнителей, воды и цемента смесь начинает затвердевать. Все портландцементы представляют собой гидравлические цементы, которые затвердевают в результате химической реакции с водой, вызывающей гидратацию. Во время этой реакции на поверхности каждой частицы цемента образуется узел.Узел растет и расширяется, пока не соединится с узлами от других частиц цемента или не пристанет к соседним агрегатам.
После того, как бетон тщательно перемешан и станет пригодным для обработки, его следует укладывать в формы, пока смесь не станет слишком жесткой.
Во время укладки бетон уплотняется, чтобы уплотнить его внутри форм и устранить возможные дефекты, такие как соты и воздушные карманы.
Для плит бетон оставляют стоять до тех пор, пока пленка поверхностной влаги не исчезнет, затем используется деревянная или металлическая ручная терка для сглаживания бетона. Плавление дает относительно ровную, но немного шероховатую текстуру, которая имеет хорошее сопротивление скольжению и часто используется в качестве окончательной отделки фасадных плит. Если требуется гладкая, твердая, плотная поверхность, после затирки следует затирка сталью.
Отверждение начинается после того, как открытые поверхности бетона достаточно затвердеют, чтобы противостоять образованию повреждений. Отверждение обеспечивает постоянную гидратацию цемента, так что бетон продолжает набирать прочность. Бетонные поверхности обрабатываются путем опрыскивания водяным туманом или использования влагоудерживающих тканей, таких как мешковина или хлопковые коврики.Другие методы отверждения предотвращают испарение воды за счет герметизации поверхности пластиком или специальными спреями, называемыми отвердителями.
Для защиты бетона используются специальные методы отверждения в очень холодную или жаркую погоду. Чем дольше бетон будет оставаться влажным, тем прочнее и долговечнее он станет. Скорость затвердевания зависит от состава и крупности цемента, пропорций смеси, влажности и температурных условий. С возрастом бетон продолжает укрепляться.Большая часть гидратации и увеличения прочности происходит в течение первого месяца жизненного цикла бетона, но гидратация продолжается медленнее в течение многих лет.
Узнайте, как цемент и бетон формируют мир вокруг нас>
Узнайте больше о преимуществах устойчивости цемента и бетона>
CIVL 1101 — Часть 4
Химия гидратации — Предполагается, что каждое соединение гидратирует независимо от другие в портландцементе.Это не совсем так, потому что взаимодействие между увлажняющие составы повлияют на смесь.
Силикаты кальция — Реакция гидратации двух кальция силикаты, которые составляют наибольший процент портландцемента, аналогичны.
Принцип продуктами являются: 1) гидрат силиката кальция, малокристаллический материал чрезвычайно малых размеров. размер частиц и 2) гидроксид кальция, кристаллический материал.Реакция может быть измеряется скоростью выделения тепла.
1 этап — Быстрое тепловыделение (15 мин.) — при смешивании с водой образуются ионы кальция и гидроксида. освобожден от поверхности C 3 S; pH повышается до очень щелочной раствор. Когда кальций и гидроксид достигают критических концентраций, начинается кристаллизация CH и C-S-H. Ранние химические реакции — это температура зависимый.
2 этап — Период покоя — цемент остается пластичным (2-4 часа). Реакция замедляется. CH кристаллизуется из раствора, C-S-H развивается на поверхности C 3 S и образует покрытие. По мере увеличения толщины время, необходимое воде, чтобы проникнуть в покрытие увеличивается, таким образом, скорость реакции становится контролируемой диффузией. C 2 S гидратирует медленнее потому что это менее реактивное соединение.
3 этап — Период разгона — достигается критическая концентрация ионов и силикат гидратируется. быстро, максимальная скорость достигается на этом этапе. Окончательное схватывание прошло и раннее затвердевание начинается (4-8 часов).
4 этап — Замедление — замедляется скорость реакции; полностью диффузионно-зависимая реакция.
5 этап — Стационарное состояние — постоянная скорость реакции (12-24 часа).Температура мало влияет на гидратация на этом этапе.
Алюминат трикальция — Гидратация C 3 A происходит с ионами сульфата, поставляемыми растворенным гипсом. Результат реакции гидрат сульфоалюмината кальция, названный «эттрингитом» в честь встречающегося в природе минеральная.
Если поставка сульфат из гипса исчерпывается до того, как C 3 A будет полностью гидратированный, может произойти вторая реакция.Продукт этой реакции моносульфоалюминат. Эта реакция может происходить до образования эттрингита, если реакция C 3 A и сульфат-ионов происходит быстрее, чем гипс позволит.
Эттрингит уменьшает реакцию за счет образования диффузионного покрытия вокруг C 3 A аналогична реакции C 3 S. Покрытие может быть разрушено вниз путем преобразования в моносульфоалюминат.
Если моносульфоалюминат подвергается воздействию другого источника сульфат-ионов, новая реакция будет происходят с образованием большего количества эттрингита. Это новое образование вызывает увеличение объема и приводит к растрескивание. Эта тенденция лежит в основе сульфатной атаки портландцементов.
При отсутствии сульфаты, C 3 A реагирует с водой с образованием двух нестабильных кальциевых гидраты, которые позже превращаются в гидрогранат.Это тот же процесс, что и в HAC. Чистый C 3 Паста не развивает значительной прочности.
Ферритовая фаза (C 4 AF) образует то же самое продукты гидратации как C 3 A, с гипсом или без него. В реакция идет медленно и дополнительно снижается за счет гипса. Если содержание оксида железа увеличивается, реакция более медленная.
Опыт показал цементы с низким содержанием углерода 3 A и высоким содержанием углерода 4 AF сульфатостойкие.Превращение эттрингита в моносульфоалюминат населено по наличию железного компонента.
** Скорость гидратация порядка C 3 A> C 3 S > C 4 AF> C 2 S. Реакции даже для одинаковых составов могут отличаться в зависимости от: 1) крупности, 2) скорости охлаждения клинкера, и 3) примеси.
Некоторые общие комментарии о свойствах продуктов гидратации, влияющих на общее поведение цемента.
C-S-H, гидрат силиката кальция — очень плохая кристалличность; точное химическое соединение переменная. Отношение C / S варьируется от 1,5 до 2,0 и зависит от многих факторов; температура, соотношение w / c , примеси и т. д. Аналогичным образом, измерение содержания воды значительно различаются.
Из-за плохой кристалличности C-S-H образует очень мелкие частицы неправильной формы и следовательно, очень большая площадь поверхности.В целом площадь гидратированного цемента примерно в 1000 раз больше, чем необработанный цемент. Следовательно, увеличение поверхности Площадь сильно влияет на физические свойства гидрата C-S-H.
Значительная работа была проделана по моделированию структурных компонентов C-S-H, с много разногласий среди ученых. C-S-H считается слоистой структурой, состоящей из Листы силиката кальция случайно соединены прочными ионно-ковалентными связями. Остаток межслоевого пространства классифицируется как: 1) капиллярные поры, относительно большие отверстия где вода может образовывать мениски; 2) микропоры, меньшие пространства, где вода не может образовываться мениски.Вода раздвигает слои, оказывая разъединяющее давление. Эта давление уменьшается с понижением содержания воды; 3) межслоевое пространство, слои достаточно близки что захваченная вода связывает листы вместе силами Ван-дер-Вааля.
Для структуры C-S-H приняты три модели:
Powers-Brunauer — модель химической структуры на основе слоистой глиняная конфигурация. Листы расположены беспорядочно и содержат впитанную воду на их поверхности. Вода может проникать через прослойку, область микропор. Промежуточная банка для воды удаляться безвозвратно при сильном высыхании.
