Гидратация цементов как химический процесс. Фазовый состав продукции твердения — КиберПедия 

Индивидуальные и групповые автопоилки: для животных. Схемы и конструкции...

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого...

Гидратация цементов как химический процесс. Фазовый состав продукции твердения



При гидратации алита протекает реакция, которая в общем виде может быть записана следующим образом:

3 CаO SiO2 + (3 ¸ x) H2O = (З¸x) Ca(OH)2 + x СаО y SiO2O m H2O.

Значения коэффициентов x, y, m меняются в зависимости от внешних условий протекании реакций гидратации, главным образом от температуры. Гидратация белита протекает по аналогичной схеме с образованием гидросиликатов того же состава:

2 CаO SiO2 + (2 + x) H2O = (2¸x) Ca(OH)2 + x СаО y SiO2O m H2O.

При нормальной температуре продуктом гидратации алита и белита является один и тот же гидросиликат, обозначаемый СН(П) или С22. Кроме гидросиликата в достаточно большом количестве образуется кристаллический Са(OН)2, причем при гидратации алита его образуется значительно больше, чем при гидратации белита. При повышении температуры до 100-110°С образуется тот же гидросиликат СSН(П), но с более высоким содержанием оксида кальция. При 70-80°С основность (отношение числа молей CaO к SiO2) гидросиликатов достигает предельного значения, равного 2. Гидросиликат CSH(П) - первая гидросиликатная фаза, образующаяся при более высоких температурах. Затем он превращается в гидросиликат, обозначенный C2SH(А), или a - гидрат C2S. Температурный интервал устойчивости этого гидросиликата - I25 -175°С. При более высоких температурах он переходит в гидросиликат C2SH(С) (g - гидрат С2). При температурах, выше 160°C может образовываться гидросиликат C3SH2. При температурах выше 125°С также образуется гидросиликат С2SН(B), называемый гиллебрандитом. Размеры гидросиликатов, образующихся при повышенных температурах, более крупные, чем размеры кристаллов, образующихся при низких температурах.

Таким образом, при гидратации силикатных клинкерных минералов образуется, главным образом, высокоосновные гидросиликаты кальция, имеющие мольное отношение Cao/SiO2 более 1,5. Однако эти гидросиликаты обладают большей растворимостью и высокой константой скорости растворения, поэтому в плане обеспечения долговечности крепи скважины они не являются оптимальными.

При повышенных температурах растворимость кремнеземистых компонентов возрастает, и растворенныйSiO2 связывает гидрооксид кальция с образованием, гидросиликатов пониженной основности. Уменьшение содержания свободного гидрооксида кальция в растворе также способствует снижению основности. Уменьшение содержания свободного гидрооксида кальция в растворе также способствует снижению основности продуктов твердения и повышению их долговечности и прочности. Поэтому для крепления интервалов с высокими температурами требуется введение в состав тампонажных портландцементов кремнеземсодержащих материалов, шлаков, золы, молотого песка и т.д.



Согласно схемы, предложенной Я. Скальни и Дж. Янгом, механизм гидратации трехкальциевого силиката представляется следующим образом: C2S реагируют c dодой сразу же при контактировании. Во время: индукционного периода происходит обмен ионов между раствором и твердым непрогидратированным веществом, способствуя автокаталитическому увеличению скорости реакции. При этом большое количество продуктов гидратации с низкой плотностью и увеличенным объемом по сравнению с негидратированной фазой осаждается на покрытую водой поверхность минерала. Это обусловливает общее увеличение пористости, системы, что, в свою очередь, снижает перенос ионов на поверхность раздела между твердым веществом и жидкостью, замедляя процесс гидратации. Этот период рассматривается как контролируемая диффузией стадия гидратации.

В начале, гидратации происходит реакции:

где: "C2S" это структура C3S .с, дефицитом гидрооксида кальция.

В конце индукционного периода - реакции:

В целом механизм гидратации разделен на пять отдельных стадий.

