Między cementem a wodą zachodzi reakcja chemiczna, zwana hydratacją. Ten początkowy szczyt temperatury jest spowodowany reakcją glinianu (C3A) i H2O. Ponadto, mieszanina przechodzi początkowy okres spoczynku. W wyniku procesu hydratacji powstaje produkt znany jako ettringit. W tym czasie glinian reaguje z H2O, tworząc cement znany jako ettringit.
Proces hydratacji
Hydratacja cementu jest procesem, w którym substancja taka jak cement portlandzki jest przekształcana w materiał uwodniony. Proces hydratacji zachodzi, gdy do związków cementu dodana zostanie woda, a materiały te zaczynają się rozpuszczać. Woda rozpuszcza te związki, co powoduje powstanie roztworu ze składnikami jonowymi, zwanymi hydratami. Te uwodnione produkty następnie wytrącają się z roztworu, bez utraty wagi w wyniku odparowania. Związki cementu są stałe w swoim naturalnym stanie, ale kiedy są umieszczone w wodzie, atakują ten stan stały i przekształcają go w produkt uwodniony. Proces ten rozpoczyna się na powierzchni i działa do wnętrza związków.
Zmiana objętości związana z hydratacją jest proporcjonalna do przestrzeni porowej. Kiedy cement i woda są całkowicie uwodnione, 38% wody jest dostępne w porach. W przypadku braku tej wody żel nie tworzy się. Pozostała woda, zwana wodą niewymywalną (NEW), wypełnia pory w żelu. Aby osiągnąć całkowite uwodnienie, stosunek w/c powinien wynosić 0,38 lub mniej.
Składnik C-S-H jest największym składnikiem w paście cementowej i najważniejszym składnikiem podczas procesu hydratacji. Powłoka C-S-H jest minimalna w drugim etapie, natomiast gwałtownie wzrasta w trzecim etapie. Ponadto w każdym ziarnie C3S kolce C-S-H promieniują na zewnątrz. Większa część materiału znajduje się pod kolcami. W miarę twardnienia cementu powłoka C-S-H staje się grubsza i bardziej trwała, a zazębiające się kolce tworzą trwałe połączenie.
Reakcja hydratacji pomiędzy wodą a cementem ma zasadnicze znaczenie dla wytrzymałości betonu. Jeśli zawartość wody w betonie jest zbyt niska, nie będzie on tak mocny jak cement. Ponadto, zawartość wody w betonie musi być precyzyjnie dobrana do potrzeb betonu. W ten sposób można kontrolować hydrację poprzez sterowanie ciepłem mieszanki. Jest to szczególnie ważne podczas wylewania betonu w niskich temperaturach, a temperatura wewnątrz masy musi wynosić co najmniej 50 stopni Celsjusza.
Reakcja chemiczna między cementem a wodą
Reakcja chemiczna między cementem a wodą przebiega w kilku etapach. Szybkość hydratacji cementu zależy od stosunku S do Ca2+, natomiast całkowita ilość wydzielanego ciepła zależy od stopnia rozdrobnienia cementu. Szybkość, z jaką hydratyzują różne związki cementu, jest również określona przez udział związków Bogue’a w cemencie. Wykorzystując te czynniki Verbeck i Foster określili szybkość wydzielania ciepła podczas hydratacji cementu.
Reakcje zachodzące między cementem a wodą są regulowane obecnością czterech rodzajów związków, nazywanych zbiorczo związkami Bogue’a. Siarczan glinu, hydrat krzemianu wapnia i hydrat gipsu to jedne z czterech związków, które reagują z wodą tworząc cement. Związki te są z kolei regulowane przez ilość wody w paście cementowej. Pomimo tego, że związki te są korzystne dla cementu, szybkość reakcji między nimi jest dość powolna.
Ponadto w procesie hydratacji zachodzi kilka reakcji. Produkty te łączą się ze sobą tworząc stałą masę. Cement hydratyzuje się poprzez dostarczenie do wody hydratu krzemianu wapnia. Kiedy to się dzieje, tworzy również porowaty beton, znany jako ettringit. Oprócz tych dwóch faz, beton może przechodzić kilka zmian, ale możliwe jest wykonanie betonu, który przetrwa lata.
W rezultacie, produkcja cementu jest głównym czynnikiem przyczyniającym się do globalnych zmian klimatycznych. W związku z tym ważne jest, aby zrozumieć wpływ tego przemysłu na środowisko. Cementownia wymaga znacznych ilości węgla, koksu naftowego i węgla brunatnego, i może zużywać do 40% tych paliw kopalnych. Ponadto, przemysł cementowy jest trzecim co do wielkości emitentem dwutlenku węgla na świecie. Piec cementowy zazwyczaj wymaga świecącego płomienia do wytworzenia ciepła.
Hydracja zachodzi w wyniku reakcji chemicznej pomiędzy cementem a wodą. Cement staje się pastą poprzez tworzenie wiązań chemicznych z cząsteczkami wody. Pasta ta następnie twardnieje i wiąże cząstki kruszywa. Proces hydratacji trwa kilka lat, a reakcja chemiczna pomiędzy cementem a wodą jest w dużej mierze odpowiedzialna za charakter betonu. Z tego powodu stosunek wody do cementu jest tak ważny w tworzeniu doskonałego betonu.
