Гидратация, процесс коллоидации цементной смеси и ложное схватывание? Давайте разбираться!
Цемент – это минеральное вещество вяжущей консистенции, которое производится искусственно и превращается после взаимодействия его с водой в пластичную массу, затвердевающую после высыхания. От прочих вяжущих субстанций данный стройматериал отличается своей способностью схватываться, набирая прочность, даже при повышенной влажности. Цемент используют в основном для приготовления бетонной смеси, а также различных растворов. Чтобы научиться грамотно использовать этот уникальный стройматериал, необходимо изучить все его свойства и характеристики и понять, какие процессы происходят в бетоне либо цементных растворах (штукатурных, клеевых и других назначений).
Гидратация
Как известно, цемент представляет собой вяжущее гидравлическое вещество. Иными словами, для получения твердого камнеподобного тела, используемый порошок следует залить водой. Добавив необходимое количество воды, вы запустите необратимый процесс, которым можно при желании управлять.
Что же происходит в ходе этого необратимого процесса?
Проясним простыми словами. Начинается химическая реакция: молекулы воды соединяются с молекулами минералов, которые входят в состав цемента. Это приводит к растворению порошка и образованию пластичной массы. Явление, в ходе которого вода соединяется с растворенным в ней материалом, называется гидратацией.
В ходе гидратации происходит постепенное насыщение раствора продуктами реакции, отвечающими за прочностные характеристики будущего изделия.
В определенный момент процесс растворения заканчивается, а цементная масса утрачивает свою подвижность и схватывается, превращаясь в желеподобную массу. Схватывание происходит вскоре после замешивания раствора – в первые же часы.
Время начала данного процесса, называемого коллоидацией , а также его продолжительность зависят:
- от количества использованной воды;
- температурного режима;
- состава цемента;
- тонкости помола цементного порошка;
Источник
Предупреждение ложного схватывания цементов
Применение пластифицирующих добавок и комплексов на их основе в последние десятилетия стало признанным фактором совершенствования технологии производства бетона, так как это направление позволяет улучшить физико-механические свойства бетонов и бетонных смесей, направленно формировать структуру цементного камня и, в ряде случаев, снизить себестоимость производства.
На рынке России пока не получили широкого распространения гиперпластификаторы на основе поликарбоксилатов и акриловых сополимеров, и основными пластифицирующими добавками остаются лигносульфонаты и продукты конденсации сульфированного нафталина с формальдегидом (С-3). Повышая удобоукладываемость, эти добавки одновременно замедляют наступления конца схватывания портландцемента, что является принципиально важным при монолитном бетонировании в летний период. Вместе с тем, в связи с рядом изменений технологии на большинстве цементных заводов, в последнее время участились случаи ненормально быстрой потери подвижности бетонной смеси при использовании пластифицирующих добавок, особенно технических лигносульфонатов. В технологии бетона такое явление получило название «ложное схватывание», так как за ним следует длительный индукционный период без набора прочности. Ложное схватывание является нежелательным явлением, так как препятствует качественной укладке и уплотнению бетона.
Причиной ложного схватывания является воздействие компонентов добавки на скорость гидратации клинкерных минералов, прежде всего, на трехкальциевый алюминат. На ранней стадии ускоряется образование эттрингита, что и приводит к потере удобоукладываемости. После образования эттрингита, он адсорбирует компоненты добавки и соответственно тормозит гидратацию трехкальциевого алюмината вследствие замедления превращения эттрингита в моносульфоалюминат кальция. В дополнение к этому концентрация компонентов добавки остается на таком уровне, что одновременно тормозится гидратация трехкальциевого силиката. Воздействие этих факторов и приводит к увеличению длительности индукционного периода.
На первый взгляд, выходом из ситуации при наличии ложного схватывания может послужить применения комплекса лигносульфонатов с суперпластификатором С-3, так как в этом случае удается уменьшить расход каждого из компонентов для достижения высокого пластифицирующего эффекта. Однако такой подход не учитывает известного факта, что добавки обоих типов адсорбируются на одних и тех же компонентах, прежде всего, на продуктах гидратации трехкальциевого алюмината. На кафедре «Строительные материалы и технологии» ПГУПС были выполнены экспериментальные исследования влияния пластифицирующих добавок на кинетику набора пластической прочности цементного теста. Следует учитывать, что реологические характеристики цементного теста нельзя механически переносить на свойства бетонной смеси, хотя общие тенденции, безусловно, сохраняются.
