- Quá trình ngưng kết rắn chắc của ximăng pooclăng là quá trình hồ ximăng biến thành đá ximăng. Ximăng sau khi nhào trộn với nước trải qua ba giai đoạn: giai đoạn hoà tan - giai đoạn hoá keo - giai đoạn kết tinh và tiếp theo đó là quá trình rắn chắc. Đầu tiên trong khoảng 1 ÷ 3 giờ sau khi nhào trộn nó dẻo và dễ tạo hình; sau đó nó bắt đầu ngưng kết thể hiện qua dầu hiệu hồ ximăng mất dần tính dẻo và đặc dần lại nhưng chưa có cường độ. Giai đoạn này kết thúc trong 5 ÷ 10 giờ sau khi nhào trộn. Sau đó hỗn hợp chuyển từ trạng thái đặc sệt sang trạng thái rắn chắc, có nghĩa là kết thúc ngưng kết và bắt đầu rắn chắc. Giai đoạn rắn chắc đặc trưng bằng sự tăng cường độ theo thời gian .
1. Các phản ứng thuỷ hoá:
- Khi nhào trộn ximăng với nước ở giai đoạn đầu xảy ra quá trình phản ứng thuỷ hóa giữa các khoáng trong ximăng với nước.Trong đó phản ứng của alit với nước xảy ra như sau:
Vì đã có Ca(OH)2 tách ra từ alit nên bêlit thuỷ hoá chậm hơn và tách ra ít Ca(OH)2 hơn:
2(2CaO.SiO2) + 4H2O Ư 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2 (2) C3A và C4AF cũng phản ứng với nước:
3CaO.Al2O3 + 6H2O Ư 3CaO. Al2O3.6H2O (3) 4CaO.Al2O3.Fe2O3+mH2OƯ3CaO.Al2O3.Fe2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.nH2O (4)
- Phản ứng (3) xảy ra rất nhanh và làm ximăng khô sớm. Do đó, để làm chậm quá trình ngưng kết, khi nghiền clinke cần cho thêm một lượng 3 ÷ 5% đá thạch cao đóng vai trò là chất hoạt động hoá học của ximăng, tác dụng với C3A ngay từ đầu để tạo thành sunphoaluminat tricanxit (khoáng etringit).
thạch cao
3CaO.Al2O3 + 3(CaSO4.2H2O) + 26H2O Ư 3 CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O ximăng pooclăng etringit
- Trong dung dịch bão hoà Ca(OH)2 , ngay từ đầu etringit sẽ tách ra ở dạng keo phân tán mịn đọng lại trên bề mặt 3CaO.Al2O3 làm chậm sự thuỷ hoá của nó và kéo dài thời gian ninh kết của ximăng. Ở trong môi trường có nồng độ Ca2+ nhất định, etringit sẽ không tan mà chuyển sang tinh thể dạng sợi, tạo ra cường độ ban đầu cho ximăng. Etringit có thể tích lớn gấp hai lần so với thể tích của các chất tham gia phản ứng, có tác dụng chèn lấp lỗ rỗng của đá ximăng, làm cường độ và độ ổn định của đá ximăng tăng lên.
2. Giải thích quá trình rắn chắc của ximăng:
- Khi ximăng rắn chắc, các quá trình vật lý và hoá lý phức tạp đi kèm theo các phản ứng hoá học có một ý nghĩa rất lớn và tạo ra sự biến đổi tổng hợp, khiến cho ximăng khi nhào trộn với nước, lúc đầu chỉ là hồ dẻo và sau biến thành đá cứng có cường độ. Tất cả các quá trình tác dụng tương hỗ của từng khoáng với nước để tạo ra những sản phẩm mới xảy ra đồng thời, xen kẽ và ảnh hưởng lẫn nhau. Các sản phẩm mới cũng có thể tác dụng tương hỗ với nhau và với các khoáng khác của clinke để hình thành những liên kết mới. Do đó hồ ximăng là một hệ rất phức tạp cả về cấu trúc thành phần cũng như sự biến đổi.
- Có nhiều lý luận giải thích quá trình rắn chắc của ximăng, nhưng lý luận của viện sỹ Liên Xô A.A.Baicốp và về sau được viện sỹ Liên Xô P.A.Rêbinđe bổ sung, là lý luận tương đối hoàn thiện hơn cả. Theo lý luận này, quá trình rắn chắc của ximăng chia thành 3 giai đoạn:
a. Giai đoạn hoà tan:
- Khi trộn ximăng với nước, phản ứng hoá học giữa ximăng và nước sẽ tiến hành ngay trên bề mặt hạt ximăng khô. Những sản phẩm mới sinh ra, hoà tan được trong nước như Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O sẽ lập tức hoà tan tạo thành thể dịch bao quanh mặt hạt ximăng gọi là thể keo. Còn các sản phẩm khó tan sinh ra sẽ tách ra ở dạng hạt keo phân
tán. Vì độ tan của nó không lớn và lượng nước do tham gia vào quá trình thuỷ hoá và do bay hơi một phần nên dung dịch nhanh chóng trở nên quá bão hoà.
b. Giai đoạn hoá keo:
-Trong dung dịch quá bão hoà, các lượng Ca(OH)2 và 3CaO.Al2O3.6H2O tiếp tục sinh ra (do phản ứng thuỷ hoá) không hoà tan được nữa mà tồn tại ở thể keo. Còn các sản phẩm etringit, C2SHn do phản ứng thuỷ hoá của C2S và C3S sinh ra, vốn không tan, sẽ tách ra ở dạng phân tán nhỏ trong dung dịch, tạo thành thể keo phân tán. Vì nước ngày càng ít đi (bay hơi, phản ứng thuỷ hoá với phần ximăng bên trong) mà lượng chất keo ngày càng sinh ra nhiều, tạo điều kiện cho các hạt keo phân tán tương đối nhỏ ở trên ngưng tụ lại thành những loại hạt ngưng keo tương đối lớn hơn, ở dạng sệt, làm cho ximăng mất tính dẻo và ngưng kết lại dần dần, nhưng ximăng chưa hình thành cường độ.
c. Giai đoạn kết tinh:
- Ca(OH)2 và 3CaO.Al2O3.6H2O từ thể ngưng keo chuyển dần sang dạng kết tinh, có tinh thể nhỏ đan chéo nhau, làm cho ximăng bắt đầu có cường độ. Chất C2S.Hn vẫn tồn tại ở thể keo rất lâu, sau đó mới có một bộ phận chuyển sang thành tinh thể. Do lượng nước ngày càng mất đi, thể keo và các hạt keo dần dần bị khô lại, kết chặt lại làm cho cả hệ thống hoá cứng và cường độ tăng.
- Tóm lại quá trình rắn chắc của ximăng có thể biểu diễn như sau: Ca(OH)2 và 3CaO.Al2O3.6H2O 2CaO.SiO2.nH2O
Hòa tan vào nước Không hòa tan vào nước Ngưng keo Khuếch tán ở dạng keo phân tán
Kết tinh Ngưng keo
Ximăng rắn chắc Khô
1 bộ phận
- Các giai đoạn trên tuy tách làm ba, song chúng không phải riêng lẻ mà xen kẽ nối tiếp lẫn nhau, nghĩa là khi đã xuất hiện tinh thể thì vẫn có chỗ mới bắt đầu thời kỳ thứ nhất là hoà tan. Nhờ vậy các tinh thể sau khi hình thành đan xen và cắm vào nhau tạo ra bộ khung không gian chịu lực. Ngoài hiện tượng rắn chắc trên đây, các quá trình cacbonat hoá cũng góp phần vào sự rắn chắc của ximăng.