Автор работы: Пользователь скрыл имя, 13 Ноября 2013 в 19:12, реферат
Цемент является одним из важнейших строительных материалов. Его изготовляют на крупных механизированных и автоматизированных заводах. По производству цемента наша страна занимает одно из ведущих мест в мире. Из числа цементов разных видов наиболее важное значение имеет портландцемент. Это основной материал современной строительной индустрии. Из него возводят бетонные и железобетонные конструкции самых разнообразных зданий и сооружений. Жилищно-гражданское, промышленное, сельскохозяйственное, гидротехническое, горное, дорожное, ирригационное – вот неполный перечень видов строительства, где с успехом применяют бетон и железобетон на портландцементе.
. Введение
2. Гидратация портландцемента
3. Термодинамика гидратации вяжущих
4. Скорость гидратации портландцемента
5. Термохимия и термокинетика гидратации вяжущих
6. Электрохимические свойства вяжущих
7.Применение портландцемента
8.Список литературы
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИИ
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИЕТ
РЕФЕРАТ
на тему: Гидратация портландцемента
Казань,2013 г.
Содержание:
1. Введение
2. Гидратация портландцемента
3. Термодинамика гидратации вяжущих
4. Скорость гидратации портландцемента
5. Термохимия и термокинетика гидратации вяжущих
6. Электрохимические свойства вяжущих
7.Применение портландцемента
8.Список литературы
Введение
Цемент является одним из важне
По масштабам производства и применения портландцемент
Портландцементом (ПЦ) называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого измельчения клинкера и гипса и твердеющее в воде и на воздухе. Клинкер получают в результате обжига до спекания сырьевой смеси состава, обеспечивающего преобладание силикатов кальция.
Гипс вводят в состав
Наряду с портландцементом
Гидратация портландцемента
Гидратация, т.е. взаимодействие частиц исходного вещества с водой, складывается из физико-химической диспергации, собственно химической реакции образования гидратов, осложненной для полиминеральных вяжущих практическими условиями протекания процессов за счет взаимного влияния минералов друг на друга и явлений адсорбции, диффузии и т.д, и создания структуры с определенными физико-механическими свойствами.
Вяжущие, представленные одним минералом (гипсом, известью, оксидом магния), называют мономинеральными, а состоящие из нескольких минералов — полиминеральными (различные виды цементов).Вяжущие свойства приобретаются неорганическими материалами при нарушении координации по кислороду у входящих в их решетку катионов. Однако это необходимое условие недостаточно для проявления вяжущих свойств. Требуется высокая реакционная способность по отношению к воде, что достигается увеличением площади удельной поверхности за счет предварительного тонкого измельчения, которое является необходимым условием изготовления высококачественного цемента, так как общая свободная энергия представляется суммой химической и поверхностной составляющих:
G общ =Gхим + Gпов, (1)
и свою очередь Gпов = σ∑S и, считая поверхностное натяжение но меняющимся при измельчении, Gпов = σ∑S, где S — площадь удельной поверхности.
Таким образом, химическая активность клинкера растет с увеличением площади его удельной поверхности, которая составляет обычно от 3000 до 4000 см2 /г. Технологические и экономические соображения не позволяют повышать ее выше 5000— 6000 см2/г. Улучшение вяжущих свойств за счет изменения, по видимому, ограничено определенным верхним пределом роста химической активности, за которым реакции происходят настолько интенсивно, что не обеспечивают нормального структурообразования. Следовательно, появление вяжущих свойств заключается во взаимодействии тонко измельченных, полученных специальными приемами, метастабильных соединений с водой или определенными растворами, создании пересыщенных систем и образовании в дальнейшем термодинамически более устойчивых гидратов в виде новых структур, последовательность и предпочтительность которых хорошо (особенно при повышенных температурах) определяются наибольшей термодинамической вероятностью их возникновения [1,2].
В настоящее время большинство исследователей трактуют стадию взаимодействия кристаллов с водой как топохимическую, т. е. сопровождающеюся, присоединением поверхностью кристаллов молекул воды или ионов Н+ и ОН- с образованием гидратированного слоя небольшой толщины и последующим переходом частично или полностью гидратированных ионов в водный раствор.
