МЕХАНИЗМ И СХЕМЫ ТВЕРДЕНИЯ ЦЕМЕНТА
Почти столетний период развития исследований по механизму твердения вяжущих веществ не предопределил преимуществ сквозьрастворной теории Ле-Шателье или коллоидной теории Михаэлиса. Впоследствии эти две классические теории развивались и дополнялись различными исследованиями, были сделаны попытки синтезировать топохимическую и сквозьрастворимую схемы твердения. Но несмотря на определенные успехи в исследовании различных аспектов твердения, единая и общепризнанная теория еще не разработана.
До сих пор не выявлена истинная природа сил, приводящих к упрочнению структуры и синтезу прочности цементного камня. Исследователями отмечаются два типа когезионных связей, формирующих прочность цементного камня. Связи первого типа обусловливаются физическим притяжением полярных продуктов, образующихся в процессе гидратации, ван-дер-ваальсовыми силами. По мере дальнейшего твердения при срастании новообразований и уменьшении их удельной поверхности прочность увеличивается за счет сильных химических связей, несмотря на деструктивные процессы, проявляющиеся при перекристаллизации первоначально сформированного каркаса.
Топохимическая схема твердения развита в работах Н. Н. Ахвердова, И. П. Выродова, В. Ф. Журарлева, М. И. Стрелкова, В. С. Шестоперова и других. По их мнению, на поверхности исходных частиц вяжущего при соприкосновении с жидкой средой происходит образование гидратов от начала и до конца взаимодействия сред. В результате диссоциации новообразований происходит процесс перегонки через гомогенную фазу термодинамически неустойчивых образований. Отмечается, что этот процесс протекает ие только на поверхности вяжущего, но и внутри объема.
Другая группа ученых — Ю. М. Бутт, О. П. Мчедлов-Петросян, П. А. Ребиндер, Е. Е. Сегалова, Б. В. Ратинов, А. Ф. Полак и др. придерживались сквозьрастворной схемы твердения, заключающейся в том, что исходные вяжущие вешества гидролизуются, образуя перенасыщенные относительно гидратных новообразований растворы, из которых, вследствие меньшей растворимости, кристаллизуются высокодисперсные продукты гидратации.
Многие исследователи считают, что твердение вяжущих материалов протекает по смешанному механизму. А. А. Байков объяснял твердение цемента совокупностью коллоидных и кристаллизационных процессов. По этой схеме продукты гидратации первоначально находятся в коллоидном состоянии, а затем происходит их перекресталлизация, А. В. Волженский, Т. В. Кузнецова, А. А. Пащенко, В. В. Тимашев указывают, что гидратация может происходить как в твердой фазе, так и путем растворения. Согласно термодинамическим расчетам (А. Ф. Полак) гидратация C3S и Р-C3S должна протекать сначала по сквозьрастворному, а затем — топохимическому механизму; по А. М. Невиллю и В. В. Капранову — это отражает две стороны одного процесса.
Растворение вяжущего вещества М. М. Сычев [1] рассматривает как одну из составляющих процесса гидратообразования. Автором развивается направление, учитывающее энергетическое взаимодействие в вяжущих системах при гидратации. По этой схеме структура твердения создается за счет проявления в «стесненных условиях» сил различной природы (поляризации в структуре воды, образований дипольных частиц дисперсной фазы, снижения диэлектрической постоянной дисперсионной полярной среды). По предложенной модели причина нарастания прочности заключается в переходе адгезионных контактов электромагнитной и электростатической природы в криста члизационные валентной природы.
При гидратации цемента, как считает Л. Г. Шпынова, происходит вынос в жидкую фазу части вещества, сопровождающийся образованием двух типов структур: внутреннего ритма, состоящего из гидросиликатов кальция, и внешнего, представленного в основном гидроксидом кальция [2]. На 7 и 8 Международных конгрессах по химии цемента (1480, 1986 г.) был подведеи итог проведенным в последнее время исследованиям [3,4] . В обобщающем докладе Я. Скальны и Дж. Ф. Янга [3] предложен следуюший механизм гидратации цемента.
На начальной стадии взаимодействия цемента с водой затворения на активных участках поверхности происходит процесс гидролиза с выходом в жидкую фазу. В результате на частичках вяжущего образуется поверхностный слой, представленный группировками силикатных ионов. В конце индукционного периода под действием осмотического давления происходит разрыв поверхностной пленки. Гидраты образуются как внутри частиц (внутренний CSH), так и на поверхности. Структура внутреннего и внешнего гидрата существенно различается.
X. Ф. У. Тейлором были пересмотрены фундаментальные данные о структуре и составе гидратов и установлено [5], что продуктами гидратации цемента является практически аморфная форма CSH, Са (0H)2, а также малые количества кристаллических фаз гексагональной структуры (гидросульфоалюминаты кальция) и фаза типа эттрннгита. Существовавшая ранее идея о сходстве CSH и тоберморита не подтвердилась. Приведенные сведения о твердении вяжущих материалов указывают на сложность и многогранность протекающих процессов, что ие позволяет в настоящее время разработать единую теорию твердения.