Гидратация цемента

Гидратация цемента

Гидратация цемента — химическая реакция цемента с водой с образованием кристаллогидратов. [2] В процессе гидратации жидкий или пластичный цементный клей превращается в цементный камень. Первая стадия этого процесса называется загустеванием, или схватыванием, вторая — упрочнением, или твердением. [3]

Содержание

• 1 Химические реакции
• 2 Изменения физических свойств
• 3 Примечания
• 4 Литература
• 5 Ссылки

Химические реакции [ править | править код ]

Безводные минералы клинкера при реакции с водой превращаются в гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферраты кальция. Все реакции являются экзотермическими, то есть протекают с выделением теплоты. На скорость гидратации влияют: степень помола цемента и его минеральный состав, количество воды, которой замешивается цемент, температура, введение добавок. [5] Степень гидратации зависит от водоцементного соотношения, и достигает своего максимального значения только через 1—5 лет. [6] [

1] Степень гидратации определяется различными способами: по количеству Ca(OH)₂, по тепловыделению, по удельному весу цементного теста, по количеству химически связанной воды, по количеству негидратированного цемента, [

2] либо косвенно по показателям прочности цементного камня. [7] Продукты гидратации различаются по прочности. Основными носителями прочности являются гидросиликаты кальция. [6] В процессе гидратации клинкеров C₃S и C₂S помимо гидросиликатов кальция образуется гашёная известь Ca(OH)₂, сохраняющаяся в цементном камне и препятствующая коррозии стали внутри цементного камня. [8]

Уравнения реакций для четырёх основных клинкерных минералов выглядят следующим образом [9] :

Для трёхкальциевого силиката 3 CaO ⋅ SiO 2 <<3CaO.SiO2>>>> (сокращённо C 3 S <>>> ):

<3CaO.2SiO2.3H2O>+ <3Ca(OH)2>+ 502>>>»> 2 ( 3 CaO ⋅ SiO 2 ) + 6 H 2 O ⟶ 3 CaO ⋅ 2 SiO 2 ⋅ 3 H 2 O + 3 Ca ( OH ) 2 + 502 <<2(3CaO.SiO2)>+ 6H2O -> <3CaO.2SiO2.3H2O>+ <3Ca(OH)2>+ 502>>> <3CaO.2SiO2.3H2O>+ <3Ca(OH)2>+ 502>>>»/> Дж/г

Для двукальциевого силиката 2 CaO ⋅ SiO 2 <<2CaO.SiO2>>>> (сокращённо C 2 S <>>> ):

<3CaO.2SiO2.3H2O>+ + 260>>>»> 2 ( 2 CaO ⋅ SiO 2 ) + 4 H 2 O ⟶ 3 CaO ⋅ 2 SiO 2 ⋅ 3 H 2 O + Ca ( OH ) 2 + 260 <<2(2CaO.SiO2)>+ 4H2O -> <3CaO.2SiO2.3H2O>+ + 260>>> <3CaO.2SiO2.3H2O>+ + 260>>>»/> Дж/г

Для трехкальциевого алюмината 3 CaO ⋅ Al 2 O 3 <<3CaO.Al2O3>>>> (сокращённо C 3 A <>>> ):

<3CaO.Al2O3.6H2O>+ 867>>>»> 3 CaO ⋅ Al 2 O 3 + 6 H 2 O ⟶ 3 CaO ⋅ Al 2 O 3 ⋅ 6 H 2 O + 867 <<3CaO.Al2O3>+ 6H2O -> <3CaO.Al2O3.6H2O>+ 867>>> <3CaO.Al2O3.6H2O>+ 867>>>»/> Дж/г

Для четырёхкальциевого алюмоферрита 4 CaO ⋅ Al 2 O 3 ⋅ Fe 2 O 3 <<4CaO.Al2O3.Fe2O3>>>> (сокращённо C 4 AF <>>> ):

<3CaO.Al2O3.6H2O>+ <3CaO.Fe2O3.6H2O>+ 419>>>»> 4 CaO ⋅ Al 2 O 3 ⋅ Fe 2 O 3 + 2 Ca ( OH ) 2 + 10 H 2 O ⟶ 3 CaO ⋅ Al 2 O 3 ⋅ 6 H 2 O + 3 CaO ⋅ Fe 2 O 3 ⋅ 6 H 2 O + 419 <<4CaO.Al2O3.Fe2O3>+ <2Ca(OH)2>+ 10H2O -> <3CaO.Al2O3.6H2O>+ <3CaO.Fe2O3.6H2O>+ 419>>> <3CaO.Al2O3.6H2O>+ <3CaO.Fe2O3.6H2O>+ 419>>>»/> Дж/г

Изменения физических свойств [ править | править код ]

