Hydrering av sementen

Sementhydratiseringsprosessen består av en rekke kjemiske reaksjoner av de vannfrie komponentene som utgjør selve sementen, gipsen og blandevannet .

Konsekvensene av disse reaksjonene er setting og herding av "pastaen" (dette er navnet på blandingen mellom sement og vann).

Portland sement bestanddeler

Portlandsement, som er grunnlaget for alle andre sementtyper, består av en blanding av klinker og gips.
I klinker er det 4 mineralogiske hovedbestanddeler:

Silikater er de viktigste bestanddelene i Portland klinker både fordi de er tilstede i en høyere prosentandel (75-80%) og fordi de er ansvarlige for den mekaniske ytelsen til den herdede sementpastaen, der aluminater ikke deltar.
Dette skyldes den overveiende fibrøse naturen til hydratiserte kalsiumsilikater som egner seg mer effektivt til utvikling av mekanisk styrke enn morfologien til hydratiserte aluminiumprodukter (sekskantede plater eller kubiske krystaller).
Jernfasen og trikalsiumaluminatet er på den annen side avgjørende for dannelsen av væskefasen under koking (fluks).
Den raske hydreringen av trikalsiumaluminat, i fravær av gips, vil bestemme den raske herdingen av sementpastaen [1] .

Hydreringsreaksjoner

Hydratiseringen av sement består av en rekke komplekse kjemiske reaksjoner som ennå ikke er fullstendig avklart.
Ved å bruke symbolene gitt av sementkjemien , er hydreringsreaksjonene til de individuelle komponentene i klinkeren representert nedenfor, fra den raskeste til den minst raske:

der det er indikert med:

Hydratiseringen av aluminater gir opphav til dannelsen av hydratiserte kalsiumaluminater (CAH), mens den av silikater til dannelsen av nesten amorfe hydratiserte kalsiumsilikater (CSH) med egenskaper som en stiv gel.

Herdingen, og derfor bindeevnen til sement, skyldes i stor grad dannelsen av hydratiserte kalsiumsilikater (CSH) [4] , mens dannelsen av aluminater

kalsiumhydrater (CAH) er hovedårsaken til tap av bearbeidbarhet og grep .

Hydratiseringshastighet

Hydratiseringsreaksjonene til klinkerbestanddelene har forskjellige hastigheter. Det raskeste å hydratere er trikalsiumaluminatet etterfulgt av trikalsiumsilikatet, av jernfasen og til slutt av dikalsiumsilikatet. Hastigheten på hydreringsreaksjonene avhenger også av overflaten i kontakt med vannet, og derfor av finheten til klinkerpartiklene. En større finhet av sliping bestemmer en større spesifikk overflate og derfor en høyere hydreringshastighet. Følgelig påvirker finhetsfaktoren spesielt utviklingen av de initiale styrkene.

Trikalsiumaluminat

Trikalsiumaluminat hydrerer veldig raskt. De endelige styrkene nås på svært kort tid og gjør at sementpastaen stivner.
Den mekaniske styrken til trikalsiumaluminatet bidrar ikke vesentlig til utviklingen av den endelige mekaniske styrken til materialet bortsett fra en rask men liten økning i løpet av de første timene.
Dette avhenger av morfologien til CAH-krystallene, hovedsakelig basert på tilstedeværelsen av sekskantede plater eller kubiske krystaller og derfor ikke særlig gunstig, som tilfellet er for CSH-fibrøse produkter, for utvikling av mekanisk styrke.
Hydratiseringen av trikalsiumaluminatet er så rask at det ville ha en innstilling på svært kort tid ( rask innstilling ).
Av denne grunn kan Portland klinker ikke brukes som det er for å forberede mørtel eller betong.
For å unngå denne prosessen og tillate installasjon av sementmaterialet, tilsettes gips (CaSO 4 ) til klinkeren som en innstillingsregulator.
I kontakt med vann reagerer gipsen med trikalsiumaluminatene, noe som fører til dannelse av ettringitt , kalt primær, som utfelles på C 3 A-granulene, hindrer vanninntrengning og derfor bremser hydratiseringsprosessen til aluminatene.
Den har en sterk krymping .

