Τεχνολογία

ΥΔΡΑΥΛΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΣΙΜΕΝΤΟΥ

Το τσιμέντο που σήμερα αποτελεί το ευρύτερα χρησιμοποιούμενο υλικό στη δομική βιομηχανία, ανήκει στην κατηγορία των υδραυλικών υλικών, τα οποία σε λεπτόκοκκο διαμερισμό είναι ικανά να πήζουν και να σκληραίνονται, μετά από ανάμειξη με νερό, δίνοντας ένα στερεό προϊόν.

Η ανάμειξη του τσιμέντου με το νερό δίνει αρχικά ένα πολτό (πάστα), πλαστικό και κατεργάσιμο, ο οποίος διατηρεί αυτά τα χαρακτηριστικά για μια λανθάνουσα περίοδο.

Στο τέλος αυτής της περιόδου, ο πολτός παρ΄ όλο που είναι ακόμα μαλακός δεν είναι πια κατεργάσιμος (αρχικό πήξιμο). Ακολουθεί μια περίοδος που ο πολτός πήζει και εμφανίζεται σαν ένα δύσκαμπτο στερεό (τελικό πήξιμο), που είναι γνωστό σαν σκληρυνόμενος τσιμεντοπολτός, ο οποίος με την πάροδο του χρόνου συνεχίζει να σκληραίνει και να αναπτύσσει αντοχές (σκλήρυνση).

Το πήξιμο και η σκλήρυνση είναι αποτέλεσμα της ενυδάτωσης των συστατικών του τσιμέντου. Η ενυδάτωση του τσιμέντου είναι μια διαδικασία, που συνοδεύεται από έκλυση θερμότητας και περιλαμβάνει ένα σύνολο χημικών και φυσικοχημικών μεταβολών. Είναι μια λειτουργία περισσότερο περίπλοκη από την απλή μετατροπή άνυδρων ενώσεων στις αντίστοιχες ενυδατωμένες, η οποία πραγματοποιείται είτε με ένα μηχανισμό μέσω διαλύματος, είτε με μηχανισμό απ΄ ευθείας τοποχημικών αντιδράσεων στερεάς κατάστασης.

Σύμφωνα με τον πρώτο μηχανισμό τα αντιδρώντα διαλύονται ή υδρολύονται και δίνουν ιόντα σε διάλυμα, τα οποία συνενώνονται σχηματίζοντας άλλα προϊόντα, τα οποία καταβυθίζονται. Στον δεύτερο μηχανισμό οι αντιδράσεις πραγματοποιούνται απ ΄ευθείας στην επιφάνεια του στερεού, χωρίς τα συστατικά να μεταφερθούν στο διάλυμα. Κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου είναι πιθανόν να συμβαίνουν και οι δύο μηχανισμοί, κυρίως όμως στα πρώτα στάδια επικρατεί ο μηχανισμός μέσω διαλύματος και στα επόμενα ο μηχανισμός των τοποχημικών αντιδράσεων στερεάς κατάστασης.

Επειδή το τσιμέντο αποτελείται από διαφορετικά συστατικά, με συνέπεια την πραγματοποίηση ταυτόχρονων αντιδράσεων κατά την ενυδάτωσή του, συνηθίζεται να εξετάζεται ανεξάρτητα η ενυδάτωση των επιμέρους συστατικών του:

1. Πυριτικό τριασβέστιο - C3S
2. Πυριτικό διασβέστιο - C2S
3. Αργιλικό τριασβέστιο - C3A
4. Αργιλοσιδηρικό τετρασβέστιο





1. Πυριτικό τριασβέστιο - C3S


Το πυριτικό τριασβέστιο είναι το κυριότερο συστατικό του κλίνκερ και αυτό που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την πορεία της πήξης και της σκλήρυνσης. Δεν έχει σταθερή σύσταση και δραστικότητα σε όλα τα τσιμέντα, καθώς κατά τον σχηματισμό του ενσωματώνει στο πλέγμα του και άλλα ιόντα, δίνοντας ένα στερεό διάλυμα που ονομάζεται αλίτης. Το προϊόν της ενυδάτωσης σε θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι μια άμορφη φάση, το ένυδρο πυριτικό ασβέστιο ο σχηματισμός του οποίου μπορεί να αποδοθεί ως εξής:

2C3S + 6 H2O --> C3S2H3 + 3 Ca(OH)2

Το υδροξείδιο του ασβεστίου Ca(OH)2 είναι υπεύθυνο για την αλκαλικότητα του πολτού (pΗ=12.5) και συνεπώς την προστασία που αυτή προσφέρει στον σιδηροπλισμό του σκυροδέματος.

Το πυριτικό τριασβέστιο προσδίδει στο τσιμέντο πρώιμες και μακροχρόνιες αντοχές.

2. Πυριτικό διασβέστιο - C2S

Η δραστικότητα του πυριτικού διασβεστίου είναι μικρότερη σε σχέση με αυτή του πυριτικού τριασβεστίου, ενώ από τις υπάρχουσες μορφές του η β- C 2 S , που καλείται μπελίτης είναι η πλέον σημαντική. Η μορφή αυτή είναι μετασταθής σε όλες τις θερμοκρασίες αλλά με την είσοδο ξένων ιόντων στο πλέγμα επιτυγχάνεται σταθεροποίηση της σε θερμοκρασία περιβάλλοντος.