Okres spoczynku
Okres spoczynku mieszanki cementu, wody i drobnego kruszywa to okres, w którym beton i inne materiały pozostają w stanie półsztywnym. Czas pozostawania mieszanki w tym stanie zależy od porowatości cementu i składu chemicznego mieszanki. Im dłuższy okres spoczynku, tym większe prawdopodobieństwo, że mieszanka pozostanie sztywna po ułożeniu.
Wczesna reakcja, która zachodzi po wymieszaniu, nazywana jest okresem spoczynku. Okres ten kontroluje czas, w którym beton nadaje się do układania i urabiania. Propozycja badań ma na celu zrozumienie podstawowych efektów reakcji wstępnej i przyczyn jej zatrzymania. Przyszłe cele skupiają się raczej na konkretnym kontrolowaniu właściwości twardniejących past cementowych. Poniżej wymieniono niektóre z ważnych aspektów spoczynku i jego skutków.
Badanie miało na celu określenie wpływu okresu spoczynku kruszywa na jakość betonu i produkcję budynków. Badania przeprowadzono na betonie produkowanym na obszarze pustynnym. Uważa się, że woda deszczowa i inne czynniki powodują uśpienie. Proces wietrzenia powoduje zmniejszenie zawartości mułu i gliny w kruszywie drobnym. W wyniku tego powstaje beton grubszy.
Pierwszy etap hydratacji rozpoczyna się w momencie zalania cementu wodą. Ten gwałtowny wzrost temperatury występuje przez około 15-30 minut. Ta reakcja chemiczna jest głównie odpowiedzialna za powstawanie hydratu wapniowo-krzemianowego (Ca-SiO3). Hydraty C3A reagują z H2O i tworzą ettringit. Drugi etap hydratacji nazywany jest okresem spoczynku.
Pod koniec okresu spoczynku następuje wstępne związanie betonu. Pod koniec okresu spoczynku wytrzymałość zaprawy cementowej osiąga jednak wartość krytyczną. W tym czasie nierzadko zdarza się, że mieszanka wykazuje wytrzymałość na ściskanie poniżej 0,5 MPa. Jest to wynik okresu “spoczynku”.
Metody utwardzania
Istnieje kilka różnych rodzajów metod utwardzania. Metody te różnią się skutecznością, ale wszystkie wiążą się z użyciem wody. W pierwszym etapie projektu powszechną metodą utwardzania płaskiej powierzchni jest sadzawka. Zasadniczo powierzchnia jest otoczona stawem z wodą, który utrzymuje ją w stanie wilgotnym. Zapewnia to również jednolitą temperaturę na całej powierzchni betonu. Beton można również utwardzać poprzez zanurzenie gotowego elementu w wodzie.
Temperatura betonu jest istotnym czynnikiem wpływającym na jego hydratację. Zwiększenie temperatury o 18 stopni Fahrenheita podwaja tempo, w jakim beton ulegnie hydratacji. W rezultacie wyższe temperatury zwiększają wytrzymałość betonu, natomiast niższe wymagają dłuższego czasu utwardzania. W każdym przypadku, prawidłowe utwardzanie jest niezbędne dla solidnego betonu. Jeśli jednak warunki te nie zostaną spełnione, może to mieć katastrofalne skutki dla ogólnej jakości konstrukcji.
Wilgotność otaczającego powietrza musi wynosić co najmniej osiemdziesiąt procent. Niska wilgotność spowoduje odwodnienie cementu i ustanie hydratacji. Aby utrzymać właściwą hydrację, konieczne jest dostarczanie wody z zewnątrz przez co najmniej siedem dni. Wilgotność wewnętrzna mieszanki musi pozostać powyżej osiemdziesięciu procent w ciągu siedmiu dni, aby zapobiec jej stwardnieniu. Jeżeli jest to niemożliwe, to do utrzymania właściwej wilgotności wymagana jest woda zewnętrzna.
W czasie upałów temperaturę betonu można podnieść za pomocą pary wodnej. Podczas początkowego procesu utwardzania para utrzyma wilgoć w betonie, co przyspieszy proces twardnienia. Metoda ta może być stosowana do betonu o wysokiej wytrzymałości i niskiej wytrzymałości. Ponadto metoda kąpieli wodnej jest bardziej efektywna w przypadku betonów, od których nie wymaga się wyjątkowo wysokiej wytrzymałości.
W przypadku powierzchni poziomych dobrze sprawdza się metoda kąpieli wodnej. Woda jest często natryskiwana na powierzchnię betonu przez 14 dni. Dodatkowo po stwardnieniu betonu nakłada się na niego mokre pokrycie. Ta metoda jest idealna dla płaskich powierzchni, ponieważ nie uszkodzi powierzchni betonu. Możesz pokryć mokrą powierzchnię piaskiem, burpą, płótnem lub słomą. Wtedy, w zimne dni, woda będzie odparowywać.
Podobne tematy
- Co się miesza z cementem z dodatkiem plastyfikatora?
- Jaka jest różnica między cementem fosforanowym a zwykłym?
- Który cement jest najszybciej twardniejącym cementem hydraulicznym?
Nazywam się Florian i kocham budować. Od ponad 20 lat działam w budownictwie i nawet na chwilę nie pomyślałem żeby przestać.
Z powodzeniem wybudowałem wiele budynków i będę przekazywał wam moją cenną wiedzę na tym portalu.