Гидрат силиката кальция

Основной продукт гидратации портландцемента.

Гидраты силиката кальция (или CSH ) являются основными продуктами гидратации портландцемента и в первую очередь отвечают за прочность материалов на основе цемента. ^[1] Они являются основной связующей фазой ( «клеем» ) в большинстве бетонов . Только четко определенные и редкие природные кристаллические минералы могут быть сокращенно обозначены CSH, в то время как чрезвычайно изменчивые и плохо упорядоченные фазы без четко определенной стехиометрии , как это обычно наблюдается в затвердевшем цементном тесте (HCP), обозначаются CSH.

Подготовка

При добавлении воды в цемент каждое из соединений подвергается гидратации и вносит свой вклад в окончательное состояние бетона. ^[2] Только силикаты кальция повышают прочность. Силикат трикальция отвечает за большую часть ранней прочности (первые 7 дней). ^[3] Дикальцийсиликат, который реагирует медленнее, способствует только поздней прочности. Гидрат силиката кальция (также обозначаемый как CSH) является результатом реакции между силикатными фазами портландцемента и водой. Эта реакция обычно выражается как:

2 Ca ₃ SiO ₅ + 7 H ₂ O → 3 CaO · 2 SiO ₂ · 4 H ₂ O + 3 Ca(OH) ₂ + 173,6 кДж

также записывается в обозначениях химика-цементиста (CCN) как:

2 С
₃С + 7 Н → С
₃С
₂ЧАС
₄+ 3 СН + тепло

или силикат трикальция + вода → гидрат силиката кальция + гидроксид кальция + нагревание.

Стехиометрия CSH в цементном тесте непостоянна , а состояние химически и физически связанной воды в его структуре непрозрачно, поэтому между C, S и H ставится «-» ^{[4] .}

Синтетический CSH можно получить реакцией CaO и SiO ₂ в воде или методом двойного осаждения с использованием различных солей. Эти методы обеспечивают гибкость производства CSH при определенных соотношениях C/S (Ca/Si или CaO/SiO ₂ ). CSH из цементных фаз также можно обработать раствором нитрата аммония , чтобы вызвать выщелачивание кальция и, таким образом, достичь заданного соотношения C/S.

Характеристики

CSH представляет собой наноразмерный материал ^{[5] [6]} с некоторой степенью кристалличности, наблюдаемой методами дифракции рентгеновских лучей . ^[7] Базовая атомная структура CSH аналогична природному минералу тобермориту . ^[8] Он имеет слоистую геометрию со структурой листов силиката кальция, разделенных межслоевым пространством. Силикаты в CSH существуют в виде димеров, пентамеров и звеньев цепи 3n-1 ^{[9] [10]} (где n — целое число, большее 0), и обнаружено, что ионы кальция соединяют эти цепи, образуя трехмерную наноструктуру, как наблюдают с помощью динамического анализа. ядерный поляризационный поверхностно-усиленный ядерный магнитный резонанс . ^[11] Точная природа прослойки остается неизвестной. Одна из самых больших трудностей при характеристике CSH связана с его переменной стехиометрией. ^{[ нужна цитата ]}

Микрофотографии CSH, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, не показывают какой-либо конкретной кристаллической формы. Обычно они проявляются в виде фольги или фольги, ориентированной на иглы.

Синтетический CSH можно разделить на две категории, различающиеся соотношением Ca/Si примерно 1,1. Есть несколько признаков того, что химические, физические и механические характеристики CSH заметно различаются между этими двумя категориями. ^{[12] [13]}

Смотрите также

Другие минералы CSH:

• Афвиллит  - минерал несиликатных изменений, также иногда встречающийся в гидратированном цементном тесте.
• Гиролит  - редкий слоистый силикатный минерал, кристаллизующийся в сферах (редкий минерал, образовавшийся в результате гидротермальных изменений, или продукт старения в результате щелочно-кремнеземной реакции).
• Дженнит  - минерал иносиликатных изменений в метаморфизованном известняке и скарне.
• Таумазит  - сложный минерал гидрат силиката кальция.
• Тоберморит  - минерал иносиликатных изменений в метаморфизованном известняке и скарне.
• Ксонотлит  - иносиликатный минерал.