В момент соприкосновения с водой неустойчивые решетки исходных минералов должны мгновенно претерпевать перестройку, и если растворение не происходит достаточно интенсивно (например, пониженное отношение количества воды к твердому веществу), то может происходить ограниченная перестройка вещества в твердом состоянии.
Минуты Часы Сутки
7 8 9 10
Рис1. Схема последовательности образования гидратиых образований при взаимодействии цемента с водой:
1 — пористость цементного камня; 2 — прочность цементного камня; 3 — моносульфат кальция; 4 — трисульфат кальция (эттрингит); 5 — коротковолокнистые гидроксиликаты кальция; 6 — длинноволокнистые гидросиликаты кальция; 7 — пластичное тесто; 8 — схватившаяся масса; 9 — кристаллическая структура прочного камня; 10 — кристаллическая структура камня, содержащего стабильные соединения.
Процесс гидратации портландцемента, так же как и процесс гидратации C3S, может быть разделен на ряд последовательных стадий, хотя различия между отдельными стадиями в этом случае гораздо менее отчетливы. Можно выделить следующие стадии:
1-я — начальный (или ранний) период протяженностью 1—3 ч;
2-я — период завершения формирования эттрингита, продолжающийся примерно до 24 ч;
3-я — конечный (до полной гидратации) период твердения. Возможно выделение и большего числа стадий, но для обоснования каждой из них требуется еще накопление экспериментальных данных.
Идентификация гидратированных соединений, образующихся на разных стадиях процесса гидратации цемента, из-за сложности их состава и субмикрокристаллической структуры очень сложна, поэтому имеющиеся данные пока еще приближенны. Наиболее обстоятельные схемы минералообразоваиия при гидратации цемента составлены О. П. Мчедловым-Петросяном и В. Рихартцем (Рис.1)
В начальный период гидратации при соприкосновении частиц цемента с водой на контактной поверхности сразу же начинают идти реакции растворения кристаллов безводных минералов и результатом их протекания является насыщение воды затворения ионами Са2+, SO- , ОН-, К+, Na+ и др.
Время гидратации, мин
Рис2. Изменение ионного состава воды в порах твердеющего цементного теста (по данным Ф. Лохера и В. Рихартца): а — цементы с повышенным содержанием щелочей; б — цементы с пониженным содержанием щелочей.
В течение первых нескольких минут вода, находящаяся в порах заформованного цементного теста, пересыщается ионами Са2+ и насыщается ионами S0 4~ , К+, Na+, в раствор переходят и небольшие количества ионов алюминия, железа и кремния. Ионный состав воды, находящейся в порах твердеющего цементного теста, с увеличением времени (и повышением степени)гидратации цемента изменяется, причем характер этого изменения зависит от химико-минералогического состава вяжущего, его дисперсности и других факторов. Поэтому кривые ) изменения ионного состава жидкой фазы твердеющего цемента, получаемые различными исследователями, специфичны для данных конкретных условий (рис. 2), но вместе с тем они отражают общую тенденцию изменения содержания отдельных элементов. Увеличение содержания элементов в растворе во времени обусловлено растворением минералов, а снижение их содержания вызывается вступлением их в реакцию друг с другом или с исходным вяжущим с образованием новых водосодержащих соединений — кристаллогидратов. Поэтому кривая изменения содержания каждого элемента в растворе теоретически должна иметь экстремальный характер: восходящая ветвь — рост концентрации, нисходящая ветвь — снижение концентрации за счет реакций, точка экстремума— равенство процессов растворения исходного минерала л кристаллизации гидрата. Практически же в результате одновременного протекания многих реакций эта зависимость не всегда в опытах выявляется достаточно отчетливо.
Быстрое насыщение водного раствора ионами Са2+ обусловлено гидролизом C3S, сопровождающимся выделением одной молекулы Са(ОН)2. Высокое (экстремальное) пересыщение водного раствора гидратом окиси кальция, по данным различных исследователей, сохраняется в течение первых 10—180 мин и даже более. Однако большинство исследователей отмечают лишь весьма короткий период существования пересыщенного по отношению к Са(ОН)2 водного раствора, после которого концентрация Са2+ в нем снижается до состояния насыщения или слабого пересыщения. Быстрое насыщение раствора ионами SO(2-)4вызвано растворением ангидрита и полугидрата сульфата кальция, образовавшихся из двугидрата при помоле клинкера.
