Тема : Коллоидно-химические явления в технологии вяжущих материалов

1. По какому принципу делят коллоидные вяжущие вещества?

2. Влияние на свойства твердеющего материала размера частиц.

 

Синтез прочности твердеющих вяжущих веществ обусловлен со­вокупностью процессов, среди которых важное место занимает образование соединений коллоидной дисперсности.

Размер частиц продуктов гидратации изменяется от коллоид­ных до кристаллов, видимых под микроскопом. По этому принципу вяжущие вещества могут быть разделены на три группы.

1. Вяжущие, действие которых почти полностью обусловлено образованием коллоидных продуктов. К этой группе относится портландцемент, твердеющий при обычных температурах с образовани­ем гидросиликатов кальция. Наличие в портландцементе ионов А1³+, Fе³+ и SO₄^2- существенно не влияет на ход процесса гидрата­ции, за исключением самой ранней стадии. Тесто, приготовленное из чистого трехкальциевого силиката С₃S (ЗСаО∙ SiO₂), схватыва­ется и твердеет в основном так же, как и тесто, изготовленное из портландцемента. Продуктами твердения теста из С₃S являются гидросиликаты кальция и Са(ОН)₂. Так же схватывается и тверде­ет тесто, приготовленное из двухкальциевого силиката С₂S(2СаО∙ SiO₂). Однако при этом образуется лишь тоберморитовый гель с небольшим содержанием Са(ОН)₂. Процесс этот продолжитель­ный, что объясняется медленным взаимодействием β -С₂S с водой. Конечная прочность теста из β -С₂S такая же, как и прочность тес­тер C₂S.

2. Вяжущие, действие которых почти полностью обусловлено образованием кристаллических продуктов. К этой группе относят­ся магнезиальные цементы и строительный гипс на основе полувод­ного гипса. Микроскопические исследования полностью затвердев­шего камня, полученного из этих материалов, показывают, что он состоит из плотно упакованной массы кристаллов. На очень ран­ней стадии схватывания этих вяжущих образуются частицы кол­лоидного и субмикроскопического размера. Однако по мере твердения они, по-видимому, замещаются более крупными кристал­лами.

3. Вяжущие, действие которых обусловлено образованием как коллоидных, так и кристаллических продуктов. Так, прочность рульфатно-шлаковых цементов в начальные сроки твердения, по-ви­димому, зависит главным образом от возникновения кристаллов эттрингита, тогда как в более поздние сроки все более важную роль играют гидросиликаты кальция. При твердении алюминатных це­ментов в нормальных условиях на прочность влияют как кристал­лические продукты — САН₁₀(СаО-А1₂0₃∙ 10Н₂О) и С₂АН₈(2САО∙ АlО₃-8Н₂О), так и коллоидный А1(ОН)₃. Существует оптимальное соотношение кристаллических и коллоидных составляющих.

Твердение может быть связано с образованием как кристаллических, так и коллоидных продуктов, либо продук­тов обоих типов. Размер частиц продуктов влияет на ряд свойств твердеющего материала. Одно из них — влажностные деформации, |т. е. объемные деформации, возникающие при изменении влажно­сти атмосферы, в которую материал помещен. При прочих равных условиях цементы, содержащие больше кристаллических гидратных новообразований, характеризуются меньшими влажностными деформациями, чем цементы, состоящие в основном из коллоидных продуктов. Предполагают, что они отличаются повышенной устой­чивостью к химическим воздействиям.

Продукты гидратации вяжущих способны срастаться, образо­вывая монолит. Связь между частицами наряду с чисто механическим упрочнением за счет формирования переплетающихся волокон и армирующим действием кристаллов, распределенных в твердеющем тесте, обеспечивается химическими силами связи, действующими по местам фазовых контактов.

Несмотря на значительные успехи в химии и технологии вяжущих веществ, до настоящего времени существуют разногласия во взглядах на процессы гидратации и гидролиза и особенно на взаимосвязь этих явлений с формированием пространственных структур в дисперсиях и соответственно синтезом прочности материалов: большинство исследователей трактуют стадию взаимодействия кристаллов с водой как топохимическую, т. е. сопровождающуюся присоединением поверхностью кристаллов молекул воды или ионов Н+ и ОН^- с образованием гидратированного слоя небольшой толщины и последующим переходом частично или пол­ностью гидратированных ионов в водный раствор. Значительный вклад в развитие топохимического механизма гидратации внесли Д. Джеффри, X. Функ, О. П. Мчедлов-Петросян, В. В. Тимашев, И. П. Выродов, Р. Кондо и др. Многие исследователи считают, что при твердении вяжущих возможны кристаллизационные и коллоидационные процессы. При этом более растворимые соединения (например, гипс) гидратируются через раствор, а малорастворимые (силикаты кальция и др.) - топохимически.

Электронно-микроскопические исследования затвердевшего цементного камня свидетельствуют, что значительная часть гидратированной цементной массы состоит из плохо закристаллизованных гидросиликатов кальция. Наряду с гидроксидом кальция наблю­даются кристаллические образования гидросульфоалюминатов, ко­торые участвуют в создании первичной кристаллической структуры. Рис. 18 иллюстрирует изменение свойств цементного камня при его гидратации. В начальныйпериод гиратации при соприкосновении частиц цемента с водой на контактной поверхности начинают идти реакция растворения кристаллов безводных минералов и результатом их протекания яв­ляется насыщение воды затворения ионами Са²+, S0₄²-, ОН-, К+, Nа+ и др.

Рис. 18. Зависимость изменения характеристик системы цемент —

вода от времени взаимодействия:

пористость (1) и прочность (2) цементного камня, содержание в системе коротковолокнистых гидросиликатов (3)и гидроксида (4) кальция С₄(А, F)Н₁₃ (5), моносульфата кальция (6) и эттрингита (7)

 

 

Увеличение содержания элементов в растворе во времени обусловлено растворением мине­ралов, а снижение их содержания вызывается вступлением их в ре­акцию друг с другом или с исход­ным вяжущим с образованием новых водосодержащих соедине­ний — кристаллогидратов. После достижения пересыщения из раст­вора кристаллизуются Са(ОН)₂ и эттрингит, образующие осадки в виде плотной корки на частичках цемента, которая затрудняет диффузию воды к негидратированной их части и замедляют тем самым процесс гидратации. На последующих стадиях процесса гидратации происходит выделение кристаллов большого числа гидратов. Усиленное образование мельчайших частиц гидросиликатов
кальция способствует дальнейшему уплотнению структуры геля,
снижению пористости камня, нарастанию его прочности.

Вопросы

1. Какие группы коллоидных вяжущих веществ вы знаете?

2. Что такое влажностные деформации?

3. О чем свидетельствует электронно-микроскопические исследования затвердевшего цементного камня?