3.3.2.2 Химический и минералогический состав портландцемента

Химический состав клинкера выражают содержанием оксидов (% по массе). Главными являются: СаО – 62-68%; SiO₂ – 21-24%; Al₂O₃ – 4-8%; Fe₂O₃ – 2-5%; суммарное количество которых составляет 95-97%. В небольших количествах могут входить MgO – 0,5-5%; SO₃ до 1% и т.д.

Минералогический состав клинкера выражается содержанием следующих минералов: 40-65 % алита, 15-40 % белита, 2-15 % трехкальциевого аллюмината и 10-20 % аллюмоферит кальция. Алит определяет быстроту твердения, прочность и другие свойства портландцемента. Взаимодействие его с водой происходит с большим тепловыделением. Берит медленно твердеет, но достигает высокой прочности при длительном твердении портландцемента (при правильной эксплуатации на протяжении нескольких лет). Реакция идет с малым выделением тепла. Трехкальцыевый аллюминат является самым активным клинкерным материалом; он быстро взаимодействует с водой, но имеет низкую долговечность и является причиной сульфатной коррозии бетона. Четырехкальциевыйалюмоферит характеризуется умеренным тепловыделением и по быстроте твердения занимает промежуточное место между С₃S и С₂S.

Также в клинкере могут присутствовать свободные СаО (до 1%) и MgO (до 5%) (при более высоком их содержании снижается качество цемента и может появиться неравномерное изменение его объема при твердении, связанное с переходом СаО в Са(ОН)₂ и MgO в Mg(ОН)₂) и щелочи Na₂O и K₂O (до 0,6%).

В зависимости от содержания минералов различают :

– высокоалитовый портландцемент – более 60% С₃S (3CaOSiO₂);

– алитовый – 50-60% С₃S;

– беритовый – более 35% С₂S (2CaOSiO₂);

– алюминатный – более 12% С₃А (3CaOAl₂O₃);

– алюмоферитный – более 2% С₄AF (4CaOAl₂O₃ Fe₂O₃).

3.3.2.3 Три периода твердения портландцемента

В первые три часа после затворения цемента водой тесто пластично и легко формуется. Затем наступает схватывание, заканчивающееся через 5-10 ч. В это время цементное тесто загустевает, утрачивает подвижность, но его механическая прочность не велика. Переход загустевшего цементного теста в твердое состояние означает конец схватывания и начало твердения, которое характеризуется заметным возрастанием прочности. Твердение бетона при благоприятных условиях длится годами – вплоть до полной гидратации цемента.

1. Растворение (подготовительный период). При воздействии воды на поверхности зерен цемента вначале происходит растворение клинкерных минералов.

2(3СаОSiO₂)+6H₂O=3CaOSiO₂3H₂O+3Ca(OH)₂

2(2СаОSiO₂)+4H₂O=3CaOSiO₂3H₂O+Ca(OH)₂

3СаОSiO₂+5H₂O=2CaOSiO₂4H₂O+Ca(OH)₂

2СаОSiO₂+4H₂O=2CaOSiO₂4H₂O

3СаОAl₂O₃+6H₂O=3CaOAl₂O₃6H₂O

4СаОAl₂O₃Fe₂O₃+mH₂O=3CaOAl₂O₃6H₂O+ СаОFe₂O₃nH₂O

2. Образование центров кристаллизации и рост кристаллов

3. Твердение элементов портландцементного клинкера

2 период схватывания и твердения портландцемента. Все новые вещества (гидросиликаты, гидроалюмосиликаты и т.д.) образуют коллоидную систему, которая начинает загустевать. Этот период называют периодом схватывания, т.е. образование центров кристализации или период коллоидизации.

3 период твердения, переход цементного теста в камневидное состояние с повышением его прочности. В этот период Са(ОН)₂ (этрингит) и трехкальцевый гидроалюминат (3СаОAl₂O₃6H₂O) из коллоидного состояния переходит в кристаллическое, образуя