В качестве пластифицирующих компонентов применялись суперпластификатор С-3 Новомосковского завода и лигносульфонат технический Котласского завода (ЛСТ). В качестве вяжущего применялся Белгородский портландцемент марки ПЦ-500Д0, относящийся к низкоалюминатным. Для уточнения воздействия пластифицирующих добавок на особенности твердения цементного теста при постоянном водоцементном отношении было исследовано влияние на кинетику набора пластической прочности добавок С-3, ЛСТ и их комплекса.
Испытания проводились на коническом пластометре с интервалом погружения конуса 30 минут. В качестве критерия применялась величина предельного напряжения сдвига (пластической прочности) в МПа, определяемая из выражения:
где F — нагрузка в г;
h — глубина погружения конуса в см;
K — коэффициент, зависящий о угла конуса при вершине, при 45° K=0,656.
Результаты испытаний влияния пластифицирующих добавок на длительность индукционного периода приведены на рис. 1.
Суперпластификатор С-3 способствует удлинению индукционного периода твердения цемента, хотя на первой стадии отмечается некоторая потеря подвижности цементного теста. Введение добавки ЛСТ приводит к явному ложному схватыванию исследуемого цемента с последующим длительным индукционным периодом. Совместное введение добавок С-3 и ЛСТ с водой затворения приводит к существенному усилению процессов ложного схватывания, причем воздействие добавок С-3 и ЛСТ носит синергетический характер, так как потеря подвижности цементного теста при воздействии комплекса значительно больше, чем суммарное воздействие добавок С-3 и ЛСТ, введенных по отдельности.
Возникновение явления ложного схватывания связано как с составом портландцемента (минералогический состав, содержание щелочей, количество сульфатов), так и с составом добавок, прежде всего, лигносульфонатов (молекулярная масса, содержание сахаров).
Рис.1 Влияние добавок ЛСТ, С-3 и их комплекса на длительность индукционного периода и раннюю потерю пластической прочности при постоянном водоцементном отношении
В строительной практике для предотвращения ложного схватывания и быстрой потери подвижности рекомендуется раздельное введение добавок, применение повторного перемешивания, повторное введение добавки, изменение ее концентрации, введение добавки со второй половиной воды затворения, использование других видов цемента. Проанализируем применимость этих мероприятий.
Раздельное введение добавок противоречит общей тенденции получения готовых комплексных добавок. Применение повторного перемешивания и повторное введение добавок усложняет технологию производства бетона и снижает производительность, а значит, повышает себестоимость, не гарантируя достижения заданной цели. Повышение концентрации добавок увеличивает эффект ложного схватывания, а снижение их концентрации уменьшает пластифицирующий эффект и делает бессмысленным применение комплекса. Введение добавки со второй половиной воды через несколько минут после затворения замедляет потерю подвижности, но не достаточно для нейтрализации исходного высокого эффекта ложного схватывания. Следовательно, внедрение данного комплекса требует применение другого вяжущего. Для проверки воздействия комплекса С-3 + ЛСТ на раннюю стадию гидратации портландцементов других производителей были выбраны Пикалевский цемент ПЦ 500 Д0 и Оскольский цемент ПЦ 500 Д0. Добавки С-3 и ЛСТ растворялись совместно и вводились с водой затворения при дозировке 0,5 и 0,2% от массы цемента. Как показали результаты испытаний, тенденция ранней потери подвижности при использовании комплекса С-3 + ЛСТ свойственна, хотя и в меньшей степени, Пикалевскому и Оскольскому цементам. Ложное схватывание под воздействием комплекса добавок на Пикалевском портландцементе растянуто во времени до 1 часа и в несколько раз меньше, чем на Белгородском цементе. В возрасте 1 часа пластическая прочность теста на Пикалевском цементе в три раза меньше, чем на Белгородском. При испытаниях установлено, что лежалые цементы при использовании пластифицирующих добавок в меньшей степени подвержены ложному схватыванию, чем свежемолотые, что объясняется предгидратацией трехкальциевого алюмината как и в случае введения комплекса со второй частью воды затворения.
Даже при наиболее благоприятном выборе из трех исследованных портландцементов потеря пластичности цементного теста под воздействием комплекса С-3 + ЛСТ наступает намного раньше, чем в тесте без добавок (30 минут против 120 минут), что ставит вопрос о целесообразности использовании С-3 и ЛСТ при их совместном введении и требует обязательной проверки на совместимость с конкретным портландцементом.