Фельдман и Середа — модель, состоящая из полностью случайного массива одиночные слои, образующие неравномерное межслоевое пространство. Вода может входить и выходить из межслоевое пространство даже после высыхания.
Munich — физическая модель, в которой C-S-H считается трехмерное расположение коллоидных частиц.Химическая природа модели такова: вторичный. Силы Ван-дер-Уоллса связывают поверхности вместе, но прочные ковалентные связи остаются. чаще. Вода притягивается к твердым частицам, что приводит к разделению давлений. которые уменьшают взаимодействие частиц.
* Во всех этих моделях вода влияет на структуру C-S-H. Как вода удаляется из капилляров возникает результирующее напряжение сжатия. Потеря межслоевой воды влияет на склеивание частиц или листов.
Гидроксид кальция — хорошо изученный гексагональный кристаллический материал. Кристаллы намного больше, чем частицы C-S-H, и иногда их можно увидеть невооруженным глазом.
Сульфоалюминат кальция (эттрингит) — Эти призмы шестиугольной формы кристаллы значительно длиннее кристаллов CH. Большие скопления игл эттрингита может быть виден в бетоне, пораженном сульфатной атакой. Моносульфоалюминат имеет тенденцию к образованию очень тонкие, шестиугольные пластины.
Развитие микроструктуры цемента связано с пятью описанными химическими стадиями. ранее в этой главе.
C-S-H — самый крупный компонент цементного теста (50-70%) и является самый важный компонент в процессе гидратации. Количество покрытия C-S-H на C 3 S зерно очень мало на стадии 2 гидратации и быстро увеличивается на стадии 3. шипы формирующего C-S-H расходятся наружу от каждого зерна с основной массой материала ниже шипов. По мере дальнейшей гидратации C-S-H толщина покрытия увеличивается, заставляя внешние шипы соседних частиц, чтобы сцепиться, чтобы сформировать твердые связи. Как увлажнение продолжает, переплетенные шипы способствуют увеличению грунтовки C-S-H рост. Эффект заключается в том, чтобы связать зерна цемента вместе с покрытием C-S-H.
СН — составляет 20-25% объема цемента. В ускорении На стадии роста СН растет в поровом пространстве капилляров. CH будет расти только в свободном пространстве; на встретив другой кристалл CH, он будет расти в другом направлении; также он будет расти полностью вокруг гидратирующего цементного зерна.Последний эффект дает КД больший кажущийся объем цементных паст, чем у чистого кристалла.
Сульфоалюминат кальция — небольшой компонент цементных паст (10-15%) мало влияет на микроструктуру. Молодые колючие кристаллы эттрингита вырастают в капиллярное пространство, а затем превращаются в плоские кристаллы моносульфоалюмината. Будут негидратированные остатки в цементном тесте, в основном вызванные гидроксидом кальция, даже в очень выдержанные гидратированные пасты.
Пористость — основной компонент микроструктуры, который влияет на пасты свойства. Распределение пор по размерам трудно измерить. Многие тесты требуют высыхание, влияющее на структуру пор. Есть две классификации размеров пор:
Капиллярные поры — пространство, образованное между гидратирующими элементами.
Поры геля — очень маленькие промежутки в покрытии C-S-H. Составляет большая часть пористости цементного теста.
Продукты гидратации имеют более низкий удельный вес и больший удельный объем, чем их исходные цементные смеси. Следовательно, каждая реакция гидратации сопровождается увеличением в солидном объеме.
Кальций Силикаты — гидратация этих материалов не сопровождается увеличением объем. Напомним, эти кристаллы будут занимать только свободное место. Если это пространство заполнено, рост или увлажнение прекратятся.
Кальций Алюминат — продукт гидратации этого материала (эттрингит) будет продолжать образуются даже при встрече с твердой поверхностью. Поскольку нет тома, в котором кристалл может расти, внутренние давления развиваются.
Изменение объема напрямую связано с пористостью. Возможен расчет порового пространства измеряя потери испаряющейся и неиспариваемой воды. Испаряемая вода описывает воду, удерживаемую в капиллярах и порах геля.Это количество может быть определено духовкой. сушка образца. Неиспаряющаяся вода — это показатель, связанный с микроструктурой продукт гидратации и получается из пасты, нагретой до очень высоких температур (1000 C0). T.C. Пауэрс разработал несколько эмпирических соотношений для степени гидратации на основе количество двух типов воды, описанных выше.
w n = 0,24a г / г исходного цемента
, где a = степень гидратации и w n = не испаряющаяся вода
w g = 0.18a г / г исходного цемента
, где w g = гелевая вода или испаряемая вода
Доступны и другие соотношения для объема продуктов гидратации и пористости (см. 105). Исходя из этого, минимальное соотношение вода / цемент для полной гидратации может быть сформированным.
w мин = (w n + w g ) г / г исходного цемента
( с ) мин = 0. 42а**
Следовательно, для полной гидратации соотношение w / c не должно опускаться ниже 0,42. Однако для достижения высокой прочности не требуется полной гидратации. Это значит, что паста с низким соотношением w / c будет самовысыхать, если не добавить воду извне. Как правило, в полевых условиях это не проблема.
Этот веб-сайт был первоначально разработан Чарльз Кэмп за его CIVL 1101 класс.
Эта сайт поддерживается Департамент гражданского Инжиниринг в Мемфисский университет.
Ваш комментарии и вопросы более чем приветствуются.
Кинетика гидратации цемента
Автор: Kayla Hanson, P.E.
Когда вы видите слово «гидратация», вы можете подумать о воде, рекламе спортивных напитков или о жарком солнечном летнем дне. Возможно, вы даже думаете о цементе.
Гидратация
Когда дело доходит до бетона, гидратация так же важна, как и для человека. Это серия химических реакций, которые происходят при контакте воды и гидравлического цемента. Когда вода и цемент объединяются в цементное тесто, большая часть цементных зерен сразу начинает растворяться, что инициирует процесс гидратации. В результате реакций образуется множество новых соединений, и чем больше гидратов цемента, тем больше потребляется воды и цемента и образуется больше соединений. Соединения, развивающиеся в пасте, растут, распространяются, а также начинают накапливаться и соединяться между собой. В конце концов, накопление смесей приводит к увеличению жесткости, затвердеванию и увеличению прочности, превращая пластиковый бетон в прочный и долговечный продукт, от которого мы зависим каждый день.И все благодаря гидратации.
Но гидратация — это не только сочетание цемента и воды. Успешная гидратация и скорость гидратации цемента зависят от множества факторов.
(фотография из файла NPCA)
Понимание четырех основных фаз портландцемента и важности сульфатов
Четыре основных минеральных компонента, образующихся при производстве портландцементного клинкера, называются фазами. Они похожи на традиционные соединения, но содержат следы других элементов и оксидов.Четыре основных минеральных фазы в цементе — это силикат трикальция, силикат дикальция, алюминат трикальция и алюмоферрит тетракальция, которые часто обозначают сокращенно как C ₃ S, C ₂ S, C ₃ A и C ₄ AF. соответственно.
В дополнение к четырем фазам дигидрат сульфата кальция или гипс также является важным компонентом любого цемента. Гипс смешивают с клинкером во время измельчения, чтобы регулировать время схватывания цемента. Без гипса пластиковый бетон быстро схватился бы.Другие сульфаты кальция также могут использоваться в качестве регуляторов.
Другие материалы, часто в виде промышленных побочных продуктов, добавляются во время производства клинкера, чтобы дополнить действие сульфатов и четырех основных минеральных фаз. Добавление этого сырья обеспечивает дополнительные источники кальция, железа, кремнезема, глинозема и сульфата для создания различных типов цемента.
Типы цемента и их поведение
