Меню

Гидратация цемента при низких температурах



О гидратации и твердении ССС при отрицательных температурах

Корнеев Валентин Исаакович,
профессор, д.т.н., зав.кафедрой строительных и специальных вяжущих веществ СПбГТУ

Удлинение цикла строительных работ на переходные периоды — зима-весна и осень-зима, проведение работ в зимний период, вызвали необходимость разработки цементных растворов и бетонов и технологий строительных работ, относящихся к «зимнему бетонированию». Особые условия формирования бетона на морозе связаны с замерзанием воды, как химического компонента реагирующей системы, а также с замедлением гидратации и твердения цемента. Практические приёмы (методы) «зимнего бетонирования» связаны с сохранением в твердеющем бетоне воды в жидком состоянии. Эти приёмы условно можно разделить на физические и химические. Физические методы сводятся к сохранению положительных температур в бетоне за счёт его прогрева (тёплым воздухом, электропрогревом), химические методы основаны на снижении температуры замерзания воды при растворении в ней веществ разной химической природы, относящихся к «противоморозным добавкам». Вопросы «зимнего бетонирования», связанные с применением противоморозных добавок в цементных бетонах, достаточно полно отражены в литературе [1,2], условия и способы проведения бетонных работ в зимних условиях изложены в соответствующих нормативных документах.

Тем не менее, накопленный опыт «зимнего бетонирования» не может быть в полной мере использован для разработки составов и условий применения сухих строительных смесей на основе портландцемента при ведении работ при отрицательных температурах. Большинство составов сухих строительных смесей на основе портландцемента содержат редиспергируемые полимерные порошки (РПП), которые при затворении сухой смеси водой образуют водные дисперсии (латексы). В случае замерзания воды коалесценция частиц латекса и плёнкообразование становятся маловероятными. Кроме полимерных дисперсий (нерастворимых в воде полимерных частиц) в состав сухих смесей часто входят водорастворимые полимеры (например, эфиры целлюлозы). Процесс твердения таких цементно-полимерных смесей при отрицательных температурах и в присутствии противоморозных добавок изучен недостаточно.

Большинство составов сухих строительных смесей предназначены для «тонкослойной технологии», т.е. для нанесения в виде тонкого слоя на массивную строительную конструкцию, поверхность которой может находиться при низких или отрицательных температурах. При этом масса наносимого материала мала по сравнению с массой конструкции, и покрытие достаточно быстро приобретает температуру подложки. Развитие экзотермических процессов при гидратации цемента в этих условиях не может существенно повысить температуру смеси.

Сухие строительные смеси, как правило, относятся к цементно-полимерным композициям, компоненты этих композиций: цемент и полимер, изначально химически индифферентные друг к другу, отвердевают каждый по своим законам и схемам, тем не менее их взаимное влияние существенно. Это влияние состоит в торможении процессов гидратации безводных цементных минералов за счёт их экранирования полимерными плёнками, стабилизаторами (ПАВ), освобождающимися при слиянии редиспергированных полимерных частиц, а также обычно присутствующим в системе в качестве защитного коллоида поливиниловым спиртом (ПВС).

В свою очередь, цементные минералы, химически связывая воду (гидратируясь), обезвоживают полимерную дисперсию «изнутри», создавая необходимые условия для сближения и последующего слияния полимерных частиц во фрагменты плёнок. При этом, значащим фактором для плёнкообразования является воздействие на полимерную частицу солей, переходящих в раствор из растворимых компонентов цемента при затворении цемента водой. В раствор переходят ионы Са 2+ , К + , Na + , ОН — , SO4 2- и др., безусловно влияющие на коагуляционную устойчивость полимерных частиц, которые обычно специально дополнительно стабилизируют для обеспечения их устойчивости в этих системах.

Читайте также:  Как развести цемент для фундамента беседки пропорции

Поскольку процессы отвердевания цементно-полимерных систем регулируются химическими реакциями, происходящими в системе, то температура протекания реакций является существенным фактором воздействия на них, а снижение температуры по известным химическим законам обязательно вызовет их замедление, и чем ниже температура твердения, тем это замедление сильнее, вплоть до практически полной остановки процесса.

В цементных системах, не содержащих противоморозных добавок [3] и замороженных сразу (в первые часы) после изготовления, бoльшая часть воды переходит в лёд при -(2 ÷ 5)°С. В данном интервале температур происходит замерзание воды в порах радиусом более 0,1 мкм. При понижении температуры ниже -10°С количество замерзшей воды увеличивается незначительно (замерзание в порах 0°С. Тем не менее, в ряде случаев производители полимерных дисперсий, при рекомендации для использования дисперсий при низких температурах, приводят значение МТП равное «ниже 0°С».

