Добавки - регуляторы процесса твердения портландцемента

Как уже отмечалось, в состав готового портландцемента входят:

1. обязательная добавка - гипс, вносимая с целью предотвращения раннего схватывания цементного теста.

2. Для регулирования сроков схватывания и твердения цемента используется:

А) неорганические добавки

Б) органические добавки.

К группе А таких добавок относятся добавки - ускорители схватывания и твердения (или только схватывания) цементного теста. Наиболее эффективной, доступной и широко применяемой вплоть до последнего времени добавкой этого типа является хлорид_кальция, вводимый в цемент, как правило, в виде кристаллогидрата СаС1₂·6Н₂О. Два процента этой добавки (от массы цемента) сокращают время начала схватывания в среднем в три раза и повышают суточную прочность продукта твердения на сжатие в два раза.

Химизм воздействия СаС1₂ на процессы твердения цемента весьма сложен и до конца еще не изучен. Предполагается, что основной механизм воздействия является коллоидно-химическим и связан с эффективным высаливающим действием ионов Са²⁺ и Сl^- на гидрофильный коллоидный раствор (гидрозоль) гидросиликатов кальция путем отнятия молекул воды от гидратных оболочек коллоидных частиц, что приводит к разрушению оболочек и к коагуляции гидрозоля. В итоге присутствие хлорида кальция приводит к ускорению стадии коллоидации. Таким же образом в принципе могут действовать и другие растворимые соли, не включающие анион, осаждающий кальция из раствора. Их ускоряющее действие на твердение цемента можно приблизительно оценить по следующим рядам катионов и анионов, расположенных по убывающей эффективности: Са²⁺ > Ва²⁺ > Li⁺ > К⁺ >Na⁺ и Сl^- > Вr^- > I^- > NО₃^-. Видно, что любые возможные комбинации этих ионов дают ускорители либо менее эффективные (NaCl, KC1), либо значительно более дорогие (СаВr₂), чем хлорид кальция.

Ускоряющее действие СаС1₂ проявляется и на стадии собственно твердения (кристаллизации) в более быстром нарастании прочности цементного камня. Здесь вероятный механизм воздействия связан с некоторым снижением рН раствора из-за частичного гидролиза СаС1₂ по первой стадии (хотя Са(ОН)₂ является и сильным основанием, его константа диссоциации по второй ступени, равная 4,3·10², близка к соответствующим величинам для электролитов средней силы: Са²⁺ + Н₂О = Са(ОН)⁺ + Н⁺

Степень гидролиза дополнительно увеличивается избытком щелочи - гидроксида кальция - в растворе. Происходящее в результате уменьшение щелочности раствора (снижение величины рН) приводит к сдвигу равновесия поликонденсации силикат-анионов в прямом направлении, в сторону дополнительной поликонденсации и, таким образом, к росту средней степени полимеризации гидросиликатных новообразований и к увеличению суммарной прочности камня.

Существенным недостатком хлорида кальция является его сильное корродирующее воздействие на стальную арматуру железобетона (ион Сl^- -сильный ускоритель коррозии железа), и поэтому во многих странах он запрещен к использованию в составе цемента, идущего для производства железобетонных изделий. Вместо него иногда используют формиат кальция Са[ОС(O)Н]₂, но он значительно дороже хлорида.

Другой достаточно часто применяемый ускоритель схватывания - это сода Na₂CО₃, действующая путем осаждения ионов Са²⁺ из раствора в виде карбоната: Са²⁺ + CO₃^2- = СаСО₃

В результате раствор обедняется катионами кальция и интенсифицируется процесс растворения зерен минералов клинкера (стадия насыщения). Аналогичное действие на цементное тесто оказывают поташ К₂СО₃, фторид натрия NaF, жидкое стекло и щавелевая кислота [НОС(O)]₂, осаждающие кальций в виде соответственно карбоната, фторида, силиката и оксалата.

Наконец, весьма распространенной является практика приготовления быстротвердеющих цементов путем добавления к портландцементу активной минеральной (пуццолановой) добавки, которая быстро связывает (по реакции образующийся при гидролизе алита гидроксид кальция. Если в состав добавки входит много алюмосиликатов (зола-унос, пемза, туф и др.), реакция ее с Са(ОН)₂ приводит к образованию, кроме гидросиликатов, также и различных гидроалюминатов и гидроалюмосиликатов кальция, например гидрогеленита 2CaO·Al₂О₃·SiО₂·8H₂О. В результате снижения величины рН раствора происходит интенсификация процессов роста гидросиликатных новообразований с повышенной степенью полимеризации кремнекислородных анионов.