Каждый тип цемента имеет различный химический состав, что позволяет ему при правильном использовании давать конкретные желаемые результаты.Количество и состав сульфатов, основных минеральных фаз и других материалов, используемых при производстве цемента, определяют тип и свойства цемента и определяют его поведение.
Цементы с относительно низким или очень низким содержанием C ₃ A обладают наибольшей устойчивостью к сульфатам. Цементы с низким содержанием C ₃ A, низким содержанием C ₃ S и более высоким содержанием C ₂ S обеспечивают более низкую теплоту гидратации. Цементы с высоким и очень высоким содержанием C ₃ S способны быстрее набирать прочность.
ASTM C150 обозначает 10 типов цемента:
Тип I: нормальный
Тип IA: нормальный, воздухововлекающий
Тип II: умеренно-сульфатостойкий
Тип IIA: умеренно-сульфатостойкий, воздухововлекающий
Тип II (MH): умеренная теплота гидратации и умеренная сульфатостойкость
Тип II (MH) A: Умеренная теплота гидратации и умеренная сульфатостойкость, воздухововлекающая
Тип III: высокая ранняя прочность
Тип IIIA: высокая ранняя прочность, воздухововлекающая
Тип IV: низкая теплота гидратации
Тип V: высокий сульфат сопротивление
ASTM C1157 описывает шесть типов цемента:
Тип GU: общее использование
Тип HE: высокая ранняя прочность
Тип MS: умеренная сульфатостойкость
Тип HS: высокая сульфатостойкость
Тип MH: умеренная теплота гидратации
Тип LH: низкая теплота гидратации
ASTM C595 определяет три основных типа смешанного цемента:
Тип IS: портландцемент доменного шлака
Тип IP: портланд-пуццолановый цемент
Тип IT: трехкомпонентный цемент
Продукты гидратации цемента
Основными продуктами реакций гидратации цемента являются гидрат силиката кальция (CSH), гидроксид кальция (CH), а также фазы AFt и AFm. Фазы AFt и AFm, обнаруженные в гидратированном цементе, представляют собой соединения C ₃ A, ангидрита и воды. Наиболее распространенной фазой AFt является эттрингит, а наиболее распространенной фазой AFm — моносульфат.
Паста гидратированного портландцемента обычно состоит из примерно 50% CSH и примерно 15-25% CH по массе. Большая часть прочности, проявляемой гидратированным цементным тестом, в частности прочности, может быть отнесена к CSH.
C ₃ A — самая реактивная из четырех основных минеральных фаз цемента, но она лишь незначительно способствует раннему увеличению прочности.C ₃ A легко вступает в реакцию с водой в цементном тесте с образованием геля, богатого алюминатом, при этом выделяется значительное количество тепла. Вырабатываемое тепло быстро уменьшается, обычно это длится всего несколько минут. Однако полученный гель вступает в реакцию с различными сульфатами цемента, включая гипс, ангидрит и полугидрат, и производит эттрингит. Развитие эттрингита на ранних стадиях гидратации помогает контролировать жесткость пластичного бетона. За несколько дней до гидратации эттрингит постепенно расходуется в результате реакций с C ₃ A и заменяется моносульфатом.
C ₃ Реакция взаимодействия S и воды с образованием CSH и CH. C ₃ S, также называемый алитом, гидратируется, быстро реагирует и затвердевает и вносит наибольший вклад в начальное схватывание и раннее развитие прочности бетона. C ₂ S также реагирует с водой с образованием CSH и CH. Однако C ₂ S, или белит, реагирует медленно по сравнению с алитом и, в свою очередь, вносит большой вклад в увеличение прочности бетона после возраста одной недели. C ₄ AF является наименее распространенной из четырех основных минеральных фаз и мало способствует развитию прочности.
Роли смесей в кинетике гидратации цемента
Добавки
, ускоряющие схватывание, предлагают варианты увеличения скорости гидратации, увеличения раннего набора прочности и сокращения времени до начального и окончательного схватывания, часто без ущерба для прочности. Ускорители работают за счет ослабления барьера вокруг частиц цемента, чтобы облегчить доступ смешанной воды к фазам C ₃ S и C ₂ S, что в свою очередь увеличивает скорость гидратации минералов. Ускорители часто используются для компенсации замедляющего воздействия холодной погоды.
И наоборот, добавки, замедляющие схватывание, снижают скорость гидратации, уменьшают ранний прирост прочности и увеличивают время до начального и конечного схватывания. Замедлители гидратации замедляют гидратацию, подавляя образование и рост определенных продуктов гидратации. Замедлители схватывания часто используются для противодействия ускоренному отверждению, вызванному жаркой погодой, или для задержки схватывания, чтобы учесть специальные методы отделки или сложные ситуации укладки.
Добавки, ускоряющие схватывание, и добавки, замедляющие схватывание, бывают разных форм, но чаще всего представляют собой жидкие химические добавки.Как действуют эти добавки, зависит от состава, дозы, времени и последовательности их добавления в смесь, а также от температуры окружающей среды и температуры бетона.
Водоцементное соотношение бетона влияет практически на все свойства пластичного и затвердевшего бетона. Для полной гидратации цемента обычно требуется 0,40 Вт / см. Степень гидратации составляющих материалов зависит от множества факторов; однако, если вт / см слишком велико, в бетонной матрице останется избыток воды.Дополнительная вода будет оставаться до тех пор, пока она не испарится, оставляя пустоты, которые не способствуют прочности на сжатие и значительно увеличивают восприимчивость бетона к множеству проблем. И наоборот, если в / см слишком мало, вода в смеси будет израсходована или испарена, а негидратированный цемент останется в матрице. Это не дает никаких преимуществ для прочности или долговечности бетона и увеличивает стоимость сборного железобетона.
Дополнительные вяжущие материалы (SCM) часто добавляются вместо порции портландцемента в бетонной смеси.SCM демонстрируют поведение, подобное традиционному цементу. Однако различные типы SCM усиливают или подавляют определенные действия по гидратации. Обычно используемые SCM включают летучую золу, микрокремнезем и измельченный гранулированный доменный шлак. SCM, такие как зола-унос класса F и шлаковый цемент, уменьшают теплоту гидратации бетона и увеличивают время схватывания, в то время как некоторые природные пуццоланы, такие как кальцинированный сланец или глина и метакаолин, снижают теплоту гидратации бетона, но не влияют на время схватывания.
Роль температуры в кинетике гидратации цемента
Температура окружающей среды во время смешивания, укладки и выдержки играет роль в кинетике гидратации цемента.Хотя не все цементы реагируют одинаково, обычно при повышении температуры время схватывания сокращается. В общем, отклонение на 10 градусов по Фаренгейту может изменить время схватывания примерно на 33%. Идеальная температура отверждения обычно составляет от 50 до 70 градусов. Температура ниже 50 градусов приводит к гораздо более медленному прогрессированию гидратации. Когда температура опускается ниже 40 градусов, раннее развитие прочности значительно затрудняется. Однако, когда температура окружающей среды превышает 70 градусов, гидратация ускоряется, превышая благоприятную скорость, и может привести к пагубным последствиям, включая растрескивание пластической усадки, снижение 28-дневной прочности и снижение долговечности.
Температура воды в смеси также играет роль в гидратации, так как она изменяет температуру бетона. Температуру воды в смеси можно регулировать, часто путем нагревания воды или добавления льда в воду для смеси.
Роль методов отверждения в кинетике гидратации цемента
Дополнительная влага, добавленная во время отверждения, заменяет воду, потерянную в результате гидратации и испарения. При добавлении влаги скорость гидратации в значительной степени не меняется. Тем не менее, это помогает обеспечить достаточную влажность во время гидратации и отверждения.Недостаточная влажность может привести к тому, что цемент останется негидратированным, что не придаст бетону полезных свойств, или бетон преждевременно высохнет, что приведет к небольшим поверхностным трещинам. Дополнительную влажность можно нанести распылением, пропиткой мешковиной или другими покрытиями, затуманиванием или погружением.