При смешивании цемента и воды цементные частицы окружаются водой, которая составляет 50—70 объёмных процентов смеси. В результате химической реакции гидратации начинается образование иглообразных кристаллов. Спустя 6 часов образуется достаточное количество кристаллов и между цементными частицами формируются пространственные связи. Так происходит загустевание (схватывание) цементной смеси. [3] Процесс схватывания, вероятно, обеспечивается избирательной гидратацией клинкерных минералов C₃A и C₃S, а также развитием оболочек вокруг цементных зёрен и взаимной коагуляцией составных частей цементного теста. [11] Через 8—10 часов объём цементной смеси заполняет скелет иглообразных кристаллов, образованный преимущественно продуктами гидратации алюминатов C₃A, поэтому такая структура называется алюминатной. С этого момента начинается застывание и набор прочности, которые связаны с формированием силикатной структуры, образующейся в процессе гидратации клинкерных минералов C₃S и C₂S. Результатом реакции силикатов и воды становятся очень малые кристаллы, объединяющиеся в гомогенную тонкопористую структуру, которая и определяет итоговую прочность цементного камня. Примерно через сутки силикатная структура начинает вытеснять алюминатную, а спустя 28 суток — полностью вытесняет её. [5] На практике формирование рыхлой алюминатной структуры из гидросиликата кальция в процессе схватывания отрицательно влияет на прочностные характеристики цементного камня. Поэтому в цементный клинкер вводится гипс, количество которого ограничивается допустимой концентрацией ангидрида серной кислоты SO₃ в цементе по весу. [

3] Гипсовая добавка замедляет образование гидроалюмината кальция и каркас гидратированного цементного теста формируется за счёт гидросиликата кальция. [11]

Гидратация цемента в период схватывания характеризуется выделением теплоты: в начале схватывания происходит быстрый подъём температуры, а в конце схватывания наблюдается температурный максимум. Скорость схватывания находится в зависимости от температуры окружающей среды. При низких температурах схватывание замедляется. При повышении температуры скорость схватывания увеличивается, однако при значениях температуры выше 30 °C может наблюдаться обратный эффект. [11]

Для полной гидратации цементного зерна необходимо количество воды, составляющее 40 % от его массы. При этом из указанного количества воды 60 % (или 25 % от массы цемента) будут химически связаны с цементом, а 40 % (или 15 % от массы цемента) останутся в порах геля. [12] Средняя величина удельного веса продуктов гидратации в насыщенном водой состоянии составляет 2,16. [13] Та часть воды (25 % от массы цемента), которая вступает в химическую реакцию с цементом, претерпевает объёмную контракцию (сжатие) в процессе реакции, составляющую примерно 25 % от её объёма. В итоге образующийся цементный камень частично уменьшается в объёме. Этот процесс называется усадкой, а величина уменьшения объёма — объёмом усадки. [12]

При полной гидратации цементного клея объём пор будет составлять примерно 28 [15] —30 [12] % от объёма образующейся структуры геля. При этом величина пористости геля в основном не зависит от водоцементного отношения смеси и степени гидратации, а является характерным показателем для марки цемента. [16] Размер гелевых пор составляет примерно 1,5—2 [15] (1—3 [17] ) нм в диаметре. [

4] Часть общего объёма цементного теста, которая не заполнена продуктами гидратации, образует взаимосвязанную систему капиллярных пор, беспорядочно распределённых по всему цементному камню. Капиллярная пористость цементного камня находится в прямой зависимости от водоцементного отношения смеси и в обратной зависимости от степени гидратации. Чем больше величина водоцементного отношения, тем больше капиллярных пор. В то же время по мере роста степени гидратации цемента будет уменьшаться объём капиллярных пор. Размер капиллярных пор составляет примерно 1,27 мкм. [19]

Структурно продукты гидратаци представляет собой гель, а сам процесс гидратации классифицируется как гелеобразование. [5] В процессе гидратации значительно увеличивается площадь поверхности твёрдой фазы цементного геля, что влечёт за собой повышение адсорбции свободной воды. При этом сохраняется расход воды в реакциях гидратации. Следствием этих двух процессов становится самовысушивание — явление уменьшения относительной влажности в цементном тесте. Самовысушивание снижает степень гидратации, поэтому для нормального протекания процессов твердения цементного теста необходимо поддерживать уровень влажности, как одно из условий нормального набора прочности. Процесс самовысушивания также компенсируется избытком воды при затворении цементной смеси (при значениях водоцементного отношения 0,5 и более). [20]

Удаление цемента

Удаление цемента – задача непростая, занимающая определенное количество времени. При этом данный процесс должен проводиться в специальной защитной одежде, поскольку входящие в состав средств активные вещества могут повредить кожу.