Другие минералы гидраты силиката кальция и алюминия (CASH):

• Hydrogarnet  – Алюмокальциевый гранат.
• Гидротальцит  - гидратированный многослойный двойной гидроксид Mg-Al (LDH), содержащий карбонат-анионы.
• Тахаранит  – минерал-гидрат алюмосиликата кальция ( Ca ₁₂ Al ₂ Si ₁₈ O ₃₃ (OH) ₃₆ , а также Ca ₁₂ Al ₂ Si ₁₈ O ₅₁ (OH) ₂ · 18 H ₂ O )

Механизмы образования фаз CSH:

• Щелочно-кремнеземная реакция  - химическая реакция, повреждающая бетон.
• Щелочно-агрегатная реакция  - обширная химическая реакция, повреждающая бетон.
• Энергетически модифицированный цемент  - класс цементов, механически обработанных для изменения реакционной способности.
• Пуццолановая реакция

Рекомендации

1. Ричардсон, IG (февраль 2008 г.). «Гидриды силиката кальция». Исследования цемента и бетона . 38 (2): 137–158. doi :10.1016/j.cemconres.2007.11.005. ISSN  0008-8846.
2. «Гидратация портландцемента». engr.psu.edu . Проверено 29 ноября 2022 г.
3. «Строительные материалы». indiabix.com . Проверено 29 ноября 2022 г.
4. «Гидратация портландцемента» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 15 февраля 2017 г. Проверено 21 февраля 2013 г.
5. Аллен, Эндрю Дж.; Томас, Джеффри Дж.; Дженнингс, Хэмлин М. (25 марта 2007 г.). «Состав и плотность наноразмерного силиката кальция в цементе». Природные материалы . 6 (4): 311–316. Бибкод : 2007NatMa...6..311A. дои : 10.1038/nmat1871. ПМИД  17384634.
6. Андалиби, М. Реза; Кумар, Абхишек; Шринивасан, Бхуванеш; Боуэн, Пол; Скривенер, Карен; Людвиг, Кристиан; Тестино, Андреа (2018). «О мезомасштабном механизме синтетического осаждения кальций-силикат-гидрата: подход к моделированию баланса населения». Журнал химии материалов А. 6 (2): 363–373. дои : 10.1039/C7TA08784E. ISSN  2050-7488. S2CID  103781671.
7. Реноден, Гийом; Россияс, Джули; Леру, Фабрис; Фризон, Фабьен; Кау-дит-Кум, Селин (декабрь 2009 г.). «Структурная характеристика образцов C – S – H и C – A – S – H - Часть I: Дальний порядок, исследованный с помощью анализа Ритвельда». Журнал химии твердого тела . 182 (12): 3312–3319. Бибкод : 2009JSSCh.182.3312R. дои : 10.1016/j.jssc.2009.09.026.
8. Тейлор, Гарри Ф.В. (июнь 1986 г.). «Предлагаемая структура геля гидрата силиката кальция». Журнал Американского керамического общества . 69 (6): 464–467. doi :10.1111/j.1151-2916.1986.tb07446.x.
9. Конг, Сяньдун; Киркпатрик, Р. Джеймс (апрель 1996 г.). «Исследование ЯМР 29Si и 17O структуры некоторых кристаллических гидратов силиката кальция». Современные материалы на основе цемента . 3 (3–4): 133–143. дои : 10.1016/S1065-7355(96)90045-0.
10. Брюне, Ф.; Бертани, доктор философии; Шарпантье, Теория; Нонат, А.; Вирлет, Дж. (октябрь 2004 г.). «Применение гомоядерной корреляции Si и гетероядерной H-Si ЯМР для структурных исследований гидратов силиката кальция». Журнал физической химии Б. 108 (40): 15494–15502. дои : 10.1021/jp031174g.
11. Кумар, Абхишек; Уолдер, Бреннан Дж.; Кунхи Мохамед, Аслам; Хофстеттер, Альберт; Шринивасан, Бхуванеш; Россини, Аарон Дж.; Скривенер, Карен; Эмсли, Линдон; Боуэн, Пол (7 июля 2017 г.). «Структура на атомном уровне цементного гидрата силиката кальция». Журнал физической химии C. 121 (32): 17188–17196. doi : 10.1021/acs.jpcc.7b02439.
12. «Архивная копия». Архивировано из оригинала 15 марта 2015 г. Проверено 1 июня 2013 г.{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
13. «Потенциальное применение нанотехнологий в материалах на основе цемента» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 17 февраля 2012 г. Проверено 21 февраля 2013 г.