Процедуры удержания влаги основываются на пленках, покрытиях или мембранообразующих составах, наносимых на внешние поверхности продуктов для улавливания влаги. Подобно дополнительному нанесению влаги, удержание влаги мало влияет на скорость гидратации.Вместо этого процедуры удержания помогают улучшить среду отверждения, обеспечивая достаточную влажность для достаточной гидратации цемента.
Ускоренное отверждение за счет воздействия тепла и пара увеличивает скорость гидратации и скорость развития прочности. Ускоренное отверждение особенно полезно для быстрого набора силы. Эти процедуры часто используются при бетонировании в холодную погоду, чтобы создать более подходящую среду для гидратации цемента.
В сочетании с методами внешнего отверждения, внутреннее отверждение включает использование полностью насыщенного легкого заполнителя, создающего внутреннюю подачу воды для поддержания достаточного количества влаги во время гидратации и отверждения. Внутреннее отверждение мало влияет на скорость гидратации. Скорее, он помогает обеспечить благоприятную среду для оптимального увлажнения. Внутреннее влажное отверждение часто используется для бетонов с высоким содержанием вяжущих материалов.
Береги себя
Как и в случае с любым другим компонентом конструкции бетонной смеси, необходимо учитывать влияние различных типов цемента, добавок, SCM, Вт / см, методов отверждения и любых других факторов дизайна и отверждения как на пластические характеристики, так и на свойства затвердевания.
Кайла Хэнсон, P.E. инженер технической службы в NPCA.
Ресурсы:
Portland Cement Association, Design and Control Mixes, 15th Edition
Understanding Cement , Николас Б. Винтер
Артикул:
1. Аббревиатуры не являются истинными химическими формулами веществ: трикальций силикат (C ₃ S) = 3CaO • SiO ₂; силикат дикальция (C ₂ S) = 2CaO • SiO ₂; алюминат трикальция (C ₄ AF) = 3CaO • Al ₂ O ₃; алюмоферрит тетракальция (C ₃ A) = 4CaO • Al ₂ O ₃ • Fe ₂ O ₃
Степень гидратации цемента в растворе и бетоне
org/ScholarlyArticle»> 1.
Аль-Амуди OSB, Аль-Кутти В.А., Ахмад С., Маслехуддин М. Корреляция между прочностью на сжатие и некоторыми показателями долговечности простых и смешанных цементных бетонов. Cem Concr Compos. 2009. 31 (9): 672–6.
Артикул Google ученый
2.
Кондрайвендхан Б., Бхаттачарджи Б. Прогнозирование прочности, проницаемости и гидравлической диффузии обычного портландцементного теста. ACI Mater J. 2014; 111 (2): 171.
Google ученый
3.
Ванс К., Агуайо М., Оэй Т., Сант Дж., Нейтхалат Н. Гидратация и повышение прочности смесей тройного портландцемента, содержащих известняк и летучую золу или метакаолин. Cem Concr Compos. 2013; 39: 93–103.
CAS Статья Google ученый
org/ScholarlyArticle»> 4.
Пападакис В.Г., Фардис М.Н., Вайенас К.Г. Гидратация и карбонизация пуццолановых цементов. Материалы журнала. 1992. 89 (2): 119–30.
CAS Google ученый
5.
Deboucha W, Leklou N, Khelidj A, Oudjit MN. Развитие гидратации минеральных добавок в цемент с использованием термогравиметрического анализа (ТГА): методика расчета степени гидратации. Constr Build Mater. 2017; 146: 687–701.
CAS Статья Google ученый
6.
Монтеагудо С., Морагес А., Гальвес Дж., Касати М., Рейес Э. Оценка степени гидратации смешанных цементных паст с помощью дифференциального термического и термогравиметрического анализа.Морфологическая эволюция твердых фаз. Thermochim Acta. 2014; 592: 37–51.
CAS Статья Google ученый
7.
Фенг Х, Гарбочи Э.Дж., Бенц Д.П., Штутцман П.Е., Мейсон К. Оценка степени гидратации цементных смесей методом точечного подсчета с помощью сканирующего электронного микроскопа. Cem Concr Res. 2004. 34 (10): 1787–93.
CAS Статья Google ученый
8.
Четин С, Эрдоган С.Т., Токай М. Влияние размера частиц и содержания шлака на раннюю гидратацию межмолотых цементных смесей. Cem Concr Compos. 2016; 67: 39–49.
Артикул Google ученый
9.
Tan Z, De Schutter G, Ye G, Gao Y, Machiels L. Влияние размера частиц на раннюю гидратацию частиц шлака, активированных раствором Ca (OH) 2. Constr Build Mater. 2014; 52: 488–93.
Артикул Google ученый
10.
Tang S, Cai X, He Z, Shao H, Li Z, Chen E. Процесс гидратации цементных паст с добавлением летучей золы путем измерения импеданса. Constr Build Mater. 2016; 113: 939–50.
CAS Статья Google ученый
11.
Schindler AK, Folliard KJ. Модели тепла гидратации вяжущих материалов. ACI Mater J. 2005; 102 (1): 24.
CAS Google ученый
12.
Шанахан Н., Тран В., Зайед А.Прогноз теплоты гидратации для смешанных цементов. J Therm Anal Calorim. 2017; 128 (3): 1279–91.
CAS Статья Google ученый
org/ScholarlyArticle»> 13.
Пул Т. Прогнозирование семидневной теплоты гидратации гидравлического цемента на основе стандартных тестовых свойств. J ASTM Int. 2009. 6 (6): 1–10.
Google ученый
14.
Райдинг К.А., Пул Дж.Л., Фоллиард К.Дж., Юенгер М.К.Г., Шиндлер А.К. Моделирование гидратации цементных систем.ACI Mater J. 2012; 109 (2): 225–34.
CAS Google ученый
15.
Скривенер К., Снеллингс Р., Лотенбах Б. Практическое руководство по микроструктурному анализу вяжущих материалов. Crc Press; 2016.
16.
Гавирия X, Боррачеро М.В., Пая Дж., Монзо Дж. М., Тобон Дж. И.. Минералогическая эволюция цементных паст в раннем возрасте на основе термогравиметрического анализа (ТГ). J Therm Anal Calorim. 2018; 132 (1): 39–46. https: // doi.org / 10.1007 / s10973-017-6905-0.
CAS Статья Google ученый
17.
Palou MT, Kuzielová E, emlička M, Tkácz J, Másilko J. Анализ гидратации портландцемента при гидротермальном отверждении. J Therm Anal Calorim. 2019. https://doi.org/10.1007/s10973-019-08542-9.
Артикул Google ученый
18.
Bhatty JI. Сравнение гидратации и прочности портландцемента, полученного из бытовых минеральных отходов, — сравнительное исследование.Thermochim Acta. 1986; 106: 93–103.
CAS Статья Google ученый
19.
Pane I, Hansen W. Исследование гидратации смешанного цемента методами изотермической калориметрии и термического анализа. Cem Concr Res. 2005. 35 (6): 1155–64.
CAS Статья Google ученый
20.
Kuzielová E, emlička M, Novotný R, Palou MT. Одновременное действие микрокремнезема, метакаолина и измельченного гранулированного доменного шлака на гидратацию многокомпонентных вяжущих.J Therm Anal Calorim. 2019; 136 (4): 1527–37. https://doi.org/10.1007/s10973-018-7813-7.
CAS Статья Google ученый
21.
Gómez-Zamorano LY, Escalante-García JI. Влияние температуры отверждения на не испаряющуюся воду в портландцементе, смешанном с геотермальными кремнеземными отходами. Cem Concr Compos. 2010. 32 (8): 603–10.
Артикул Google ученый
22.
Mouret M, Bascoul A, Escadeillas G.Изучение степени гидратации бетона с помощью анализа изображений и химически связанной воды. Adv Cem Based Mater. 1997. 6 (3–4): 109–15.
CAS Статья Google ученый
23.
Панесар Д., Акель М., Рхэд Д., Шелл Х. Влияние типа цемента и размера частиц известняка на долговечность пароотверждаемого самоуплотняющегося бетона. Cem Concr Compos. 2017; 80: 175–89.
CAS Статья Google ученый
24.
Schöler A, Lothenbach B., Winnefeld F, Zajac M. Гидратация смесей четвертичного портландцемента, содержащих доменный шлак, кремнистую летучую золу и известняковый порошок. Cem Concr Compos. 2015; 55: 374–82.
Артикул Google ученый
25.
Де Вердт К., Хаха М.Б., Ле Саут Дж., Кьельсен К.О., Юстнес Х., Лотенбах Б. Механизмы гидратации тройных портландцементов, содержащих известняковый порошок и летучую золу. Cem Concr Res. 2011. 41 (3): 279–91.
Артикул Google ученый
26.
Лотенбах Б., Виннефельд Ф. Термодинамическое моделирование гидратации портландцемента. Cem Concr Res. 2006. 36 (2): 209–26.
CAS Статья Google ученый
27.