Во время ремонтных или строительных работ цементные растворы или другие составы неизбежно попадают на чистые поверхности и загрязняют их. Своевременная обработка поверхностей поможет исправить такое недоразумение и вернуть им их прекрасный вид. При работе с цементом важно не допускать его засыхания, в противном случае застывшие капли будет крайне трудно удалить.

Средство для удаления цементного раствора можно приобрести в любом строительном магазине. Такой состав без труда удалит капли цемента и минеральные отложения с любых поверхностей. В состав таких средств, как правило, входит фосфорная кислота.

Для удаления мягкого цемента можно воспользоваться лопатой: соскрести основную массу, затем убрать остатки при помощи раствора. Затвердевший цемент будет гораздо сложнее удалить.

Способы удаления загрязнений

Многие предпочитают использовать такие инструменты, как железные гвозди и молоток. Механический метод воздействия на цемент будет оправдан только лишь в том случае, если отсутствует риск повреждения материала. В других случаях поможет кислотный очиститель цемента, который сохранит поверхность в отличном состоянии.

При очистке плитки рекомендуется поместить ее в воду таким образом, чтобы частицы цемента были полностью погружены. Мягкий материал можно соскрести стамеской. Во время данного процесса зафиксируйте плитку на ровной горизонтальной поверхности.

Вместо воды можно воспользоваться качественным очистителем цемента, активные вещества которого ускорят реакцию размягчения. Удаление загрязнения таким средством займет около получаса.

Удалять загрязнение болгаркой следует только на минимальной скорости. Предварительно зафиксируйте материал, на котором есть частицы цемента.

Удаление цемента своими руками

Способы удаления цемента самостоятельно сводятся к механическому или химическому воздействию на загрязненные поверхности. Здесь важно проверить прочность той или иной обрабатываемой поверхности. Механические методы больше всего подойдут для крепких и ровных поверхностей. Для этого пригодятся следующие инструменты: шпатель, молоток и гвозди. Химическая обработка будет гарантировать целостность поверхности и полное восстановление ее первоначального вида.

Для удаления цемента лучше всего использовать специальное концентрированное средство Docker Zement. С его помощью вы избавитесь так же от известковых и солевых отложений, загрязнений цементными растворами, шпаклевки, известкового налёта, мочевого камня и т.п. с различных поверхностей.

Судя по отзывам многих пользователей промышленной химии, растворитель цемента — это действительно эффективное средство, позволяющее сэкономить время. Используя подручные средства для удаления цемента, прежде всего подготовьте место. Если нужно очистить отдельный предмет, то надежно закрепите его. Затем приступите непосредственно к очистке.

Для того чтобы найти средство для удаления цеметных остатков, достаточно заказать обратный звонок, и специалисты компании Докер Кемикал ГмбХ Рус быстро подберут Вам подходящее средство.

Химия для бетона: почему нельзя использовать бытовую химию

Безудержное стремление человека к непрерывному «изобретению велосипеда» и неуёмное желание своими руками превзойти профессиональные строительные решения, в последнее время породило множество опасных рекомендаций по самостоятельному приготовлению бетонной смеси с применением различных средств бытовой химии. Например, для повышения пластичности бетонного раствора мнимые профессионалы советуют использовать бытовые моющие средства, шампуни и стиральные порошки. Тысячи интернет-страниц заполнены чудодейственными рецептами бетонных смесей с применением популярных моющих средств и бытового мыла, пластичность которых вызывает у мастеров искренний восторг при заливке в опалубку.

Главной задачей, которую преследуют все эти изобретатели, является экономия на покупке специальных добавок-пластификаторов, используемых на бетонных заводах и предназначенных для производства высококачественного бетона. И это несмотря на то, что первые пластифицирующие добавки для бетона в России появились ещё в 30-е годы предыдущего столетия, а их активное применение началось ближе к 60-ым. На текущий момент рынок профессиональных материалов для бетонов и растворов изобилует добавками для любых целей и задач.

Что касается решений для частного строительства, то заметный прорыв наступил только в последнем десятилетии. Ряд крупных компаний, работающих в области производства профессиональной строительной химии, начали выводить на розничный рынок целый спектр адаптированных решений, предназначенных в первую очередь для индивидуальных мастеров, прорабов и энтузиастов.

Для того чтобы разобраться в размерах экономии строителей-рационализаторов, использующих бытовую химию в качестве пластифицирующих добавок, и возможных последствиях их рационализаторского труда, достаточно провести один несложный лабораторный эксперимент. Для этого потребуются два одинаковых состава бетонной смеси, к примеру, марки М400, содержащих равное количество цемента, песка и щебня. Отличаться же составы будут только количеством воды, необходимой для получения высокой пластичности смеси, и используемой добавкой.

Именно такой эксперимент провели специалисты компании Sika в своей лаборатории. В составе №1 был использован суперпластификатор SikaPlast 520N, а в составе №2 одно из популярных моющих средств.

