Hidratarea cimentului
Procesul de hidratare a cimentului constă dintr-o serie de reacții chimice ale componentelor anhidre care constituie cimentul însuși, gipsul și apa de amestecare.
Consecințele unor astfel de reacții sunt evacuarea și „ întărirea „ pastelor ”(aceasta se numește amestecul dintre ciment și apă).
Constituenții cimentului Portland
Cimentul Portland, care stă la baza tuturor celorlalte tipuri de ciment, constă dintr-un amestec de clincher și gips.
În clincher există 4 constituenți mineralogici principali:
- Silicat dicalcic (2CaO.SiO 2 );
- Silicat tricalcic (3CaO.SiO 2 );
- Aluminat tricalcic (3CaO.Al 2 O 3 );
- Aluminat tetracalcic de ferită sau fază ferică (4CaO.Al 2 O 3 .Fe 2 O 3 ).
Silicații sunt cei mai importanți constituenți ai clincherului Portland atât pentru că sunt prezenți într-un procent mai mare (75-80%), cât și pentru că sunt responsabili de performanța mecanică a pastei de ciment întărit, la care aluminii nu participă.
Acest lucru se datorează naturii predominant fibroase a silicaților de calciu hidrați, care se pretează mai eficient dezvoltării rezistenței mecanice decât morfologiei produselor din aluminiu hidratat (foi hexagonale sau cristale cubice).
Faza ferică și aluminatul tricalcic, pe de altă parte, sunt esențiale pentru formarea fazei lichide în timpul gătitului (fluxuri).
Hidratarea rapidă a aluminatului tricalcic, în absența gipsului, ar determina stabilirea rapidă a pastei de ciment [1] .
Reacții de hidratare
Hidratarea cimentului constă dintr-o serie de reacții chimice complexe care nu au fost încă complet clarificate.
Folosind simbolurile furnizate de chimia cimentului , reacțiile de hidratare ale constituenților individuali ai clincherului sunt reprezentate mai jos, de la cel mai rapid la cel mai puțin rapid:
- C 3 A + H → CAH
- C 4 AF + H → CAH + CFH
- C 2 S + H → CSH + CH
- C 3 S + H → CSH + CH
unde este indicat cu:
- C 2 S silicatul dicalcic;
- C 3 S silicatul tricalcic;
- C 3 A aluminat tricalcic;
- C 4 AF aluminat feric tetracalcic;
- Hidroxid de calciu CH numit și portlandit ;
- H apa;
- CSH [2] silicati de calciu hidratati.
- CAH [3] aluminatii de calciu hidratati care reprezinta o familie de produse de hidratare a aluminatilor.
- CFH feritele hidratate cu calciu.
Hidratarea aluminaților dă naștere la formarea aluminatilor de calciu hidrați (CAH), în timp ce cea a silicaților la formarea silicaților de calciu hidrați aproape amorf (CSH) cu proprietăți ale unui gel rigid.
Întărirea și, prin urmare, puterea de legare a cimentului, se datorează în mare parte formării silicaților de calciu hidrați (CSH) [4] , în timp ce formarea de aluminați
hidrații de calciu (CAH) sunt principala cauză a pierderii prelucrării și aderenței .
Viteza de hidratare
Reacțiile de hidratare ale constituenților clincherului au viteze diferite. Cel mai rapid pentru hidratare este aluminatul tricalcic urmat de silicatul tricalcic, faza ferică și, în final, silicatul dicalcic. Viteza reacțiilor de hidratare depinde și de suprafața în contact cu apa și, prin urmare, de finețea particulelor de clincher. O finețe mai mare a măcinării determină o suprafață specifică mai mare și, prin urmare, o viteză mai mare de hidratare. În consecință, factorul de finețe afectează în special dezvoltarea punctelor forte inițiale.
Aluminat tricalcic
Aluminatul tricalcic se hidratează foarte repede. Rezistențele finale sunt atinse într-un timp foarte scurt și determină fixarea pastei de ciment.
Rezistența mecanică a aluminatului tricalcic nu contribuie semnificativ la dezvoltarea rezistenței mecanice finale a materialului, cu excepția unei creșteri rapide, dar mici, în primele ore.
Acest lucru depinde de morfologia cristalelor CAH, în principal pe baza prezenței foilor hexagonale sau a cristalelor cubice și, prin urmare, nu este foarte favorabilă, așa cum este cazul produselor fibroase CSH, la dezvoltarea rezistenței mecanice.
Hidratarea aluminatului tricalcic este atât de rapidă încât ar fi setată într-un timp foarte scurt ( setare rapidă ).
Din acest motiv, clincherul Portland nu poate fi utilizat, deoarece este pentru prepararea mortarelor sau betoanelor.