Powers TC, Brownyard TL. Исследование физических свойств затвердевшего портландцементного теста (часть девятая). J Am Concr Inst. 1946; 43: 469–95.
Google ученый
28.
Невилл А.М. Свойства бетона, об. 687. 4-е изд. Лондон: издательство Pitman Publishing; 2011. с. 331.
Google ученый
29.
Молина Л. О прогнозировании влияния условий отверждения на степень гидратации. Цемент и Бетон Institututet. 1992.
30.
Шварц Н., Нейтхалат Н. Влияние мелкого стеклянного порошка на гидратацию цемента: сравнение с летучей золой и моделирование степени гидратации. Cem Concr Res.2008. 38 (4): 429–36.
CAS Статья Google ученый
org/ScholarlyArticle»> 31.
Scrivener K, Juilland P, Monteiro PJ. Достижения в понимании гидратации портландцемента. Cem Concr Res. 2015; 78: 38–56.
CAS Статья Google ученый
32.
Darquennes A, Espion B, Staquet S. Как оценить гидратацию шлакобетонов? Constr Build Mater. 2013; 40: 1012–20.
Артикул Google ученый
33.
Ведалакшми Р., Радж А.С., Шринивасан С., Бабу К.Г. Количественная оценка гидратированных цементных изделий из смешанных цементов в бетоне низкой и средней прочности с использованием методик TG и DTA. Thermochim Acta. 2003. 407 (1–2): 49–60.
CAS Статья Google ученый
org/ScholarlyArticle»> 34.
BASF. MasterLife SF 100: Уплотненная минеральная добавка с паром двуокиси кремния.2014.
35.
BASF. MasterGlenium 7700: высокодисперсная водоредуцирующая добавка 2014.
36.
BASF. MasterMatrix VMA 362: добавка для изменения вязкости 2014.
37.
ASTM. C127-15: Стандартный метод испытаний на плотность, относительную плотность (удельный вес) и абсорбцию крупного заполнителя. ASTM International, Вест Коншохокен, Пенсильвания, США, 2015.
38.
ASTM. C128-15: Стандартный метод испытаний на плотность, относительную плотность (удельный вес) и абсорбцию мелкого заполнителя. ASTM International West Conshohocken, PA, USA 2015.
39.
ASTM. C1611 / C1611 M-14: Стандартный метод испытаний на оседание самоуплотняющегося бетона. ASTM International, Вест Коншохокен, Пенсильвания, США, 2014.
40.
ASTM. C1758 / C1758 M-15: Стандартная практика изготовления образцов для испытаний из самоуплотняющегося бетона. ASTM International, Вест Коншохокен, Пенсильвания, США, 2015.
41.
Сир М., Лоуренс П., Ринго Э. Эффективность минеральных добавок в строительных растворах: количественная оценка физического и химического воздействия мелких примесей на прочность на сжатие.Cem Concr Res. 2006. 36 (2): 264–77.
CAS Статья Google ученый
org/ScholarlyArticle»> 42.
Антонович В., Сикарскас Д., Малайшкене Ю., Борис Р., Стонис Р. Влияние пуццолановых отходов на характеристики гидратации портландцемента и гранулированной штукатурки на основе пеностекла. J Therm Anal Calorim. 2019. https://doi.org/10.1007/s10973-019-08464-6.
Артикул Google ученый
43.
Йенсен ОМ, Хансен П.Ф. Водововлекающие материалы на основе цемента: I. Принципы и теоретические основы. Cem Concr Res. 2001. 31 (4): 647–54.
CAS Статья Google ученый
44.
Ван X-Y, Lee H-S. Моделирование кинетики гидратации материалов на основе цемента с учетом влияния температуры отверждения и приложенного давления. Constr Build Mater. 2012; 28 (1): 1–13.
Артикул Google ученый
org/ScholarlyArticle»> 45.
Чжан С.П., Цзун Л. Оценка взаимосвязи между водопоглощением и долговечностью бетонных материалов. Adv Mater Sci Eng. 2014.
Виды расчетов и экспериментальных исследований
Состояние окружающей среды влияет на свойства строительных материалов. Это исследование дает начальное представление о гидратации портландцемента при низких температурах с точки зрения лабораторных экспериментов (включая электрическое сопротивление, степень гидратации (DoH) и зрелость), а также термодинамических расчетов.Гидраты портландцемента в данный период были обнаружены с помощью дифракции рентгеновских лучей (XRD), а их микроструктура наблюдалась с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM). Результат эксперимента (т.е. DoH и удельное электрическое сопротивление) показал, что гидратация портландцемента задерживалась низкой температурой без остановки гидратации при -5 ° C. Основываясь на базовой кинетической модели, термодинамический расчет предсказал, что конечный гидрат отличается в зависимости от температуры окружающей среды. Тенденция механического поведения портландцементной пасты под воздействием низких температур потенциально связана с появлением алюминатных соединений и восстановлением портландита.
1. Введение
Температура влияет на характеристики портландцемента, который является наиболее широко используемым материалом в строительстве инфраструктуры [1]. Между тем, матрица цементного вяжущего играет очень важную роль в композитах на основе портландцемента (то есть пастах, растворах, бетоне, стабилизированном камне и обработанных грунтах). Характеристики затвердевшего портландцемента (например, механическое поведение и долговечность) тесно связаны с химической гидратацией и твердением в раннем возрасте, в то время как взаимосвязь между процессами гидратации, производимыми гидратами, микроструктурами и механическими характеристиками была доказана в предыдущих исследованиях [2– 5].В течение срока службы инфраструктуры материалы на основе цемента должны сталкиваться с жесткими условиями окружающей среды, такими как сверхнизкие температуры [6–8]. В этих условиях механические свойства (например, прочность на сжатие, прочность на изгиб, модуль упругости и коэффициент Пуассона) затвердевшего портландцементного бетона будут улучшены сверхнизкой температурой, например, -70 ~ -10 ° C [7].
Иными словами, если материалы на основе цемента (пасты, растворы, бетон и т. Д.) Будут подвергаться воздействию низких температур, особенно отрицательной температуры (<0 ° C) во время начальной стадии гидратации, гидратация цемента будет сильно затронута [9–11] .В этом случае на гидратированные продукты, фазовое превращение, например, из эттрингита (AFt) в моносульфат (AFm), и поры раствора будут влиять низкие температуры [5, 12]. В некоторых ограниченных условиях матрица может быть даже повреждена. Таким образом, в раннем возрасте следует применять стратегии, чтобы избежать повреждения матрикса в холодную погоду [13, 14]. С этой целью было проведено множество исследований по изучению гидратации портландцемента при низких температурах [10, 11, 15–18], хотя до сих пор отсутствует глубокое понимание влияния низких температур на характеристики гидратации и твердения цемента. .
Лучшее понимание гидратации портландцемента может абсолютно улучшить характеристики цементных композитов при низких температурах, особенно для применения в холодном климате. Таким образом, это исследование направлено на изучение процесса гидратации портландцемента, включая гидраты, микроструктуры и эволюцию механического поведения. Чтобы лучше понять влияние низких температур на процесс гидратации, также используется термодинамический подход для расчета гидратов портландцементной пасты.По сути, это исследование дает базовые знания о процессе гидратации портландцемента при низких температурах как часть систематического исследования.
2. Экспериментальная программа
2.1. Сырье
В данном исследовании использовался типичный коммерческий обычный портландцемент (OPC, производимый Jidong Cement Plant, Сиань, Китай) с оксидными компонентами, подробно описанными в Таблице 1 (PO42.5). Следует отметить, что оксидные компоненты, измеренные здесь с помощью XRF, не отражали реальный компонент в портландцементе из-за замены 5 ~ 10% наполнителя в клинкерах. Минеральные фазы в OPC (с помощью XRD) и гранулометрический состав показаны на рисунке 1. Технические свойства PO42.5, использованного в этом исследовании (предоставлены производителем), следующие: удельная поверхность (по Блейну) = 360 м 2. ² / кг, плотность = 3,02 г / см ³, время начального схватывания = 2,8 часа и время окончательного схватывания = 4,7 часа.