Определённым показателем способности полимерной дисперсии к плёнкообразованию при низких температурах является значение Тg (температуры стеклования), при которой частицы полимера действительно переходят в стеклообразное хрупкое состояние и теряют способность к слиянию (коалесценции). Значение Тg для дисперсий разного состава колеблется в широком диапазоне температур и может достигать -60°С. Очевидно, что дисперсии, способные к плёнкообразованию при низких температурах, должны характеризоваться и низким значением Тg. Тем не менее, нет прямой зависимости между МТП, при которой происходит слияние частиц, и Тg, при которой такое слияние маловероятно, а температурный интервал МТП-Тg существенно отличается для полимеров разного состава, т.е низкое значение Тg является необходимым условием для плёнкообразования при низких температурах, однако этого недостаточно, поскольку МТП может быть при этом достаточно высокой (выше 0°С).

Как известно, для снижения температуры плёнкообразования полимерной дисперсии в систему вводят специальную добавку — коалесцент (в случае сухой смеси в виде водорастворимого порошка), в результате МТП может быть снижена на 10-15°С и более, однако сведений о возможности при этом перехода МТП в область отрицательных температур нам найти не удалось, а экстраполировать зависимость МТП-концентрация коалесцента в область отрицательных температур нет оснований, тем более что для каждого коалесцента эта зависимость индивидуальна.

Вышеприведённые сведения о возможности твердения при отрицательных температурах цементно-полимерных композиций, к которым относятся модифицированные полимерным порошком (РПП) сухие строительные смеси на основе портландцемента, являются лишь общим методологическим подходом для понимания этого процесса. Условная схема твердения таких смесей при отрицательных температурах может состоять из следующих этапов.

I. Исходная сухая смесь (до затворения водой) — смесь портландцемента (размер частиц 0-80 мкм), заполнителей (размер частиц 0,16-5 мм), РПП (размер частиц 50-250 мкм), сухих противоморозных добавок (размер частиц 0,1-1 мм).

II. Затворение сухой смеси водой. Сухая смесь предварительно выдерживается при положительных температурах и затворяется теплой водой. При затворении сухой смеси частицы цемента и заполнителя смачиваются водой и затем образуют первичную «грубую» дисперсию. Происходит тепловыделение при смачивании цемента водой (теплота сорбции). Начинается процесс растворения противоморозных добавок и редиспергация полимерной дисперсии (РПП) в воде затворения. Начинается также процесс коллоидации цемента, обусловленный начальной его гидратацией.

III. Перемешивание растворной смеси осуществляется через 10 минут после затворения. При этом заканчивается растворение противоморозных добавок и завершается диспергация РПП, т.е. образуется полимерная дисперсия, состоящая из дисперсионной среды в виде раствора электролитов и редиспергированных полимерных частиц, характеризующихся средним размером 0,01-0,5 мкм. Оформляется структура полимерных частиц, включающая их поверхностную стабилизацию и образование гидратной оболочки. На этом этапе важной характеристикой полимерной дисперсии является её коагуляционная устойчивость к сильным электролитам — противоморозным добавкам. Образовавшаяся полимерная дисперсия находится в межчастичном пространстве интенсивно гидратирующегося цемента.

Читайте также:  Оштукатуривание газобетона цементным раствором

IV. Выдерживание растворной смеси до использования. Растворная смесь до её нанесения на строительный объект некоторое время (в пределах живучести смеси) выдерживается при положительных температурах. Поскольку растворная смесь приготовляется и предварительно выдерживается при положительных температурах, желательно выбирать такие противоморозные добавки, которые мало влияют на сроки схватывания цемента. В этот период ускоряется гидратация цемента и из цементного геля и полимерной дисперсии формируется начальная легкоподвижная коагуляционная структура. Формирующиеся на поверхности цементных минералов гидратные фазы образуют гелевые структуры, характеризующиеся присутствием сорбированной (гелевой) воды. Степень гидратации цемента на этой стадии небольшая — не превышает 0,5-2%. Чем дольше этот этап, тем больше в системе образуется незамерзающей впоследствии воды.

