О взаимодействии частиц цемента с водой или вариант механизма процессов гидратации и твердения цемента

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью углубления теоретических представлений о механизме взаимодействия цемента с водой с целью более эффективного использования портландцемента. Цель исследования: определить поведение системы цемент-вода при гидратации и твердении с помощью микрокалориметра новой конструкции. Объект исследования: портландцемент ЦЕМ 1 42,5 Б (М500 Д0). Методы исследования: термодинамический анализ системы цемент-вода на основе уравнения Гиббса, являющегося объединённым выражением первого и второго законов термодинамики; калориметрические исследования системы цемент-вода с использованием оригинальной конструкции дифференциального микрокалориметра; магнитодинамический метод контроля акустических колебаний в системе цемент-вода. Результаты исследования. Показана возможность использования основного закона термодинамики при выявлении механизма процессов гидратации и твердения цемента. Установлено, что тепло, выделяемое цементом при гидратации, расходуется на диспергирование частиц цемента до наноразмерного состояния. Основная роль в процессе диспергирования принадлежит поверхностному и приповерхностному протонированию минеральных частиц цемента. Формирование структуры цементного камня начинается с момента объединения наноразмерных частиц в процессе их объединения и перехода в более плотное состояние, в результате чего в твердеющей системе появляется свободный объём и свободная выделенная вода, которая вступает во взаимодействие с негидратированной поверхностью зёрен цемента и такой цикл взаимодействия цемента с водой повторяется в течение всего длительного периода твердения цемента и формирования структуры цементного камня. Диспергирование частиц цемента сопровождается акустическими колебаниями в системе частотой от 3-100 Гц до 20 кГц с интенсивностью низкочастотных колебаний в диапазоне 3-10 децибел. Различные периоды гидратации сопровождаются колебаниями различной интенсивности.

The relevance of the research is caused by the necessity to deepen theoretical conceptions about the mechanism of cement water interaction for more efficient use of Portland cement. The aim of the study is to determine the behavior of the cement-water system during hydration and hardening with microcalorimetry new design. Object: Portland cement CEM 1 42,5 B (M500 D0). Methods: thermodynamic analysis of the cement-water system based on Gibbs equation, which is the combined expression of the first and the second laws of thermodynamics; calorimetric studies of the cement-water system with the original design of the differential microcalorimeter; magnetodynamic method of monitoring acoustic waves in the cement-water system. The results of the research. The paper demonstrates the possibility of using the basic law of thermodynamics in identifying the mechanism of cement hydration and hardening. It was found that the heat generated by cement hydration is consumed on dispersion of cement particles to nanoscale state. The surface and near-surface protonation of cement mineral particles play the main role in dispersing. Formation of cement stone structure begins with the unification of nanoscale particles in their recrystallization and transition to denser condition. This results in occurrence of free volume and free water in hardening system. Free water interacts with not hydrated surface of cement grains. This cement water interaction cycle is repeated throughout a long period of cement hardening and formation of cement stone structure. The dispersion of cement particles is accompanied by acoustic oscillations in the system frequency from 3-100 Hz to 20 kHz with intensity of low frequency oscillations of 3-10 decibels. Different periods of hydration are accompanied by vibrations of different intensity.