Как было отмечено ранее, участились случаи ложного схватывания бетонных смесей при использовании в качестве пластифицирующих добавок технических лигносульфонатов. Так как повлиять на состав портландцемента представляется затруднительным за исключением случая смены завода производителя, то остается модифицировать ЛСТ или создавать комплекс, где наряду с лигносульфонатами вводить компоненты, снижающие опасность ранней потери подвижности.
Исходя из механизма образования явления «ложного схватывания» в присутствии пластифицирующих добавок, изложенного выше, в Петербургском государственном университете путей сообщения совместно с ООО «ФОРТ» разработана комплексная добавка «Экспресспласт», включающая кроме ЛСТ компоненты, в значительной степени нейтрализующие раннюю потерю подвижности бетонной смеси и снижение прочности бетона в раннем возрасте.
Анализ процессов ложного схватывания требует разработки количественной оценки потери подвижности цементного теста в ранний период твердения. В качестве такого критерия предложена дифференциальная оценка величины пластической прочности, показывающая изменение пластической прочности в единицу времени и измеряемая в кПа/мин.
На рис.2 приведены результаты определения кинетики пластической прочности цементного теста на Оскольском цементе ПЦ-500Д0 в присутствии добавок ЛСТ и Экспресспласт при постоянном водоцементном отношении и одинаковом пластифицирующем действии добавок. По этим данным построен график дифференциала кинетики пластической прочности, представленный на рис.3.
Рис.2 Влияние добавок ЛСТ и «Экспресспласт» на длительность индукционного периода и раннюю потерю пластической прочности при постоянном водоцементном отношении
Рис.3 Дифференциал кинетики набора пластической прочности цементного теста с добавками ЛСТ и «ЭкспрессПласт»
Высота первого пика на рис. 3 является показателем величины ложного схватывания цементного теста. Как следует из полученных графиков, при равной пластифицирующей способности предрасположенность к ложному схватыванию теста с добавкой ЛСТ в пять раз больше, чем при использовании добавки «Экспресспласт». Перелом кривой вверх дает дополнительно достоверную информацию об окончании индукционного периода и начале формирования прочной структуры из гидросиликатов кальция.
Сервисная служба
(шеф-монтажные работы, пуско-наладочные работы, гарантийное обслуживание)
Павлов Павел
Тел.: +7 960 612-17-47
service@stroymehanika.ru
Источник
ГЛАВА 1. Портландцемент
Ложным схватыванием называют ненормальное преждевременное загустевание цемента в течение нескольких минут после его перемешивания с водой. Ложное схватывание отличается от мгновенного схватывания тем, что при нем выделяется незначительное количество тепла. Повторное перемешивание цементного теста без добавки воды восстанавливает и поддерживает пластичность цементного теста до тех пор, пока оно не схватится обычным способом и без потери прочности.
Некоторые причины ложного схватывания следует искать в дегидратации гипса в случае его помола с недостаточно охлажденным клинкером; при этом образуются полугидрат (CaSO4- —Н2О) или ангидрит (CaSO-i), которые при перемешивании цемента с водой гидратируются с образованием гипса. Таким образом, схватывание гипса имитирует общее загустевание цементного теста.
Другая причина появления ложного схватывания может быть связана с наличием щелочей в цементе. При хранении цемента они образуют карбонаты, которые, в свою очередь, реагируют с Са(ОН)2 — продуктом гидролиза C3S — с образованием СаСО3. Последний осаждается, вызывая загустевание теста.
Были высказаны также предположения, что ложное схватывание может быть следствием активации C3S в результате аэрации в условиях умеренно высокой влажности. Вода адсорбируется на зернах цемента, и активированные этим поверхности зерен могут быстро соединяться с большим количеством воды при перемешивании: такая быстрая гидратация будет также вызывать ложное схватывание.
Контрольные испытания на заводе позволяют гарантировать отсутствие ложного схватывания у цемента. Однако если появится ложное схватывание, оно может быть устранено повторным перемешиванием бетонной смеси без добавки воды. Xoтя это не так легко, однако удобоукладываемость будет повышена и бетон может быть уложен обычным способом.
