Окатыши или брикеты представляются в основном как трехкомпонентное вещество, состоящее из трех основных составляющих: цемента, воды и заполнителей. Однако при дальнейшем рассмотрении нагляднее представлять их двухкомпонентными системами:

• цементного клея (цемент + вода), переходящего в совершенно новое качество — цементный камень, и

• заполнителей — кусков и зерен различной величины, скрепляемых и объединяемых цементным клеем.

Свойства брикетов и окатышей как в состоянии смеси, так и в затвердевшем виде находятся под сильным влиянием этих двух компонентов. Большее влияние при этом оказывает цементный клей.

Под гидратацией понимают реакции клинкерных составляющих с водой. При этом образуются твердые новообразования - гидраты, которые заполняют первоначально залитый цементом и водой объем плотным наслоением гелевых частиц, вызывающих упрочнение.

Твердение цемента — очень сложный физико-химический процесс. Гидратацию рассмотрим в двух аспектах: как пространственный процесс (какие объемы занимают новообразования и какую структуру они имеют) и как химический процесс (каков состав новообразования).

425

Необходимо различать следующие процессы.

Цементные частицы в виде дробленых зерен окружены водой затворения, объем которой относительно велик (50-70 объемных процентов). Этот объем заполняется новообразованиями, чтобы возникла прочная, структура (цементный камень). Благодаря химическим реакциям с водой уже через несколько минут возникают как на поверхности зерен, так и в воде иглообразные кристаллы. Через 6 часов уже образуется так много кристаллов, что между цементными зернами возникают пространственные связи.

Через 8-10 часов весь объем между постепенно уменьшающимися зернами цемента заполнен скелетом иглообразных кристаллов, который вследствие возникновения из СзА называется также «алюминатной структурой». Будучи до сих пор пластичной, масса начинает застывать, и происходит быстрое нарастание прочности. В оставшихся пустотах возникают одновременно продукты гидратации клинкерных минералов C3S и C2S. Последние образуют гомогенный чрезвычайно тонкопористый ворс из очень малых кристаллов, так называемую силикатную структуру. Значение этой структуры все более увеличивается. Она является собственно носителем прочности цементного камня и приблизительно через сутки начинает вытеснять алюминатную структуру. В возрасте 28 суток (обычный срок испытания цемента и бетона) обнаруживается только силикатная структура.

К этому времени процесс гидратации еще не закончен, в ряде случаев он может продолжаться годы.

Возникновение продуктов гидратации рассматривают как геле - образование, а продукты гидратации — как гель. Скорость, с которой протекают эти процессы, зависит от:

• крупности цементных зерен (тонины помола цемента);

• минерального состава клинкера цемента;

• количества воды, которым замешивается цемент:

• температуры гидратации;

• введения добавок.

Для полной гидратации цементного зерна необходимо присутствие 0,4-кратного количества воды от его массы. Только 60% {т. е. 0,25 массы цемента) связывается химически. Остальные 40% исходной воды остаются в порах геля (гелевые поры) слабо связанными. Размер гелевых пор около
310'7мм. Они неизбежны и служат причиной тонко-пористого строения гелевой массы. При химическом связывании вода, в какой-то мере, претерпевает объемную усадку, которая составляет приблизительно 1/4 ее первоначального объема. Поэтому плотный объем геля (без пор) на такую величину меньше суммы объемов исходных компонентов цемента и воды. Этот процесс называют усадкой, а освобождающийся в цементном камне объем — объемом усадки. Именно этот объем пор заполняется водой. При полной гидратации цементного клея получаем гель, объем которого примерно на 30% состоит из пор. Схематически объемные изменении представлены на рис. 9.2

Если количество цемента больше, при постоянном отношении В/Ц количество воды будет недостаточным, чтобы полностью гидратировались цементные зерна, и в цементном камне останутся непрореагировавшие зерна цемента. При большем количестве воды часть ее не участвует в процессе гидратации и образует в цементном камне так называемые капиллярные

поры диаметром около 10’3 мм, которые на несколько порядков больше гелевых пор. Примерно таких же размеров достигают и пустоты, возникающие в результате уже упомянутой усадки. Таким образом, соотношение масс воды и цемента в значительной мере определяет структурные отношения в цементном камне. Пользуясь этим соотношением, можно определить важнейшие физические свойства цементного камня. Поэтому соотношение:

масса воды/масса цемента - водоцементное отношение (В/Ц)

имеет определяющее значение в технологии бетона

На рис. 9.3 представлены объемные соотношения при различных значениях В/Ц и предельно возможной степени гидратации. Можно видеть, что суммарная пористость цементного камня тем больше, чем больше значение В/Ц.

Все изложенное здесь позволяет вывести некоторые важные закономерности, характерные для цементного камня:

• процесс гидратации протекает постепенно;

• получающийся в результате цементный камень, хотя и является твердым телом, но имеет тонкопористую структуру;

• в цементном камне различают поровое пространство усадки и геля которые неизбежны) и капиллярное поровое пространство (возникающее в увеличивающемся объеме, если цементный клей содержит более 0,4-кратного по отношению к цементу количества воды. т. е. если он подвержен влиянию водоцементного отношения).

• По значению В/Ц цементного клея можно оценить пористость возникающего из него цементного камня и сделать выводы о его физических свойствах.

Гидратация, как химический процесс. Рассмотрим гидротацию как химический процесс. Известно, что цемент в основном состоит четырех клинкерных минералов: C3S, C2S, С3А, C4AF. При затворении цемента водой, протекают следующие процессы: для C3S

2(3CaOSi02)+6H20 — 3CaO-2SiO2*3H2O+3CaO(OH)2+502 Дж/г для C2S

2(2CaOSi02)+4H20 -> 3CaO-2SiO2-3H2O+CaO(OH)2+260 Дж/г для С3А

ЗСаОА1203+6Н20 — ЗСа0-А1203-6Н20+867 Дж/г для C4AF

4СаОAl203-Fe203+2Ca(0H)2+10Н2О

ЗСа0А1203'6Н20+ЗСа0Ре203*6Н20+419 Дж/г Возникающие таким образом продукты гидратации представляют собой уже упомянутый гель. Для простоты обозначают их так же, как и клинкерные минералы, из которых они возникли (например, силикат кальция - гидросиликаты кальция). Продукты гидратации отдельных минералов имеют специфические свойства, знание которых необходимо для дальнейшего понимания процесса твердения.

Анализ уравнений реакций позволяет сделать некоторые важные заключения. Во-первых, при гидратации возникают совершенно новые вещества. В процессе взаимодействия клинкерных минералов C3S и C2S с

водой образуются гидросиликаты кальция и, кроме того, гашеная известь [Са(ОН)2], остающаяся внутри цементного камня.

При гидратации выделяется теплота. По интенсивности тепло­выделения клинкерные минералы располагаются в такой последо­вательности:

C2S 206 Дж/г

C2AF 419 Дж/г

C3S 502 Дж/г

С3А 867 Дж/г

Продукты гидратации клинкерных минералов различаются также по прочности. Главными носителями прочности являются силикаты кальция. Особенно интересно, что клинкерный минерал с быстрым нарастанием прочности (C3S) выделяет большее количество теплоты (502 Дж/г), чем клинкерный минерал с более медленным нарастанием прочности (C2S - 206 Дж/г).