Pentru a evita acest proces și a permite instalarea materialului de ciment, gipsul (CaSO 4 ) este adăugat la clincher ca regulator de setare.
În contact cu apa, gipsul reacționează cu aluminatii tricalcici ducând la formarea ettringitei , numită primară, care precipită pe granulele C 3 A, împiedicând pătrunderea apei și, prin urmare, încetinind procesul de hidratare a aluminatilor.
Are o contracție puternică.
Faza ferică
Procesul de hidratare a fazei ferice este substanțial echivalent cu cel al aluminatului tricalcic.
În comparație cu acesta din urmă, are însă o viteză de hidratare mai mică, în special prezența gipsului, puterea de încetinire fiind mai eficientă cu faza de fier decât cu aluminatul tricalcic.
Are o contracție slabă.
Silicat tricalcic
Silicatul tricalcic se hidratează rapid și, prin urmare, este în principal responsabil pentru rezistența mecanică inițială a cimentului Portland.
Cea mai mare parte a hidratării are loc în decurs de 2 zile de la turnare, de aceea cimenturile cu întărire rapidă conțin o cantitate mai mare de silicat tricalcic.
În timpul hidratării silicatului tricalcic, se produce un procent mai mare de Ca (OH) 2 (30-40%) decât cel produs în timpul hidratării silicatului dicalcic (10-15%); aceasta implică faptul că un conținut mai mare de silicați de calciu hidrați (85-90%) se obține din acesta din urmă decât cel obținut din hidratarea halitei (60-70%).
Are o contracție slabă.
Silicat dicalcic
Silicatul dicalcic are o hidratare lentă și, prin urmare, este principala cauză a creșterii rezistenței mecanice pe termen lung.
După cum sa menționat deja mai sus, silicatul dicalcic produce, prin hidratare, o cantitate mai mare de CSH decât silicatul tricalcic.
Prin urmare, cimenturile mai bogate în belite garantează valori mai ridicate ale rezistenței mecanice pe termen foarte lung, în timp ce cele cu un conținut mai ridicat de halită garantează o rezistență mai mare pe termen scurt.
Căldura de hidratare
Reacțiile de hidratare sunt toate exoterme .
Căldura de hidratare depinde de tipul și clasa cimentului; cu cât conținutul de ciment Portland este mai mare și măcinarea este mai fină, cu atât este mai mare căldura de hidratare.
Prin urmare, cimenturile mixte produc mai puțină căldură de hidratare decât cimentul Portland.
Cantitățile de căldură emise în timpul hidratării principalilor constituenți ai clincherului Portland sunt:
- silicat tricalcic 125 kcal / kg
- silicat dicalcic 63 kcal / kg
- aluminat tricalcic 215 kcal / kg
- faza ferică 95 kcal / kg.
Cauze
Setul de fenomene chimico-fizice care declanșează stabilirea și întărirea sunt indicate cu termenul de maturare .
Aceste fenomene pot fi rezumate după cum urmează.
Odată cu formarea amestecului, granulele de ciment sunt înconjurate și separate unele de altele de o peliculă subțire de apă, cu care încep imediat să reacționeze la suprafață dând naștere unui strat de produse de hidratare.
Acest strat continuă să crească în volum atât în detrimentul apei, cât și al granulelor de ciment până când umple tot spațiul disponibil între ceea ce a rămas din boabele hidratate.
Setul de produse hidratate, format în mare parte din particule extrem de mici și puternic îmbibat cu apă, constituie o masă gelatinoasă care, odată cu continuarea reacțiilor și eliminarea unei părți a apei, suferă un proces de rigidizare progresivă.
Cele mai importante reacții chimice sunt formarea de aluminați și silicați de calciu hidrați. Primii sunt responsabili de prindere, deoarece se hidratează foarte repede (contribuie într-un mod nesemnificativ la dezvoltarea rezistenței mecanice, cu excepția primelor ore), cei din urmă determină întărirea și ultimele se datorează proprietăților de legare ale cimentului. și în consecință rezistența mecanică a materialului.
Acest lucru se datorează în principal morfologiei produselor hidratate, de fapt cristalele de calciu aluminizate hidratate au forma de foi hexagonale sau cristale cubice, prin urmare nu sunt foarte potrivite pentru dezvoltarea rezistenței mecanice care este în schimb facilitată de natura predominant fibroasă a cristale de silicat hidratate de fotbal.
Acest lucru poate fi explicat în felul următor: când cristalele datorate hidratării compușilor aluminat, pe măsură ce se îngroașă, încep să se atingă , conectând granulele C3A și C4AF adiacente, sistemul își pierde plasticitatea și începe să se stabilească.
