Растворение вяжущих веществ

11.07.2015

Между процессами растворения вяжущих веществ и твердых тел вообще, а неорганических солей в особенности, имеется много общего. И те и другие процессы многостадийны, причем в зависимости от внешних условий они могут протекать либо в диффузионной, либо в кинетической области. Следовательно, основные закономерности, описанные для подобных случаев, распространимы и на кинетику растворения вяжущих материалов.
Так же, как и при растворении любых твердых тел, гетерогенный процесс ускоряется с увеличением дисперсности материала, т. е. тонкости помола вяжущего, и с ростом температуры. Нa него можно влиять с помощью добавок, о чем подробнее будет сказано ниже.
Вяжущие материалы, как и другие неорганические соли, в растворе диссоциируют на ионы. Все вяжущие относятся к числу сравнительно малорастворимых веществ, и поэтому их следует сопоставлять с соответствующими труднорастворимыми солями, однако основные закономерности их диссоциации на ионы сходны.
Напомним, что основные составляющие портландцементного клинкера при растворении в воде диссоциируют; алит Ca3SiO5 (3CaO*SiO2, или условно C3S) и белит β-Ca2SiO4 (2СаО*SiO3, или условно β-C2S) — на ионы кальция и силикатные ионы; грех кальциевый алюминат Ca3(AlO3)2 (3СаО*Al2O3, или условно C3A) — на ионы кальция и алюминатные ионы, а четырехкальциевый алюмоферрит Са3(AlO3)2*Ca(FеO2)2 (4CaO*Al2O3*Fe2O3, или условно C4AF) — на кальций-ноны, алюминатные и ферритные ионы (естественно, что ионы в воде гидратированы в соответствии с обычной схемой их растворения).
Следовательно, обозначения клинкерных минералов в виде оксидов лишены физического смысла и носят условный характер, так как все эти вяжущие относятся к классу неорганических солей.
К аналогичному заключению мы приходим и на основании анализа других минеральных вяжущих — гипсовых, магнезиальных, глиноземистого цемента, состоящего преимущественно из низкоосновных алюминатов кальция: однокальциевого Ca(AlO2)2 (CaO*Al2O3 или условно CA), пятикальциевого трехалюмината 5СаО*3Al2O3 (C5A3), однокальциевого двухалюмината CaO*2Al2O3 (CA2) и некоторых других.
Мы не будем рассматривать здесь кристаллохимические особенности каждого из перечисленных веществ, как не будем анализировать химические основы получения вяжущих. Подчеркнем лишь, что эти процессы, осуществляемые при высокой температуре, обеспечивают получение термодинамически неустойчивых, т. е. метастабильных фаз, обусловливающих многие свойства вяжущих,
Метастабильность вяжущих веществ вносит существенные особенности в кинетику их растворения. Такие метастабильные, неустойчивые при взаимодействии с водой соединения образуют растворы, пересыщенные по отношению к конечным продуктам гидратации. Это и понятно: ведь свободная энергия системы может быть выражена через растворимость (точнее, активность) вещества с помощью следующего соотношения:
Растворение вяжущих веществ

Таким образом, условие С1>С2, где C1 — растворимость вяжущего вещества, а С2 — растворимость новообразования, означает, что свободная энергия системы уменьшается, т. е. процесс идет самопроизвольно.
Однако в условиях образования пересыщенных растворов весьма сложно экспериментальным путем определить величину C1, которая должна пониматься как максимально возможная концентрация вещества в растворе, отвечающая его равновесию с метастабильной в данных условиях твердой фазой — вяжущим материалом.
Эти трудности методического характера обусловлены тем, что одновременно с переходом вяжущего вещества в раствор идет и процесс его увода на образование гидратных соединений. Однако указанные трудности были преодолены, и растворимость метастабильный фазы С удалось измерить несколькими независимыми методами. Как видно из табл. 5, во всех случаях растворимость вяжущих превосходит растворимость термодинамически устойчивых и данных условиях новообразований.
Растворение вяжущих веществ

Из данных по растворимости метастабильного полугидрата сульфата кальция видно, что с ростом температуры она понижается. Эта же зависимость при высокой температуре, по-видимому, характерна для алита и некоторых других вяжущих веществ, что нужно учитывать при анализе процессов их гидратационного твердения.
Интересно, что скорость растворения, как и диффузионный поток при растворении вяжущих материалов, все же возрастает с температурой, хотя, как было показано ранее, значение растворимости C1 входит в числитель формулы v=D S/h (C1—Ст).
Это объясняется тем, что понижение растворимости вяжущих материалов перекрывается более значительным увеличением коэффициента диффузии D. также входящего в числитель этой формулы.
По мере растворения масса вяжущего вещества систематически убывает, превращаясь благодаря кристаллизации через раствор в гидратные новообразования высокой дисперсности. Поэтому рассмотрим основные закономерности этого обязательного при твердения вяжущих процесса, определяющего физико-механические свойства и структуру бетона.