Jernfase

Hydratiseringsprosessen til jernfasen er i det vesentlige ekvivalent med den for trikalsiumaluminatet.
Sammenlignet med sistnevnte har den imidlertid en lavere hydratiseringshastighet, spesielt tilstedeværelsen av gips, hvilken bremsekraft er mer effektiv med jernfasen enn med trikalsiumaluminat.

Den har dårlig krymping.

Trikalsiumsilikat

Trikalsiumsilikat hydratiserer raskt og er derfor primært ansvarlig for den første mekaniske styrken til Portland sement.
Det meste av hydreringen skjer innen 2 dager etter støping, derfor inneholder hurtigherdende sementer en større mengde trikalsiumsilikat.
Under hydratiseringen av trikalsiumsilikatet produseres en høyere prosentandel Ca (OH) 2 (30-40%) enn den som produseres under hydratiseringen av dikalsiumsilikatet (10-15%); dette innebærer at et høyere innhold av hydratiserte kalsiumsilikater (85-90%) oppnås fra sistnevnte sammenlignet med det som oppnås fra hydratisering av halitt (60-70%).
Den har dårlig krymping.

Dikalsiumsilikat

Dikalsiumsilikat har langsom hydrering og er derfor hovedårsaken til økningen i langvarig mekanisk motstand.
Som allerede nevnt ovenfor, produserer dikalsiumsilikat, ved å hydrere, en større mengde CSH enn trikalsiumsilikat.
Derfor garanterer sementene som er rikere på belitt høyere verdier av mekanisk motstand på svært lang sikt, mens de med et høyere innhold av halitt garanterer større motstand på kort sikt.

Hydratiseringsvarme

Hydratiseringsreaksjonene er alle eksoterme .
Hydratiseringsvarmen avhenger av typen og klassen til sementen; jo høyere Portland sementinnhold og jo finere sliping, jo høyere hydreringsvarme.
Derfor produserer blandede sementer mindre hydreringsvarme enn Portland-sement.

Mengdene varme som slippes ut under hydreringen av hovedbestanddelene i Portland klinker er:

Årsaker

Settet av kjemisk-fysiske fenomener som utløser herding og herding er angitt med begrepet modning .
Disse fenomenene kan oppsummeres som følger.
Med dannelsen av blandingen er sementgranulene omgitt og separert fra hverandre av en tynn film av vann, som de umiddelbart begynner å reagere på overflaten og gir opphav til et lag med hydratiseringsprodukter.
Dette laget fortsetter å øke i volum på bekostning av både vannet og sementgranulene inntil det fyller hele det tilgjengelige rommet mellom det som er igjen av kornene som blir hydrert.
Settet med hydratiserte produkter, hovedsakelig dannet av ekstremt små partikler og sterkt fuktet i vann, utgjør en gelatinøs masse som, med fortsettelsen av reaksjonene og eliminering av en del av vannet, gjennomgår en progressiv stivningsprosess.
De viktigste kjemiske reaksjonene er dannelsen av aluminater og hydratiserte kalsiumsilikater. De førstnevnte er ansvarlige for stivningen, siden de hydrerer veldig raskt (de bidrar på en ikke vesentlig måte til utviklingen av mekanisk motstand bortsett fra i løpet av de første timene), sistnevnte bestemmer herding og sistnevnte skyldes bindeegenskapene til sementen og følgelig den mekaniske motstanden til materialet.
Dette skyldes hovedsakelig morfologien til de hydratiserte produktene, faktisk har de hydratiserte kalsiumaluminatkrystallene form av sekskantede plater eller kubiske krystaller, og er derfor lite egnet for utvikling av mekanisk motstand som i stedet forenkles av den overveiende fibrøse naturen til hydratiserte silikatkrystaller fotball.
Dette kan forklares på følgende måte: når krystallene på grunn av hydreringen av aluminatforbindelsene, ettersom de tykner, begynner å berøre hverandre ved å koble sammen de tilstøtende C3A- og C4AF-granulatene , mister systemet sin plastisitet og begynner å stivne.
Ettersom hydratiseringen skrider frem, begynner de fibrøse produktene som danner hydratiseringsproduktene til silikatforbindelsene å utvikle seg; disse fibrene blir mer og mer tallrike og lange over tid, og derfor har fibrene til de tilstøtende C2S- og C3S- partiklene en tendens til å flette seg inn i hverandre på en stadig mer intim måte, som alltid forbinder granulene stivt, noe som forårsaker herding og en progressiv økning i den mekaniske motstanden til materialet.

