Гидрат силиката кальция

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 придают 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
₃ С + 7 Н → С
₃3S
₂2Ч
₄ + 3 СН + тепло

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

Стехиометрия цементном CSH в . 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 — это наноразмерный материал. ^[5]^[6] с некоторой степенью кристалличности, как наблюдают методами рентгеновской дифракции . ^[7] Базовая атомная структура CSH аналогична встречающемуся в природе 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 это наблюдается с помощью с динамической ядерной поляризацией , усиленного поверхностью ядерного магнитного резонанса . ^[11] Точная природа прослойки остается неизвестной. Одна из самых больших трудностей при характеристике CSH связана с его переменной стехиометрией. ^{[ нужна ссылка ]}

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]

См. 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 гидрат 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 Са 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

Ссылки

^ Ричардсон, И.Г. (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 .
^ «Гидратация портландцемента» . engr.psu.edu . Проверено 29 ноября 2022 г.
^ «Строительные материалы» . indiabix.com . Проверено 29 ноября 2022 г.
^ «Гидратация портландцемента» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 15 февраля 2017 г. Проверено 21 февраля 2013 г.
^ 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 .
^ 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 .
^ 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 .
^ Тейлор, Гарри Ф.В. (июнь 1986 г.). «Предлагаемая структура геля гидрата силиката кальция». Журнал Американского керамического общества . 69 (6): 464–467. дои : 10.1111/j.1151-2916.1986.tb07446.x .
^ 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 .
^ Брюне, Ф.; Бертани, доктор философии; Шарпантье, Теория; Нонат, А.; Вирлет, Дж. (октябрь 2004 г.). «Применение гомоядерной корреляции Si и гетероядерной H-Si ЯМР-корреляции к структурным исследованиям гидратов силиката кальция». Журнал физической химии Б. 108 (40): 15494–15502. дои : 10.1021/jp031174g .
^ 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. дои : 10.1021/acs.jpcc.7b02439 .
^ «Архивная копия» . Архивировано из оригинала 15 марта 2015 г. Проверено 1 июня 2013 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
^ «Потенциальное применение нанотехнологий в материалах на основе цемента» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 17 февраля 2012 г. Проверено 21 февраля 2013 г.

[Richardson_2008-1] Ричардсон, И.Г. (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. дои : 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-корреляции к структурным исследованиям 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. дои : 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.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]