Цемент ЦЕМ I 42,5

Расходы добавок подбирались таким образом, чтобы оба состава бетонной смеси имели равновысокую пластичность, при которой укладка раствора в опалубку требует минимальных усилий. Как мы видим, расход популярного моющего средства оказался ниже профессионального пластификатора. Приведённая стоимость добавки SikaPlast 520N в составе №1 составила 11,28 ₽, а в составе №2 – 1,47 ₽ (на основании средней розничной цены материалов на март 2017 года). На первый взгляд выгода от применения бытовой химии очевидна.

Проверим так ли это в лабораторных испытаниях. Дело в том, что моющие средства в бетоне можно сравнить с айсбергами в Атлантическом океане – основная их часть, представляющая угрозу, скрыта от невооруженного взгляда обывателя. Взглянем на основную характеристику бетона – его прочность на сжатие. После приготовления двух наших составов мы сделали по 4 образца каждого состава и поместили их в камеру нормального хранения на 28 суток, ведь именно столько бетон набирает марочную прочность. Результаты испытаний на гидравлическом прессе, очевидные для профессионалов, могут шокировать неподготовленного человека. Усреднённая прочность бетона по 4 образцам, приготовленного с помощью профессионального пластификатора, составила 640 кН, что соответствует марке бетона М600. Данное значение сильно превосходит типовую марку бетона М350-М400, а вот со вторым составом дела обстоят иначе.

Показатели прочности бетона с использованием добавки SikaPlast 520N (Состав №1):

Показатели прочности бетона с использованием моющего средства (Состав №2):

Последствием применения моющего средства стало угрожающее падение прочности бетона – всего 99 кН, что даже не дотягивает до марки бетона М100, и образование ярко выраженной пористой структуры цементного камня. Подобной прочности недостаточно даже для стяжки в бытовых помещениях, не говоря уже о фундаментах и перекрытиях зданий. Результаты измерений образцов, приготовленных с применением моющего средства, показали колоссальное вовлечение воздуха в бетонную смесь — 20%. На практике, помимо резкого падения прочности фундамента и его несущей способности, вы получите высокое водопоглощение конструкции и быстрое разрушение бетона под действием отрицательных температур в осенне-зимний период. И стоит отметить то, что подобное обрушение прочности произошло всего-навсего из-за 8 г моющего средства, а ведь на практике строители редко когда ограничивают себя при дозировании подобных «добавок», наливая его колпачками или стаканами. В итоге, кажущаяся выгода от применения бытового моющего средства обернулась колоссальным падением прочности бетона и недолговечностью сооружения.

Кирилл Лебедев. Технический специалист отдела «Бетон» корпорации Sika.

Отзыв: Концентрат для смывки цементного раствора Starwax — Результат превзошел ожидания, супер средство!

Всем доброго дня!

После продолжительного ремонта, особенно ванной комнаты, на трубах, плитке и других поверхностях зачастую остаются цементные разводы (если их вовремя не убрать), а уж как будет выглядеть «строительный» унитаз снаружи и внутри представить себе достаточно легко.

Для очистки всей этой «прелести» было решено купить и опробовать Концентрат для смывки цементного раствора Starwax. Отзывов о нем мы не читали, просто взяли первое попавшееся подходящее средство и результат превзошел все ожидания.

Концентрат продается в яркой пластиковой бутылке с удобной ручкой. Объем 1 литр, стоимость в районе 350 рублей. Подходит как для плитки, так и для керамогранита, и непригоден для мрамора.

Производитель указывает, что средство удаляет не только остатки цемента, но и гипса, грунтовки, затирки и даже следы ржавчины.

Способ применения подробно описан в инструкции на обратной стороне бутылки. Это концентрат, поэтому его нужно разводить водой: 1 литр средства на 3-5 литров воды. Средство прозрачное, имеет неприятный химический запах.

При нанесении желательно использовать перчатки, т. к. средство очень едкое.

— Для тонкого слоя цемента и потеков, достаточно нанести средство, подождать минут 5-7 и можно смывать без каких-либо усилий.
— Для среднего слоя цемента после нанесения нужно приложить усилия, но также все прекрасно оттирается.
— Для цементных толстых клякс нужно наносить средство, смывать водой и так несколько раз, постепенно вся клякса сойдет на нет.

А теперь перейдем к результатам:

Плитка была не сильно загрязнена цементом, а вот сантехника и трубы в процессе ремонта запачканы были изрядно.

Унитаз, к сожалению, удалось сфотографировать только снаружи, но не трудно понять какая цементная картина была внутри.

А это уже вид после, белый и чистый.

Трубы тоже были в цементе

А вот уже результат после применения средства, все очистилось без особых усилий

На мой взгляд средство отлично справилось со своей задачей. Цемент, даже старые и толстые слои, очищается достаточно легко и расход при этом довольно экономичный.