Название	Процент на Вес	Химическая формула
Силикат трикальция	50%	3Ca0 SiO3		SiO3 SiO3
Алюминат трикальция	10%	3Ca0 Al2 O3
Тетракальцийалюмоферрит	10%	4Ca0 Al2 Fe2 O3	Ca0 Al2 Fe2 O3

2902 2 902


Оксид	Na ₂ O	MgO	Al ₂ O ₃	SiO ₂	SiO ₂	SiO ₂	SO ₃	K ₂ O	CaO	TiO ₂	MnO	Fe ₂ O ₃	CuO	ZnO 43	Ob ₃	Rb	BaO	PbO	Cr ₂ O ₃

PO42. 5	0,30	1,30	5,20	18,00	0,05	3,00	1,10	65,80	0,40	0,07	0,003	4,80		0,02	0,00

, полученные методом рентгеновской флуоресценции (XRF).

2.2. Методы и инструменты
2.2.1. Лабораторные эксперименты
Цементные пасты смешивали в соответствии с ASTM C305-14 [20], а затем помещали в формы (40 × 40 × 160 мм) или пластиковые контейнеры; после этого они были отверждены в камерах при -5 ° C, 0 ° C, 5 ° C, 8 ° C и 20 ° C (относительная влажность = 90%). Следует отметить, что перед смешиванием сырья (например, портландцемента и воды) формы и чаши следует предварительно охладить в камерах, соответствующих температуре их последующего отверждения. Например, если образец пасты будет отверждаться при 0 ° C, воду, цемент, чаши и формы следует предварительно охладить при температуре 0 ° C в течение двух часов, пока их поверхность не достигнет 0 ° C.В экспериментальном исследовании водоцементное (в / ц) отношение образцов призм для измерения прочности было установлено равным 0,45, в то время как в / ц пасты, хранящейся в герметичных пластиковых контейнерах, было задано равным 0,5 для завершения реакции.
Пасты в контейнере обрабатывали методом замены растворителей (изопропанолом) [21], а затем измеряли с помощью XRD (Bruker, D8 Advanced, Cu-K α ) и SEM (Hitachi, S4800).
Чтобы описать процесс гидратации портландцементных паст, в этом исследовании были измерены степень гидратации (DoH), зрелость и удельное электрическое сопротивление.DoH паст портландцемента был определен как (1) на основе модели Пауэрса [22]. Где DoH — степень гидратации (% по весу), — начальная масса образца, предварительно обработанного в муфельной печи (6 часов) при 105 °. C, — конечная масса образца, нагретого до 950 ° C.
Удельное электрическое сопротивление цементного теста можно использовать для анализа процесса гидратации цемента [19]. Таким образом, кривая удельного сопротивления во время начальной гидратации портландцемента была обнаружена с помощью CCR-II (производства BC Tech, г. Шэньчжэнь, Китай).Оборудование и образец показаны на рис. 2. Чтобы предотвратить испарение влаги и колебания температуры, на тестовой плате была установлена пластиковая крышка, а температура контролировалась кондиционером (общая температура) или камерой (более низкие температуры).