Η ενυδάτωση του πυριτικού διασβεστίου μπορεί να αποδοθεί ως εξής:

C2S + 4 H2O --> C3S2H3 + Ca(OH)2

Τα προϊόντα ενυδάτωσης είναι παρόμοια με αυτά του πυριτικού τριασβεστίου με μόνη διαφορά τα μικρότερα ποσοστά υδροξειδίου του ασβεστίου Ca(OH)2.

Το πυριτικό διασβέστιο προσδίδει στο τσιμέντο μακροχρόνιες αντοχές.

3. Αργιλικό τριασβέστιο - C3A

Η αντίδραση του αργιλικού τριασβεστίου με το νερό θα ήταν ταχύτατη και θα προκαλούσε γρήγορο πήξιμο όλου του τσιμέντου, όμως λόγω της γύψου που υπάρχει στο τσιμέντο ενυδατώνεται διαφορετικά από το καθαρό συστατικό. Η αντίδραση του αργιλικού τριασβεστίου με τη γύψο δίνει βελονοειδείς κρυστάλλους ενός ένυδρου θειϊκού αργιλικού τριασβεστίου που ονομάζεται εττριγγίτης.

C3A + 3CaSO4.2H2O + 26 H2O --> C6AS3H32

Η επιβραδυντική επίδραση της γύψου αποδίδεται στο σχηματισμό μιας στοιβάδας εττριγγίτη πάνω στην επιφάνεια των κόκκων του αργιλικού τριασβεστίου, η οποία καθυστερεί την ενυδάτωσή του, με αποτέλεσμα το πήξιμο του τσιμέντου να εξαρτάται κύρια από την ενυδάτωση του πυριτικού τριασβεστίου. Όταν καταναλωθεί η γύψος πραγματοποιείται η αντίδραση του C3A με τον εττριγγίτη και παράγεται μονοθεϊικό ενυδατωμένο άλας ενώ παράλληλα επιτυγχάνεται αύξηση του ρυθμού της ενυδάτωσης.

2C3A + C6AS3H32 + 4 H2O --> 3 C4ASH12

Σε θερμοκρασία περιβάλλοντος η ενυδάτωση του αργιλικού τριασβεστίου μπορεί να ολοκληρωθεί μετά από διάστημα αρκετών μηνών.

Το αργιλικό τριασβέστιο προσδίδει στο τσιμέντο πρώιμες αντοχές.

4. Αργιλοσιδηρικό τετρασβέστιο

Η ενυδάτωση της φάσης του φερρίτη επιβραδύνεται σημαντικά παρουσία γύψου και παριστάνεται κατά προσέγγιση με την αντίδραση:

C4AF + CaSO4.2H2O + Ca(OH)2 --> C3(AF).3CaSO4 (aq)

Το στερεό διάλυμα που προέκυψε με την εξάντληση των θειϊκών μετατρέπεται σε

C3(AF).CaSO4 (aq) και C3(AF).Ca(SO4(OH)2) (aq)

Γενικότερα με την προσθήκη νερού στο τσιμέντο τα συστατικά του ενυδατώνονται κυρίως προς ένυδρο πυριτικό ασβέστιο (CSH gel) και υδροξείδιο του ασβεστίου Ca(OH)2 , με τα υπόλοιπα προϊόντα να είναι αργιλικά και φερρίτες.

Η πορεία της ενυδάτωσης επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, οι κυριότεροι των οποίων είναι:

Α. Ηλικία

Η ταχύτητα ενυδάτωσης αρχικά είναι μέγιστη και βαθμιαία μειώνεται με το χρόνο, ώσπου να σταματήσει εντελώς.

Β. Σύσταση τσιμέντου
Στα πρώτα στάδια η ταχύτητα ενυδάτωσης είναι μεγαλύτερη σε τσιμέντα πλούσια σε C3S και C3Α, ενώ αργότερα η ενυδάτωση πραγματοποιείται με ίσες ταχύτητες.

Γ. Λεπτότητα
Ο τελικός βαθμός ενυδάτωσης δεν επηρεάζεται, όμως στα πρώτα στάδια αυξάνεται με την λεπτότητα.

Δ. Λόγος Ν/Τ

Αρχικά δεν επηρεάζει την ταχύτητα ενυδάτωσης, αλλά όσο μικρότερος είναι ο λόγος Ν/Τ τόσο πιο σύντομα αρχίζει να ελαττώνεται. Άρα ο τελικός βαθμός ενυδάτωσης μειώνεται με τη μείωση του λόγου Ν/Τ.

Ε. Θερμοκρασία
Η ταχύτητα ενυδάτωσης αρχικά αυξάνει με τη θερμοκρασία του τσιμεντοπολτού, χωρίς όμως να επηρεάζεται ο τελικός βαθμός ενυδάτωσης.

ΣΤ. Πρόσμικτα
Υπάρχουν υλικά που επιβραδύνουν την ενυδάτωση (σάκχαρα, λιγνοσουλφονικό οξύ κ.α.), και άλλα που την επιταχύνουν (χλωριούχο ασβέστιο κ.α.).