Минералогический состав портландцемента

Применяемые для производства портландцементного клинкера сырьевые материалы обеспечивают преобладание в нем высокоосновных силикатов кальция. Помимо этого, при взаимодействии с оксидами Al₂O₃ и Fe₂O₃ образуются отдельные группы минералов. Каждый из клинкерных минералов имеет свои специфические свойства.

Трехкальциевый силикат (алит) характеризуется химической формулой 3CaO·SiO₂ (сокращенная запись C₃S). Содержание его в портландцементе составляет 40–65 %. Являясь химически активным минералом, оказывает решающее влияние на скорость твердения цемента. Алит быстро набирает прочность, образуя довольно плотный продукт гидратации. При взаимодействии с водой выделяет большое количество тепла.

Двухкальциевый силикат (белит) имеет химическую формулу 2CaO·SiO₂ (сокращенно C₂S). По химической активности заметно уступает алиту. Продукт твердения белита, затворенного водой, в ранние сроки твердения имеет невысокую прочность, при этом выделяется очень мало тепла, однако в дальнейшем, при благоприятных условиях, в течение нескольких лет способен увеличивать прочность. Белита в портландцементе может содержаться от 15 до 40 %.

Трехкальциевый алюминат как химическое соединение выражается формулой 3CaO·Al₂O₃(С₃А). Имеет наибольшую химическую активность среди основных минералов портландцементного клинкера. Процесс его гидратации завершается в первые сутки твердения, при этом выделяется наибольшее количество теплоты. Однако продукт твердения трехкальциевого алюмината имеет низкую долговечность. Содержание в портландцементе С₃А колеблется от 2 до 15 %.

Четырехкальциевый алюмоферрит (целит) принят в качестве клинкерного минерала как среднее значение содержащихся в портландцементном клинкере алюмоферритов кальция переменного состава. Химический состав выражается формулой 4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃(С₄АF). По химической активности занимает среднее положение между С₃А и алитом. Продукт гидратации имеет прочность меньшую, чем у алита. В портландцементе С₄АF может быть от 10 до 20 %.

В зависимости от минералогического состава различают следующие виды портландцемента:

– алитовый: содержание C₃S более 60 %, а соотношение C₃S:C₂S более 4;

– белитовый: содержание C₂S превышает 38 % при отношении C₃S:C₂S менее 1;

– алюминатный, содержащий С₃А больше 15 %;

– алюмоферритный (целитовый), в котором С₄АF содержится более 18 %.

Твердение портландцемента

Твердение портландцемента есть процесс превращения цементного теста (смеси портландцемента с водой) в цементный камень с образованием новых гидратных соединений.

При затворении портландцемента водой в начальный период происходит растворение клинкерных минералов с поверхности зерен цемента до образования насыщенного раствора. Растворение клинкерных минералов прекращается, взаимодействие с водой продолжается путем протекания реакций гидратации (присоединения воды к минералам клинкера) и гидролиза (разложение минералов на другие соединения под действием воды).

Второй период твердения – коллоидация – сопровождается прямой гидратацией клинкерных минералов в твердом состоянии без предварительного их растворения. Период коллоидации сопровождается повышением вязкости цементного теста, характеризующим процесс схватывания портландцемента.

В течение третьего периода протекают процессы перекристаллизации мельчайших коллоидных частиц новообразований. Результатом является рост крупных кристаллов, что обеспечивает твердение и увеличение прочности образовавшегося цементного камня.

Процессы, происходящие при взаимодействии клинкерных минералов с водой, характеризуются следующими уравнениями:

– гидролиз трехкальциевого силиката:

3CaO·SiO₂ + (n +1)H₂O = 2CaO·SiO₂· n H₂O + Ca(OH)₂;

– гидратация двухкальциевого силиката:

2CaO·SiO₂ + n H₂O = 2CaO·SiO₂· n H₂O;

– гидратация трехкальциевого алюмината:

3CaO·Al₂O₃ + 6H₂O = 3CaO·Al₂O₃·6H₂O;

– гидролиз четырехкальциевого алюмоферрита:

4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃+ m H₂O = 3CaO·Al₂O₃·6H₂O + CaO·Fe₂O₃· n H₂O.

Имеющийся в портландцементе гипс вступает в реакцию с образующимся трехкальциевым гидроалюминатом:

3CaO·Al₂O₃·6H₂O + 3(CaSO₄·2H₂O) + 19H₂O = 3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·31H₂O.

Кристаллизующийся с присоединением большого количества воды труднорастворимый гидросульфоалюминат кальция имеет название «эттрингит».

При твердении портландцемента на воздухе происходит также процесс карбонизации:

Ca(OH)₂ + СO₂ + n H₂O = CaСO₃ + n +1H₂O.

Карбонизация происходит с поверхности цементного камня; образующийся труднорастворимый карбонат кальция заполняет собой поры, уплотняя структуру и создавая малопроницаемую пленку.

Все описанные процессы протекают одновременно, оказывая влияние друг на друга. В результате формируется структура цементного камня; он набирает прочность и приобретает прочие эксплуатационные параметры. Структурообразующие процессы интенсивно продолжаются первые 3–7 суток, в дальнейшем они замедляются, однако при эксплуатации во влажных условиях продолжаются в течение еще многих лет.