Зрелость рассчитывалась по следующему уравнению [10, 11, 23]: где — зрелость портландцементной пасты, — температура образца (° C), измеренная CCR-II (подробно описана выше), или температура отверждения. (-5 ° C, 0 ° C, 5 ° C, 8 ° C и 20 ° C) — это базовая температура (обычно -10 ° C) и временной интервал на стадии отверждения (h).
2.2.2. Термодинамический расчет
Критерии минимизации свободной энергии Гиббса использовались для расчета равновесных фазовых ассоциаций и ионного состава химических систем, таких как паста портландцемента. Моделирование и программное обеспечение были подробно описаны в нашем предыдущем исследовании [18], в котором GEMS-PSI (программное обеспечение) и CEMDATA7.1 (база данных) использовались для расчета гидратов OPC. Следует отметить, что в этом исследовании основная кинетическая функция [24] гидратации портландцемента была модифицирована константой равновесия раствора [18, 25].В термодинамическом моделировании входные данные включали следующее: C ₂ S = 11,1 г / 100 г, C ₃ S = 62,9 г / 100 г, C ₃ A = 6,0 г / 100 г, C ₄ AF = 11,5 г / 100 г, гипс = 4,6 г / 100 г, K ₂ O = 1,1 г / 100 г и Na ₂ O = 0,3 г / 100 г. Кроме того, 10000 дней были адаптированы как окончательный срок гидратации в моделировании. Теоретический расчет термодинамики может дать более глубокое объяснение механического поведения.
3. Результаты и обсуждение
3.1. Электрическое сопротивление в раннем возрасте
На рисунке 3 показана кривая удельного сопротивления портландцемента во время гидратации. После смешивания с водой ионы (например, Ca ²⁺, K ⁺, Na ⁺, OH ^— и) растворяются в воде, образуя электролитический раствор [26], и тогда гидраты будут расходуют ионы в растворе или занимают пространство раствора; таким образом, удельное сопротивление пасты можно использовать для наблюдения за стадиями гидратации во время гидратации.Сообщается, что гидратацию цемента можно разделить на пять стадий: (1) стадия растворения; (2) этап динамического равновесия; (3) этап настройки; (4) стадия закалки; 5) стадия замедления твердения [19]. Основываясь на предыдущем исследовании [19], кривая удельного сопротивления и дифференциального сопротивления может хорошо указать начальную настройку и время окончательной схватывания. На рисунке 3 нормализованные данные удельного сопротивления показывают очевидное дно, которое соответствует началу начальной настройки. Кроме того, начальное положение стадии замедления упрочнения может быть подтверждено в верхней части кривой дифференциального электрического сопротивления.Кривые на рисунке 3 показывают, что данные о температуре и удельном сопротивлении хорошо согласуются друг с другом. Следовательно, данные о температуре при измерении CCR-II также могут рассматриваться для описания гидратации цемента. Этот вывод является основой для адаптации температурных данных образца при расчете зрелости ниже.

На рисунке 4 представлены нормированные данные удельного сопротивления портландцементных паст при температуре 8 ° C (рисунок 4 (a)) и 20 ° C (рисунок 4 (b)). На кривых можно отметить две важные характеристики: (i) низкая температура (8 ° C) задерживает нижнюю часть (положение начального времени схватывания) нормализованной кривой удельного сопротивления; (ii) начальный график нормализованной кривой удельного сопротивления при низкой температуре (8 ° C) был ниже, чем при общих условиях (20 ° C).Они происходят из-за того, что скорость химической реакции снижается при низких температурах.

(а) 8 ° C
(б) Комнатная температура
(а) 8 ° C
(б) Комнатная температура
3.2. Температура образца и проявление зрелости
Изменение температуры также регистрировалось датчиками (см. Рисунок 2 (b)), как показано на рисунке 4. При более низкой температуре отверждения (8 ° C) температура образца увеличивалась из-за химической реакции в пасте и затем уменьшилось из-за более прохладной окружающей среды снаружи.При комнатной температуре температура образца продолжала расти, при этом температура образца в меньшей степени зависела от удельного электрического сопротивления пасты.
На рис. 5 показана зрелость, рассчитанная на основе температуры отверждения / образца с помощью (2). Рисунок 5 (а) представляет собой идеальную кривую зрелости, рассчитанную по температуре отверждения, а рисунок 5 (б) показывает зрелость, рассчитанную по температуре образца (см. (2)). Считается, что механическое поведение композитов на основе цемента имеет большую взаимосвязь со зрелостью [10].В этом смысле рис. 5 может служить доказательством задержки силы в предыдущих исследованиях [17, 18].

(a) Температура окружающей среды
(b) Температура образца
(a) Температура окружающей среды
(b) Температура образца
3.3. Степень гидратации
Степень гидратации (DoH) зависит от процесса реакции цементного теста; следовательно, DoH цементного теста, отвержденного при более низких температурах, был измерен на основе модели Пауэрса и показан на рисунке 6.По истечении времени отверждения DoH цемента с той же температурой отверждения увеличивается, в то время как более высокая скорость гидратации достигается при более высоких температурах. Возьмем, к примеру, -5 ° C, его DoH после 90 дней составлял 63,2%, что намного ниже, чем у обычного состояния (91,9% при 20 ° C). Этот результат согласуется с выводом отчета FHWA [23]. Между тем, эксперимент показывает, что портландцемент все еще может гидратироваться при -5 ° C; например, DoH для OPC при -5 ° C составляли 16,7%, 25,5%, 47,4%, 55,3%, 61,9% и 63,2% после 1, 3, 7, 28, 60 и 90 дней соответственно.Этот результат объясняет медленное достижение прочности цементных паст при отрицательных температурах.

3.4. XRD-анализ
На рис. 7 показан XRD-анализ гидратов портландцемента при различных температурах (1 d). Видно, что пик портландита (Ca (OH) ₂) отличается температурой отверждения. До -5 ° C не было явного пика портландита, и отчетливо прослеживалась минеральная фаза (1 г). Пиков AFt через 1 день для паст, отвержденных при -5, 0, 5 и 8 ° C, не наблюдалось.