Pe măsură ce hidratarea progresează, produsele fibroase care formează produsele de hidratare ale compușilor silicatici încep să se dezvolte; aceste fibre devin din ce în ce mai numeroase și îndelungate în timp și, prin urmare, cele ale particulelor C2S și C3S adiacente tind să se împletească între ele într-un mod din ce în ce mai intim, conectând întotdeauna rigid granulele, provocând întărirea și o creștere progresivă a rezistenței mecanice a materialul.
Gradul de hidratare
Cu același raport apă / ciment, pe care îl teoreticizează Abrams , rezistența pastei de ciment și, prin urmare, a betonului crește pe măsură ce crește gradul de hidratare.
Formula Powers permite determinarea rezistenței mecanice a unei paste de ciment Portland în funcție atât de raportul w / c, cât și de gradul de hidratare a cimentului α:
- M Pa
unde K = 250 MPa când porozitatea capilară este zero.
Se poate observa că, cu același raport apă / ciment, rezistența pastei de ciment și, prin urmare, a betonului crește pe măsură ce crește gradul de hidratare, procentul de ciment hidratat fiind mai mare (și, prin urmare, conținutul de calciu hidratat silicați).
Gradul de hidratare este influențat de temperatură.
Temperaturile ridicate accelerează reacțiile de hidratare ale cimentului.
Prin urmare, cu o întărire scurtă, deoarece gradul de hidratare este mai mare, există, de asemenea, o creștere a rezistenței mecanice a pastei, cu o scurtare consecventă a timpilor de prindere și întărire.
Temperatura scăzută determină în schimb o încetinire a reacțiilor de hidratare a cimentului, cu prelungirea consecutivă a timpilor de reglare și întărire, prin urmare, cu o întărire scurtă, gradul de hidratare a matricei de ciment scade odată cu temperatura și cu aceasta rezistența la compresiune a material.
Pe de altă parte, cu întărirea îndelungată s-a constatat că rezistența mecanică crește pe măsură ce temperatura scade.
Ultimul fenomen a fost explicat în felul următor.
Dacă întărirea materialului cimentar se face în mod adecvat, pe termen lung gradul de hidratare a cimentului este egal cu 1 și, prin urmare, nu are nicio influență asupra valorii rezistenței mecanice.
Prin urmare, se crede că creșterea rezistenței la compresiune pe măsură ce temperatura scade este legată de calitatea silicaților de calciu hidrați (CSH) care sunt responsabili pentru rezistența mecanică a materialului.
CSH-urile care se formează la temperaturi scăzute sunt mecanic de o calitate mai bună decât cele care se formează la temperaturi mai ridicate.
Prin urmare, dacă este adevărat că la temperaturi ridicate pentru întărirea scurtă, CSH este produs în cantități mai mari, urmând gradul mai ridicat de hidratare a cimentului, dar de calitate mai mică, la întărirea îndelungată, când hidratarea cimentului este completă și gradul de hidratare este egal cu 1, cantitatea de CSH produsă este mai mult sau mai puțin aceeași atât la temperaturi scăzute, cât și la temperaturi ridicate, dar în primul caz silicații de calciu hidratați au o calitate mai bună și, prin urmare, garantează o rezistență mecanică mai mare.
La temperaturi ridicate se poate întâmpla ca, atunci când evaporarea superficială a apei să fie excesivă, să se producă un fenomen de uscare prematură a zonei corticale a materialului cimentar, care poate fi cauza unei hidratări incomplete a cimentului pielii. datorită lipsei de apă, care, pe lângă compromiterea rezistenței mecanice a părții exterioare a materialului, ar face suprafața aceleiași mai permeabilă (porozitate mai mare a suprafeței) și, prin urmare, mai ușor atacată de agenții atmosferici, provocând o reducerea gradului de durabilitate a materialului cimentar.
Notă
- ^ vezi ettringita primară
- ^ simbolul CSH nu este o formulă chimică, ci mai degrabă inițialele în limba engleză ale silicatului de calciu hidratat
- ^ Simbolul CAH nu este o formulă chimică, ci derivă din inițialele englezești de aluminat de calciu hidratat
- ^ calitatea silicaților de calciu hidrați este aceeași indiferent dacă provine din hidratarea silicatului tricalcic sau dacă provine din hidratarea silicatului bicalcic. Singura diferență este timpul necesar formării. Prin urmare, implică faptul că cei doi silicați garantează aceeași valoare a rezistenței mecanice la pasta întărită în momente diferite
Bibliografie
V. Alunno Rossetti, Beton: materiale și tehnologie , McGraw-Hill, 2003