Источник
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Ложное схватывание
Ложное схватывание переходит в нормальное при введении добавок, снижающих водопотребность или замедляющих схватывание. Адсорбция таких добавок приводит к возникновению заряда одного и того же знака на всех фазах гидратирующихся частиц цемента. [1]
Ложное схватывание — практически мгновенное схватывание цемента, который, однако, после перемешивания дает тесто с нормальными сроками схватывания и 0ез потерь прочности. Причина этого явления заключается в гидратации обезвоженных кристаллогидратов ( например, полуводный гипс), которые образуются. Определяют сроки схватывания ( начало и конец) в тесте нормальной густоты по глубине погружения в него иглы Вика при температуре 20 2 С. По ГОСТу, начало схватывания для портландцемента должно наступать не ранее 45 мин, а конец схватывания — не позднее 12 ч от момента смешения цемента с водой. [2]
Ложным схватыванием называют ненормальное преждевременное загустевание цемента в течение нескольких минут после его перемешивания с водой. Ложное схватывание отличается от мгновенного схватывания тем, что при нем выделяется незначительное количество тепла. Повторное перемешивание цементного теста без добавки воды восстанавливает и поддерживает пластичность цементного теста до тех пор, пока оно не схватится обычным способом и без потери прочности. [3]
Во избежание ложного схватывания хлорид кальция не следует вводить непосредственно в цемент; его добавляют либо в воду затворения, либо в заполнитель. [4]
В бетонной смеси ложное схватывание может произойти вследствие реакции СзА с образованием гидроалюминатов кальция и гидрата моносуль-фоалюмината. Удобоукладыва-емость не может быть восстановлена после того, как произошло ложное схватывание. [5]
Другая причина появления ложного схватывания может быть связана с наличием щелочей в цементе. Последний осаждается, вызывая загустевание теста. [6]
Одной из причин ложного схватывания является наличие в клинкере щелочей. Ложное схватывание цемента связано в формированием первичной гипсо-эттрингитовой структуры, необходимым условием для образования которой является пересыщение жидкой фазы ионами SO42 — и ее ионная сила, обусловливаемая содержанием в ней щелочей. Одним из факторов, приводящих к ложному схватыванию, является также карбонизация щелочей и алюминатов кальция в цементе. [8]
Влияние гидроксикарбоно-вых кислот на ложное схватывание портландцемента очень сходно с тем, которое наблюдается при введении лигносуль-фоната [97] ( см. разд. В работе [50] отмечено, что введение всего 0 05 % сахарозы предотвращает преждевременное загустевание смеси пр-и использовании цемента, характеризующегося ложным схватыванием. Это можно объяснить ускорением первой стадии гидратации ( см. разд. SO / i-ионов из жидкой фазы; это, в свою очередь, предотвращает выпадение гипса. [9]
В бетонной смеси также наблюдается ложное схватывание . Оно заметно в тех случаях, когда затвердевание происходит в присутствии частично дегидратированного гипса. Удо-боукладываемость смеси удается восстановить дополнительным перемешиванием. [10]
Наиболее распространенное мнение о причинах ложного схватывания заключается в том, что оно проявляется как результат гид-ратационного твердения полуводного гипса в среде цементного раствора с образованием кристаллизационной структуры полугидрата. [11]
Были высказаны также предположения, что ложное схватывание может быть следствием активации CsS в результате аэрации в условиях умеренно высокой влажности. Вода адсорбируется на зернах цемента, и активированные этим поверхности зерен могут быстро соединяться с большим количеством воды при перемешивании: такая быстрая гидратация будет также вызывать ложное схватывание. [12]
Контрольные испытан на заводе позволяют гарантировать отсутствие ложного схватывания у-ц Ыента . Однако если появится ложное схватывание, оно может быть устранено повторным перемешиванием бетонной смеси без добавки воды. Хотц это не так легко, однако удобоуклады-ваемость будет повышена и бетон может быть уложен обычным способом. [13]
Применение мельниц большого диаметра приводит часто к явлению ложного схватывания в связи с перегреврм материала и дегидратацией гипса. Орошение клинкера, поступающего на размол, распыленными ПАВ, усиление аспирации, охлаждение крупки в сепараторе часто не решают проблемы, поэтому иногда устанавливают дополнительно холодильник кипящего слоя между мельницей и сепаратором. Охлаждение осуществляется проточной водой, а спускающийся по межтрубному пространству материал взвешивается проходящим в межтрубном пространстве снизу вверх воздухом, продуваемым через днище, покрытое тканью. В результате охлаждения крупки, возвращаемой в мельницу удается предотвратить перегрев материала выше 373 К и ложное схватывание. [14]
Источник