3.5. SEM
Микроструктура гидратированной пасты представлена на рисунке 8. Согласно DoH, приведенному выше, портландцемент меньше гидратирован при температуре ниже -5 ° C; таким образом, разделенные частицы на Фигуре 8 (а) можно объяснить тем, что твердое вещество не связывается с другими. При других температурах отверждение паст зависело от температуры отверждения. Если сфокусировать внимание на гидратах, на Рисунке 8 (b) (0 ° C) было несколько отдельных частиц, а на Рисунке 8 (c) (5 ° C) было немного негидратированных частиц.Если температура отверждения была выше 8 ° C, на СЭМ-изображениях можно было наблюдать меньше негидратированных частиц (см. Рисунки 8 (d) и 8 (e)). Принимая во внимание DoH (47,4%) портландцемента, отвержденного при -5 ° C за 7 дней, цемент должен образовывать некоторое количество гидратов для связывания частиц в пасте; однако DoH этого образца (-5 ° C, 7 дней) был точно таким же, как у образца, отвержденного при 20 ° C за 1 день (46,7%, см. рисунок 4). На этом уровне DoH частицы в пасте не реагировали на связывание с другими. Фактически, портландцемент только что завершил межфазную реакцию и достиг гидратации, контролируемой диффузией [27] на этом уровне DoH, в то время как пространства между частицами не были заполнены гидратами.При увеличении DoH (т.е. связанном с температурой) промежутки между гидратами будут заполняться, а затем связываться друг с другом. Здесь не следует игнорировать еще одну причину: частицы цементного теста перемещались и разделялись льдом, образовавшимся при -5 ° C (отрицательные температуры).
4. Термодинамический расчет гидратации портландцемента при низкой температуре
4.1. Гидратация портландцемента за время отверждения
Термодинамический расчет гидратации портландцемента был подтвержден рядом исследований.На рисунке 9 показано выделение гидратов при 20 ° C на основе термодинамического моделирования. Как показано на рисунке, гидраты увеличиваются со временем отверждения. Aft была преобразована в AFm через 1 день, а затем исчезла через 2 дня, в то время как фаза C ₃ AH ₆ появилась через 3 дня. Этот результат расчета подтвержден нашими экспериментальными данными, так как о низкотемпературных эффектах сообщалось ранее. Окончательные гидраты могут быть изменены в пределах 0 ~ 10 ° C. Изменение минеральной фазы можно увидеть на Рисунке 10.

4.2. Взаимосвязь между прочностью, гидратами и температурой
Механическое поведение цементного теста в значительной степени связано с его гидратами. Например, связь между механическим поведением и содержанием CSH была доказана в нашем предыдущем исследовании [17]. На рисунке 10 показана взаимосвязь между температурой отверждения, прочностью на сжатие и объемной долей гидратов. Фракции гидратов были собраны из термодинамических расчетов (возраст = 10000 дней).
Прочность измерялась при температурах 0, 5, 8 и 20 ° C и более 3 дней, 7 дней и 28 дней. Можно видеть, что (1) содержание CSH не подвергалось значительному влиянию температуры отверждения сверх долгих сроков; (2) объемные доли AFt, AFm и портландита изменялись в зависимости от температуры отверждения; (3) длительная (28 дней) прочность показала слабую связь с содержанием CSH, но была сильно связана с AFt, AFm и портландитом при температуре 10 ° C. С уменьшением СН увеличивалась прочность на сжатие.Кроме того, AFm может улучшить механическую прочность портландцемента при низких температурах.
Это открытие было очень интересным, потому что мы всегда думали, что механическое поведение тесно связано с объемной долей CSH, но в этом исследовании, исходя из предпосылки различных температур раннего отверждения, мы обнаружили, что изменение механической прочности не имеет отношения к содержанию CSH. (прочность отличается при аналогичной / той же объемной доле CSH), но существенно связана с производимыми алюминатными гидратами и портландитом.Следует отметить, что приведенный выше вывод может быть не на 100% правильным, но мы хотели бы учитывать, что влияние температуры на раннее механическое поведение должно иметь более глубокие объяснения, термодинамически. Однако в будущем эти выводы потребуют дополнительных доказательств.
5. Резюме и выводы
Характеристики гидратации портландцемента (PO42.5) в раннем возрасте, включая электрическое сопротивление, изменение температуры, степень гидратации и фазовое развитие, наблюдались в лаборатории при температуре отверждения -5,0, 5, 8 и 20 ° C.Термодинамический расчет на основе программного обеспечения GEMS-PSI также использовался для объяснения и проверки экспериментальных результатов. Выводы можно сделать следующим образом: (1) низкие температуры (-5, 0, 5 и 8 ° C) снижали скорость гидратации, но не останавливали реакцию гидрата; кроме того, процесс гидратации остается неизменным. Судя по датчикам температуры CCR-II, зрелость может объяснить задержку гидратации. (2) Существовала линейная зависимость между DoH и температурой отверждения до 1–7 дней; однако точка останова появилась на 7–28 дней.В эксперименте предел разрушения проявлялся при 5 ~ 8 ° C. Эта точка разрыва DoH очень похожа на точку фазового превращения в термодинамике (10 ° C). (3) Расчет показал, что раннее механическое поведение может иметь более глубокое объяснение с точки зрения термодинамики, где гидраты различаются при низких температурах. Исходя из предпосылки этого исследования (различная температура раннего отверждения), прочность на сжатие старых паст (28 дней) меньше связана с содержанием CSH, но тесно связана с алюминатными соединениями и портландитом.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
Благодарности
Авторы хотели бы выразить признательность за финансовую поддержку Китайскому фонду естественных наук (NSFC, № 51708045) и Национальной программе исследований и разработок в области ключевых технологий Китая (2014BAG05B04), а также поблагодарить аспирантов Юнвэй Лу и Вэньсю Цзяо за их помощников по экспериментам.

Как происходит процесс затвердевания бетона

Пропорции материалов в бетоне

Другие ингредиенты

Процесс гидратации бетона

Гидратация цемента — что это такое? |

Это тоже интересно:

Гидратация цемента (схватывание и твердение)

Влияние температуры на твердение бетона

Условия твердения бетона и уход за ним

Неправильно выполненный уход за твердеющим бетоном — Блог

Hекачественное выполнение ухода за твердеющим бетоном

Может ли процесс гидратации в бетоне возобновиться позднее при благоприятных условиях?

Как производят бетон. Интересные статьи от Ильбетона

Дозирование

Другие ингредиенты

Гидратация начинается

Увлажнение

Урок 5 — Итак, вы думаете, что бетон сохнет —

Цель

Метод

Фон

Материалы

Процедура

Как делают бетон

Дозирование

Другие ингредиенты

Начинается гидратация

CIVL 1101 — Часть 4

Кинетика гидратации цемента

Гидратация

Типы цемента и их поведение

Продукты гидратации цемента

Роли смесей в кинетике гидратации цемента

Роль температуры в кинетике гидратации цемента

Роль методов отверждения в кинетике гидратации цемента

Ресурсы:

Артикул:

Степень гидратации цемента в растворе и бетоне

Виды расчетов и экспериментальных исследований

1. Введение

2. Экспериментальная программа

2.1. Сырье

2.2. Методы и инструменты

2.2.1. Лабораторные эксперименты

2.2.2. Термодинамический расчет

3. Результаты и обсуждение

3.1. Электрическое сопротивление в раннем возрасте

3.2. Температура образца и проявление зрелости

3.3. Степень гидратации

3.4. XRD-анализ

3.5. SEM

4. Термодинамический расчет гидратации портландцемента при низкой температуре

4.1. Гидратация портландцемента за время отверждения

4.2. Взаимосвязь между прочностью, гидратами и температурой

5. Резюме и выводы

Конфликт интересов

Благодарности

Ответить Отменить ответ