Grad av hydrering

Med samme vann/sement-forhold, som teoretisert av Abrams , øker styrken til sementpastaen, og dermed betongen, ettersom graden av hydratisering øker.
Powers' formel gjør det mulig å bestemme den mekaniske styrken til en Portland sementpasta som en funksjon av både w/c-forholdet og graden av hydratisering av sementen α:

M Pa

hvor K = 250 MPa når kapillærporøsiteten er null.
Det kan sees at med samme vann/sement-forhold øker styrken til sementpastaen, og dermed betongen, ettersom graden av hydratisering øker, og prosentandelen av hydratisert sement er høyere (og derfor innholdet av hydratisert kalsium). silikater).
Hydratiseringsgraden påvirkes av temperaturen.
Høye temperaturer akselererer hydratiseringsreaksjonene til sementen.
Derfor, med kort herding, ettersom graden av hydratisering er større, er det også en økning i den mekaniske motstanden til pastaen med en påfølgende forkorting av herdings- og herdetiden.
Den lave temperaturen bestemmer i stedet en nedbremsing av hydratiseringsreaksjonene til sementen, med påfølgende forlengelse av herdings- og herdetidene, og ved kort herding avtar derfor hydratiseringsgraden av sementmatrisen med temperaturen og med den trykkstyrken til sementmatrisen. materiale.
På den annen side har man etter lang herding funnet at den mekaniske motstanden øker når temperaturen synker.
Det siste fenomenet er forklart på følgende måte.
Hvis herdingen av det sementholdige materialet gjøres tilstrekkelig, er hydratiseringsgraden av sementen på lang sikt lik 1 og har derfor ingen innflytelse på verdien av den mekaniske motstanden.
Det antas derfor at økningen i trykkstyrke når temperaturen synker er knyttet til kvaliteten på de hydratiserte kalsiumsilikatene (CSH) som er ansvarlige for materialets mekaniske styrke.
CSH som dannes ved lave temperaturer er mekanisk av bedre kvalitet enn de som dannes ved høyere temperaturer.
Derfor, hvis det er sant at ved høye temperaturer for kort herding, produseres CSH i større mengder, som et resultat av høyere grad av hydratisering av sementen, men av lavere kvalitet, ved lang herding, når hydratiseringen av sementen er komplett og hydratiseringsgraden er lik 1, er mengden CSH som produseres mer eller mindre den samme for både lave og høye temperaturer, men i det første tilfellet har de hydrerte kalsiumsilikatene en bedre kvalitet og garanterer derfor større mekanisk motstand.
Ved høye temperaturer kan det skje at når overflatefordampningen av vann er overdreven, dannes et fenomen med for tidlig tørking av det kortikale området av det sementholdige materialet, noe som kan forårsake ufullstendig hydrering av hudsementen på grunn av vannmangel, som , i tillegg til å kompromittere den mekaniske motstanden til den ytterste delen av materialet, vil det gjøre overflaten av det samme mer permeabel (større overflateporøsitet) og derfor lettere angripes av atmosfæriske midler, noe som forårsaker en reduksjon i holdbarhetsgraden til materialet. sementholdig materiale.

Merknader

  1. ^ se primær ettringitt
  2. ^ CSH-symbolet er ikke en kjemisk formel, men heller de engelske initialene til Calcium Silicate Hydrated
  3. ^ CAH-symbolet er ikke en kjemisk formel, men stammer fra de engelske initialene til Calcium Aluminate Hydrated
  4. ^ kvaliteten på hydratiserte kalsiumsilikater er den samme enten det stammer fra hydratiseringen av trikalsiumsilikatet eller om det stammer fra hydratiseringen av bikalsiumsilikatet. Den eneste forskjellen er tiden det tar å danne seg. Derfor innebærer det at de to silikatene garanterer samme mekaniske motstandsverdi til den herdede pastaen til forskjellige tider

Bibliografi

V. Alunno Rossetti, Betong: materialer og teknologi , McGraw-Hill, 2003

Relaterte elementer

Eksterne lenker