Стадия 1. При контакте С2 с водой имеет место гидролиз сопровождающийся переходом протона О2- в OH-, в и Са2+ в Са2+ + а q. Гидролиз происходит в основном на активных участках. В результате перехода в раствор Са2+ на этих участках минерала образуется поверхностный слой продуктов реакции, представляющих собой группировки силикатных ионов и , связанных между собой водородными связями и несколькими ионами кальция. Образовавшийся аморфный слой имеет тенденцию к всасыванию воды и набуханию, подобно осмотическому процессу. Равновесие заряда поддерживается переходом ионов Са2+ и ОН- в раствор, компенсируя ионы Н+ имеющиеся в растворе при гидролизе воды. Между подвижным ионом - Са2+ и неподвижной поверхностью силикатные ионов образуют двойной электрический слой, обеспечивая хемосорбцию.



Стадия 2. Вследствие дальнейшего перевода в раствор ионов Са2+ и OН- с образовавшийся на 1 стадии поверхностный слой продолжает разрываться. Образующийся двойной электрический слой замедляет скорость его развития. Из находящихся в растворе групп атомов будут формироваться зародыши кристаллов Са(OН)2 или C-S-H.

Стадия 3. По мере перевода ионов в раствор, содержание их становится достаточные для роста зародышей кристаллов. Первоначально рост отмечается при пресыщении раствора относительно гидрооксида кальция. Вследствие возникающих больших сопротивлений через слой новообразованного диоксида кремния на поверхности образуются слаборазвитые кристаллы C-S-H.

Стадия 4 и 5. На этих стадиях продолжается дальнейший рост изообразныхкристаллов C-S-H. При этом образующиеся на ранее сформированных кристаллах C-S-H новые кристаллы будут отличаться по морфологии, поскольку содержание ионов в растворе меняется. Это и обуславливает наличие различных модификаций гидросиликатов.

Механизм гидратации b - С2S аналогичен и отличается в уменьшении степени пересыщения раствора ионами Са2+ относительно Са(ОН)2 и низкой экзотермией процесса гидратации.

Общий состав и морфология С - S - Н, формирующихся из b - С2S и C3S оказываются сходными. Низкая степень насыщения раствора гидрооксидом кальция при гидратации b - С2S обуславливает формирование более крупных кристаллов Са(ОН)2 по сравнении с кристаллами, образующимися при гидратации C3S.

Гидратация С3А. Процесс гидратации С3А определяется скоростью диффузии жидкой фазы через слой сформировавшихся в начальной стадии гидратов С4АН13 и С2АН8. Так как гидратация СА сопровождается большим выделением теплоты, указанные гидраты быстро переходят в С3АН6.

Образовавшиеся гидраты С4АН13, С4АС5Н12 и их твердые растворы создают изолирующий слой на поверхности зерен С3А, который резко замедляет, но не прекращает, переток реагирующих ионов и молекул воды. Этот поток не обеспечивает растворение нижнего слоя, контактирующего с поверхностью, и поэтому; последовательное образование С4АН13 истощает раствор, находящийся в контакте с зернами С3А относительно ионов Са2+, тем самым способствует осаждению Аl(ОН)3. Этот процесс выражается:

Разрушение изолирующего слоя вследствие превращения С4АН13 и С2АН8 в С2АН6 будет вызывать при высоком содержании в растворе ионов Са+ и ОН- также и разрушение, слоя Аl(ОН)3,что будет обуславливать дальнейшую гидратацию С3А. Последовательность этих реакций следующая:

;

;

.

Состав продуктов гидратации алюминатных составляющих цемента также зависит от температуры окружающей среды. При нормальной температуре взаимодействие с водой трехкальциевого алюмината происходит по схеме:

 

.

В реакцию вступает гидрооксид кальция, выделяющийся при гидратации силикатных минералов. При повышенных температурах (более 50 - 60°С) основным продуктом гидратации является шестиводный гидроалюминат:

.

При пониженных температурах (ниже 10° С) при гидратации алюминатов предпочтительно образование низкоосновных гидроалюминатов

и .

Гидратация алюмоферритной фазы. При температуре ниже 20°С гидратация алюмоферритов кальция сопровождается образованием гидрата четырехкальциевого алюмоферрита кальция.

