Основні закономірності кінетики кристалізації нової фази з пересичених розчинів і фазовий склад цементного каменю

В ідеалізованому випадку процеси кристалізації складаються з послідовно елементарних актів виникнення зародків нової фази і їхнього росту.

Теорія виникнення зародків кристалізації дана в працях Гіббса, Фольнера, Френкеля та ін. учених. У її основі лежить положення про те, що до досягнення речовиною якогось розміру, що кристалізується, яка є критичною, тому що має надлишкову вільну енергію і тому знову розпадається на складові його молекули чи іони. Критичний радіус зародка V* може бути обчислений за формулою Томсона-Кельвіна (8.2):

(8.2)

де: С ∞ – розчинність нескінченно великого кристала речовини; C_r – розчинність зародка критичних розмірів (C_r > С_∞); σ–питома міжфазна енергія; М – молекулярна маса; – щільність – молекулярний об’єм речовини); R – газова постійна; Т – абсолютна температура.

До складу цементного каменю входять гідросилікати кальцію – основні носії його міцності і довговічності; волокнисті тоберморитоподобні фази – низькоосновні і більш високоосновні сполуки загального складу:

5СаО×6SiО₂×5H₂O; СаО×SiО₂×H₂O; 3СаО×SiО₂×3H₂O, а також гідросилікати з відношенням СаО: SiО₂=1,7–2.

Тоберморитоподобні гідросилікати кальцію утворюються при температурі приблизно до 100 °С і характеризуються тим, що їх ріст відбувається тільки в одному напрямку в довжину, тоді як середня товщина волокон зберігається без змін і не перевищує приблизно 10^–8м.

Для аліту при його гідратації, крім того, характерне утворення гідроксиду кальцію за схемою (8.8):

2×(3СаО·SiО₂) + 6H₂O → 3СаО·2SiО₂·3H₂O + 3 Са(ОН)₂ (8.8)

Причому гідроксид кальцію при розчиненні аліту також сприяє значному пересиченню.

У результаті реакції гіпсу (обов'язково присутнього в цементі в кількості 3-5%) з алюміній – і залізовмісними фазами цементного клінкеру при температурі до 100°С спочатку утвориться високосульфатна форма гідросульфоалюмінату (і відповідно гідросульфоалюмофериту) кальцію (8.9):

3СаО×Al₂O₃ + 3СаSО₄ + 30H₂O → 3СаО×Al₂O₃×3СаSО₄×30H₂O (8.9)

Гілкоподібні кристали переплітаються між собою. При високій температурі швидко, а при недостачі гіпсу і нормальній температурі високосульфатна форма гідросульфоалюмінату кальцію може перейти в низькосульфатну (8.10):

3СаО×Al₂O₃×3СаSО₄×30H₂O + 2×(3СаО×Al₂O₃) + 6H₂O =

3(3СаО×Al₂O₃ ∙ СаSО₄×12H₂O) (8.10)

Крім того, у цементному камені можуть міститися інші різновиди гідроалюмінатів кальцію у формі пластин, кубів і октаедрів, а також високодисперсні гідроферити кальцію, наприклад Са (FeO₂)₂×Н₂O.