Концентрация ионов SO(2-)4 изменяется во времени практически одинаково с изменением содержания в водном растворе Са2+, что обусловлено, в первую очередь, вхождением этих ионов в состав одного и того же кристаллогидрата— гидросульфоалюмината кальция.
Ионы Na+ и К+ насыщают воду несколько позднее, чем Са2+ и SO 4~, но тоже очень быстро. По мере возрастания концентрации Na+ и К+ в водном растворе растворимость Са(ОН)2 в нем понижается и тем в большей степени, чем выше содержание щелочей. Наоборот, растворимость Si02 в таких высокощелочных растворах возрастает. С повышением количества ионов К+ и Na+ в растворе возрастает концентрация в нем ионов ОН-, вследствие чего раствор приобретает щелочную реакцию и характеризуется величинами pH 11—12.
После достижения пересыщения из раствора кристаллизуются Са(ОН)2 и эттрингит (см. рис. 1). Гидроокись кальция выделяется в виде тонких гексагональных пластин, способных быстро вырастать до больших размеров. Эттрингит из пересыщенного раствора кристаллизуется в виде коротких призм, а при снижении концентрации раствора до состояния насыщения — в виде удлиненных призматических и игольчатых кристаллов. Образующиеся в растворе кристаллы Са(ОН)2 и эттрингита, а по данным некоторых исследователей, еще и кристаллы С4АН13 образуют осадки в виде плотной корки на частичках цемента, обогащенных С3А и C4AF, которые затрудняют диффузию воды к негидратированной их части и замедляют тем самым процесс гидратации. При небольшом количестве S03 скорость тепловыделения вначале высока, но на зернах цемента сразу же образуется оболочка из Кристаллов эттрингита, тормозящая дальнейшее протекание процесса гидратации (рис. 3). По мере возрастания количества S03 скорость тепловыделения понижается и растягивается во времени, что связано с образованием и циклическим разрушением (экстремумы на кривых) оболочек из кристаллов эттрингита на зернах цемента.
Рис. 3 Скорость тепловыделения гидратирующимся цементом в зависимости от количества сульфата кальция:
1 — 1,25% S03; 2 — 2,40% S03;
3 — 3,0% S03
Первичные кристаллы гидросиликатов кальция наблюдаются по истечении примерно 1 ч гидратации цемента и достигают размера около 0,1 мкм.
Волокнистые кристаллы гидросиликатов кальция участвуют вместе с призматическими кристаллами эттрингита и пластинками Са(ОН)2 в формировании оболочек на зернах цемента. При этом если кристаллы гидросиликатов кальция являются трубчатыми, то они образуют рыхлые участки оболочки, через которые вода диффундирует интенсивнее.
На второй стадии процесса гидратации происходит выделение кристаллов большого числа гидратов.Период заторможенных реакций (близкий к индукционному) продолжается 1—3 ч или даже более, а затем в результате разрушения оболочек растущими под ними кристаллами эттрингита и портландита процесс образования гидратов и в том числе эттрингита вновь ускоряется. По истечении 4—б ч от начала процесса гидратации наступает стадия ускоренной реакции. По мере накопления новых продуктов реакции разрушенный участок оболочки залечивается и процесс гидратации вновь затормаживается до следующего разрыва оболочки кристаллами эттрингита. Лишь после снижения концентрации ионов SO4~ в растворе до равновесной возможность дальнейшей кристаллизации эттрингита под оболочкой и ее разрыва устраняется. Полагают, что процесс связывания сульфатионов (переходящих в раствор) в эттрингит завершается примерно по истечении 1 сут гидратации. Если при этом весь SOl- вступил в реакцию, а СзАН^ еще остался в свободном состоянии, то возможно протекание в небольшом объеме реакции взаимодействия эттрингита с гидроалюминатом кальция с образованием гидросульфо- алюмината кальция (моносульфата кальция):