При температурах свыше 20 °С данный кристаллогидрат превращается в кубический,

,

а при температурах выше 50°С только в кубический. Присутствующий в растворе гидрооксид кальция замедляет переход гексагональной формы кристаллогидрата в кубическую.

Реакции взаимодействия алюмоферритов кальция различного состава выражаются следующим образом:

Твердые растворы трехкальциевых гидроалюмоферритов кристаллизуются в кубической сингонии и по своей структуре подобны минералам гранатовой группы - гроссуляру и андрадиту .

При взаимодействии с водой полиминеральных цементов, содержащих силикаты, алюминаты и ферриты кальция, образуются твердые растворы гидроалюмоферритов и алюможелезистых гранатов по сложной системе:

В этих твердых растворах одна молекулаSiO2 замещается двумя молекулами Н2О и поэтому растворы называются гидрогранатами. Вся группа соединений имеет общую формулу:

или . Гидрогранаты повышают долговечность тампонажного камня, т. к. имеют большую стойкость ко многим видам пластовых вод.

Кроме указанных минералов портландцемент содержит в своем составе сульфат кальция в виде гипса, вводимого для замедления скорости схватывания цементного теста. Механизм замедления представляется следующим образом.

Продукт гидратации алюмината и алюмоферрита кальция - шестиводный гидроалюминат кальция в присутствии гипса образует гидросульфоалюминат кальция трехсульфатной формы по реакции:

,

который можно записать как . Это соединение называется эттрингитом и для него характерно сильное приращение объема и высокая удельная поверхность. Быстрообразующийся эттрингит покрывает зерна клинкерных минералов, затрудняя к ним доступ воды. Процесс гидратации замедляется. После того, как весь гипс расходуется на химическую реакцию и концентрация ионов в растворе понижается эттрингит становится термодинамически неустойчивым и переходит в моносульфатную форму гидросульфоалюмината кальция. Доступ воды к минералам клинкера открывается и процесс гидратации интенсифицируется.

Ферритные составляющие в присутствии гипса образуют гидросульфоферриты моно- и трехсульфатной формы, аналогичные гидросульфоалюминатам кальция с общими формулами:

и

При высоких температурах (выше 50°С) высокосульфатные формы указанных соединений переходят в моносульфатные, которые, в свою очередь, при температурах выше 100°С разлагаются с выделением гипса и гидрогранатов.

Изложенные ранее материалы позволяют заключить, что процесс гидратации, является частным случаем сольвации и представляет собой процесс взаимодействия веществ с водой, при котором молекулы воды присоединяются к веществу, не разрушаясь.

Образующиеся соединения определенного состава в этом случае называются кристаллогидратами. Гидратация вызвана в основном донорно - акцепторным, диполь - дипольным, ион - дипольным взаимодействием между частицами, а также образованием водородных связей.

Различают гидратацию твердых веществ с образованием гидратов, гидратацию оксидов, гидратацию электролитов в растворах, гидратацию молекул в растворах, а также гидратацию органических и высокомолекулярных соединений. В процессе гидратации происходит выделение тепла - теплота гидратации. Она вызвана смачиванием и реакцией.

В составе кристаллогидратов молекулы воды входят в виде индивидуальных частиц и поэтому в химических формулах воду обычно пишут отдельно, например, , и т.д.

Известные кристаллогидраты подразделяются на кристаллогидраты определенного состава и неопределенного. Во-первых на одну молекулу вещества приходится определенное количество молекул воды, например, . Для вторых характерно неопределенное число молекул воды, приходящихся на одну молекулу вещества, изменяющихся в зависимости от температуры, давления водяных паров в пространстве, концентрации растворенного вещества и т.д. Вода, находящаяся в составе кристаллогидратов, называется кристаллизационной. Она располагается в определенном порядке. Вода, заполняющая пустоты и пространства кристалла и удерживаемая им электрическими силами называется цеолитной. Ее удаление сопровождается разрушением кристалла. Вода, пошедшая на образование гидрооксидов называется конституционной. При их образовании происходит разложение молекул воды.






Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого...

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой...

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни...

Индивидуальные и групповые автопоилки: для животных. Схемы и конструкции...





© cyberpedia.su 2017 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав

0.012 с.