5.2.3.Минералогический состав клинкера портландцемента

Рассматривая под микроскопом микрошлифы клинкера, можно установить, что он состоит в основном из двух кристаллических минералов и изотропной стекловидной массы, обволакивающей эти минералы и заполняющей промежутки между ними.

Первый минерал, в наибольшем количестве представленный в клинкере современного портландцемента, называется алитом. Алит  это твердый раствор на основе трехкальциевого силиката 3CaO·SiO₂, в состав которого в небольших количествах входят MgO, A1₂O₃, а иногда и другие окислы (Сг₂О₃, РгО₅ и т. д.). Чем больше алита в клинкере, тем выше качество цемента.

Второй минерал, состоящий из метастабильной β-модификации двухкальциевого силиката β-2CaO·SiO₂, стабилизированной растворенными в ней окислами СаО, А1₂О₃, В₂О₃, Na₂O, Р₂О₅ и др., называется белитом.

Изотропная стекловидная масса представляет собой продукт затвердевания жидкой фазы, образующейся при обжиге; в состав ее входят ЗСаО·А1₂О₃, 4СаО·А1₂О₃·Fe₂O₃ и другие химические соединения.

Содержание в клинкере свободной извести СаО_своб допускается не более 0,5 %. Клинкер, полученный из правильно рассчитанной, хорошо подготовленной и обожженной сырьевой смеси, практически не содержит

5.2.4.Твердение портландцемента

При затворении портландцементного порошка достаточным количеством воды образуется пластичное цементное тесто, которое затем начинает загустевать.

Определение: период времени от начала затворения до потери тестом пластичности называется периодом, схватывания цементного теста.

За периодом схватывания следует период твердения, в течение которого прочность цементного камня постепенно нарастает. Схватывание цементного теста завершается относительно быстро в течение нескольких часов, твердение же цементного камня продолжается длительное время (месяцы и годы).

В процессе схватывания и твердения минеральных вяжущих веществ различают три периода:

а) подготовительный, или период растворения;

б) коллоидации  образование коагуляционной структуры;

в) кристаллизации  образование коагуляционно-кристаллизационной структуры.

а) Начальный период взаимодействия цемента с водой

Взаимодействие цемента с водой начинается с растворения клинкерных минералов на поверхности цементных зерен. В жидкую фазу цементно-водной суспензии переходят продукты растворения всех клинкерных минералов.

Рассмотрим механизм растворения клинкерных минералов на примере растворения трехкальциевого силиката C₃S. При затворении цемента водой с поверхности цементных зерен в раствор будут переходить молекулы 3CaO·SiO₂. В жидкой фазе от молекулы трехкальциевого силиката отщепляется СаО. Образующийся в результате гидратации СаО гидрат окиси кальция Са(ОН)₂ диссоциирует затем на ионы Са²⁺ и ОН^-.

Оставшаяся часть молекулы, а именно 2CaO·SiO₂, диссоциирует на ионы 2Са²+ и SiO^4-₄, а затем гидролизуется по реакции:

2Са²⁺ + SiO^4-₄ + 4H0H = 2Са²⁺ + 4ОН^- + H₄Si0₄.

Следовательно, при растворении трехкальциевого силиката в жидкой фазе (в растворе) будут присутствовать ионы Са²⁺, ОН^- и SiO^4-₄ и молекулы ортокремневой кислоты. В результате образования избытка гидроксильных ионов ОН^- при растворении и гидролизе трехкальциевого силиката быстро повышается рН жидкой фазы цементно-водной суспензии.

б) Образование коагуляционной структуры

Как только в результате растворения клинкерных минералов концентрация жидкой фазы цементно-водной суспензии достигнет некоторого предельного значения С_п, начнут возникать первичные зародыши новых фаз.

Рассмотрим взаимодействие безгипсового цемента с водой.

При затворении водой безгипсовых цементов жидкая фаза цементного теста быстро насыщается ионами Са²⁺, ОН^-, SiO^4-₄, Al(OH)^-₄ до некоторой предельной концентрации С_а, при которой происходит самопроизвольное образование зародышей новых фаз по реакциям:

ЗСаО·SiO₂ + 5Н₂О → 2CaO·SiO₂·4H₂O + Ca(OH)₂;

2CaO·SiO₂+4H₂O→2CaO·SiO₂·4H₂O;

ЗСаО·А1₂О₃ + Са(ОН)₂ + 18Н₂О → 4СаО·А1₂О₃·19Н₂О;

4СаО·А1₂О₃·Fe₂O₃ + nН₂О → 4СаО·А1₂О₃·Fe₂O₃ пН₂О.

Зародыши гидратов возникают в непосредственной близости от поверхности цементных зерен, так как образование их в объеме раствора (в жидкой фазе) энергетически менее выгодный процесс. Здесь же, вблизи поверхности цементных зерен, протекают и коллоидно-химические процессы, в результате которых образуются коллоидные гели. Частицы новых фаз образуют вокруг поверхности цементных зерен сильно набухающие коллоиды вследствие возникновения вокруг них сольватных оболочек.

В результате коллоидно-химических процессов, протекающих на поверхности цементных зерен, они увеличиваются в объеме (набухают) и через некоторое время оказываются в непосредственном контакте друг с другом, образуя коагуляционные узлы, как это показано на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Схема образования начальной коагуляционной

структуры в процессе схватывания цементного теста

а  цементно-водная суспензия сразу после затворения; б  образование коагуляционных контактов;