Из различных видов сырья получают множество разнообразных вяжущих веществ, которые требуют различной технологической обработки.
Важнейшими окислами основной группы водостойких (гидравлических) вяжущих веществ, имеющих массовое применение в строительстве, являются окись кальция СаО, кремнезем Si02, глинозем А1203 и окись железа Fe203. В небольшом количестве содержится в вяжущих веществах окись магния MgO и гипс, а также щелочи Na20 и К2О.
При обжиге исходного сырья эти элементы образуют силикаты, алюминаты и ферриты, представляющие собою сложные соединения. Для цементов, полученных на основе портландцементного клинкера, основными минералами являются силикаты, для глиноземистого цемента — алюминаты.Основными минералами портландцементного клинкера, как известно, являются трехкальциевый силикат ЗСаО; Si02—алит (C3S), двухкальциевый силикат 2СаО ; Si02—белит (C2S), трехкальциевый алюминат ЗСаО ; Аl203 (С3А) и четырехкальциевый алюмоферрит 4СаО-Al203-Fe203(C4AF).В портландцементном клинкере находятся также двух- и однокальциевый ферриты 2СаО- Fe203(C2F) и СаО Fe203(CF).
В цементном клинкере помимо C4AF присутствует также новый минерал, состав которого выражается формулой: 46СаО 16А1203 7Fe263.
В наибольшем количестве в состав портландцементного клинкера входят трех- и двухкальциевый силикаты, в сумме они составляют обычно 70—80%.' Остальные 20—30% составляют прочие материалы, собирательно называемые минералами-плавнями.
В настоящее время под общим названием портландцемент подразумевается группа вяжущих, свойства которых в зависимости от содержания в клинкере тех или иных минералов меняются в широких пределах.
Для самых разнообразных по химическому составу лортландцемантных клинкеров соотношение между минералами-силикатами и минералами-плавнями сохраняется практически постоянным и составляет в среднем 75:25. К минералам-силикатам относятся трех- и двухкальциевые силикаты (C3S; <-S); к минералам-плавням относятся трехкальциевый алюминат (OA), четырехкальциевый алюмоферрит (C4AF), двух- и однокальциевый ферриты (C2F; CF). Учитывая, что в портландцементном клинкере других алюминатов по сравнению с С3А содержится относительно мало, а также и то, что ферриты обычно связаны в аллюмоферритах, в основу классификации было положено соотношение минералов-плавней С3А и C4AF.
Помимо указанных минералов, в портландцементном клинкере содержится стекловидная фаза. При этом чем быстрее идет процесс остывания клинкера, тем больше образуется в нем стекловидной фазы. Количественное определение стекла в клинкере сложно и недостаточно точно.
Свойства портландцементов изменяются в широких пределах в зависимости от минералогического состава клинкера. Так, например, высокоалюминатные портландцементы характеризуются сравнительно большой скоростью нарастания прочности с повышенным тепловыделением. Белитовые портландцементы, наоборот, сравнительно медленно твердеют с малым выделением тепла.
Условия твердения затворенного водой портландцемента характеризуются тем, что реакции протекают в присутствии воды, насыщенной Са(ОН)2. Типичными реакциями являются реакции, протекающие с присоединением воды: реакции гидратации, если присоединение воды идет без распада основного вещества, и реакции гидролиза, когда присоединение воды сопровождается распадом исходного вещества. Обе эти реакции, протекающие при твердении цемента, принято обобщенно называть гидратацией.
Скорость гидратации зерен портландцементного порошка зависит от химико-минералогического состава клинкерных зерен, их размеров, температуры твердения, величины водоцементного отношения и ряда других факторов.
Наиболее быстро гидратирующимся минералом портландцементного клинкера является трехкальциевый алюминат, за ним идет четырехкальциевый алюмоферрит, далее трехкальциевый силикат и, наконец, двухкальциевый силикат.
Не останавливаясь на последовательности развития процессов гидратации, отметим лишь, что в результате в цементном камне портландцемента образуются следующие гидраты:
при гидратации трехкальциевого силиката—Са(ОН)2 и 2СаО•Si02•nН20, при гидратации двухкальциевого силиката—2СаО•Si02•nН20.
При гидратации алюминатов возможно образование следующих гидроалюмипатов:
ЗСаО•Аl2()3•6H2 О при гидратации ЗСаО•А1203 и 5СаО•ЗА1203;
3СаО•Аl2О3•12H20 - при гидратации ЗСаО•А1203;
2СаО•Аl2О3•(7 - 9) H2О - при гидратации 5СаО•ЗА1203 [с выделением А1(ОН)3];
4CaO•А1203•12Н20 —при гидратации ЗСаО•А1203 в растворах Са(ОН)2 концентрации выше 1,08 г/л.
Из гидроалюминатов кальция наиболее устойчивым является шестиводный гидрат, который становится основным гидроалюмина-|ом этой группы при высокой температуре.
В результате гидратации четырехкальциевого алюмоферрита образуется трехкальциевый гидроалюминат и однокальциевый гидроферрит. При гидратации C4AF в насыщенных растворах Са(ОН)2 возможно повышение основности этих гидроалюминатов и гидроферритов.
Известны два основных направления, объясняющие сущность процесса формирования цементного камня
Процесс образования портландцементного камня объясняется тем, что клинкерные соединения обладают в воде большей растворимостью,бчем продукты их гидратации. Поэтому негидратированные минералы постепенно превращаются в менее растворимые и, следовательно, устойчивые продукты гидратации. Второе основное положение той теории сводится к тому, что продукты реакции выделяются в виде опутанных игольчатых кристаллов, образующих так называемый кристаллический сросток. Это и придает затвердевшей массе высокую прочность.
Причиной твердения портландцемента считал образование студней-гелей, получающихся в результате гидратации зерен портландцемента. С течением времени рыхлые и неплотные гели становятся все более и более плотными, отчасти в результате высыхания, а главным образом вследствие так называемого «внутреннего отсасывания», заключающегося в том, что еще нетронутые, более глубокие слои клинкерных зерен продолжают гидратироваться за счет присоединения воды, «отсасываемой» из ранее образовавшихся масс геля.
Рассмотренные теории не объясняют процессов твердения всех нижущих веществ, твердеющих с присоединением воды.