V. Нанесение растворной смеси на объект. Растворная смесь вновь перемешивается и затем наносится на строительный объект, имеющий отрицательную температуру. Из-за ограниченного опыта применения сухих смесей при отрицательных температурах, а также общих условий выполнения отделочных работ, вряд ли целесообразно планировать применение смесей при температурах ниже -10°С. Минимальная температура растворной смеси в момент её нанесения должна быть на 20-30°С выше проектируемой температуры эксплуатации. Очевидно, что рабочая поверхность должна быть без льда и сухой. При нанесении должны сохраняться технологические характеристики растворной смеси: прежде всего пластичность (подвижность) и водоудерживающие свойства. Обезвоживание растворной смеси за счёт гидратации цемента и частичного отсоса воды подложкой создают начальные условия для слияния полимерных частиц и образования фрагментов полимерной плёнки. Поскольку растворная смесь на этом этапе пока ещё находится при положительных температурах, гидратационные процессы в ней продолжаются с обычной скоростью. На этой стадии проявляются адгезионные (клеящие) свойства полимерной части растворной смеси и цементного клея (цементного геля).

VI. Формирование покрытия. Из-за тонкого слоя покрытие довольно быстро остывает до проектной температуры (например, до -10°С), при этом все процессы гидратации и структурообразования замедляются. Тем не менее, растворная смесь через определённое время схватывается, но не замерзает, и начинает медленно твердеть. При отрицательных температурах в присутствии жидкой фазы, наряду с гидратацией цемента, за счёт дальнейшего обезвоживания системы продолжается также слияние полимерных частиц и плёнкообразование. В результате этих процессов формируется композиционная цементно-полимерная структура. В зависимости от конкретных погодных условий и состава, структурообразование смеси может затянуться надолго, тем не менее, через прогнозируемое время заданные свойства будут достигнуты. Раствор должен достичь некоторой «критической» прочности, только после этого возможно его замораживание при температурах ниже проектной (в нашем случае ниже -10°С). «Критическая» прочность, по одним данным, должна составлять 20% от проектной, по другим — 3,5ё5 МПа.

1. Ратинов В.Б., Розенберг Т.И. Противоморозные добавки.//Добавки в бетон. Справочное пособие/Под ред.Рамачандрана В.С.-М.:Стройиздат,1988.-571с.

2. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика.-2-е изд., перераб. и доп.-М.:Технопроект,1998.-768с.

3. Миронов С.А. Гидратация и твердение цемента на морозе//Шестой международный конгресс по химии цемента.-М.:Стройиздат,1976.-С.350.

Читайте также:  Сухая стяжка песок с цементом

4. Нейман Р.Э. Структурный фактор агрегативной устойчивости синтетических латексов.//Вода в дисперсных системах./Под ред.Дерягина Б.В., Овчаренко Ф.Д., Чураева Н.В.- М.:Химия,1989.-288с.

5. Киселёва О.Г., Нейман Р.Э., Корыстина Л.А. Повышение устойчивости синтетических латексов к замораживанию при введении модифицирующих добавок.//Коллоидный журнал.- 1989.-№ 6.-С.1004-1007.

Источник

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;

Чем мельче помол, тем более быстрым будет схватывание. Что отсрочить процесс схватывания и растянуть его, подвижную массу следует постоянно перемешивать. Но поддерживать пластичность раствора бесконечно долго невозможно, вязкая масса в определенный момент начинает утрачивать полезные свои свойства.

Рекомендуется изучить цемент заранее, что поможет определить фактические сроки схватывания этого материала и при необходимости скорректировать их при помощи специальных добавок. Иногда материал схватывается очень быстро, почти сразу после взаимодействия с водой, и выделяет при этом много тепла. Это явление называют ложным схватыванием! И чтобы его не допустить, раствор можно «оживить» путем перемешивания.

«Ложное схватывание» — негативное свойство цемента, такой материал обычно отбраковывают.

Когда раствор утрачивает свою подвижность, растворенные в нем частички цемента начинают кристаллизоваться, увеличиваться и переплетаться, сращиваясь в цементный камень. Данный процесс протекает с различной скоростью – вначале масса быстро становится все более прочной, а затем ее кристаллизация несколько замедляется.

Окончательное затвердевание может продолжаться годами, однако проектная марка прочности получаемых изделий достигается за двадцать восемь дней, распалубка при благоприятных влажности и температуре возможна уже через три-пять дней.

Опишите в комментариях под этой статьёй свой опыт, если вам удавалось оживить схватывающийся раствор! Что вы для этого предпринимали?

Возможно эти статьи будут Вам интересны:

Источник