Трехкальциевый гидроалюминат и действие гипса.

В большинстве цементов С3А присутствует в сравнительно небольшом количестве, однако его поведение и структурные связи с другими фазами в цементе представляют определенный интерес. Трехкальциевый гидроалюминат образует призматические кристаллы темноокрашенного вещества, вероятно представляющие твердый раствор с другими соединениями, а часто в виде плоских пластинок, окруженных гидросиликатами кальция.

Реакция С3А с водой проходит очень бурно и приводит к немедленному загустеванию теста, известному как ложное схватывание. Для предотвращения этого явления в цементный клинкер добавляют гипс (CaS04-2H20). Гипс и С3А взаимодействуют между собой с образованием нерастворимого гидросульфоалюмината кальция (ЗСаО-А1203-•3CaS04-31H20), но со временем образуется трехкальциевый гидроалюминат. Вероятно, что этому предшествует образование метастабильного соединения 3CaO-Al203-CaS04- 12Н20 за счет исходной высокосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция. По мере перехода С3А в раствор состав изменяется — содержание сульфатов уменьшается непрерывно. Скорость реакции алюминатов довольно высокая, поэтому если это изменение в составе происходит недостаточно быстро, то возможна непосредственная гидратация С3А. В частности, наблюдаемая обычно максимальная скорость тепловыделения в течение 5 мин после добавления воды к цементу означает, что некоторое количество гидроалюмината кальция образуется в тот период, когда условия для замедления гипсом еще не установились.

Устойчивая форма гидроалюмината кальция, образованная в итоге в цементном камне, вероятно, представляет собой кубические кристаллы С3АН6, но возможно, что гексагональный C4AHi2 выкристаллизовывается первым и позже приобретает кубическую форму. Таким образом, окончательную реакцию можно представить в следующем виде: С3А + 6Н-*-^С3АНб.

Стехиометрические соотношения показывают, что 100 частей С3А реагируют с 40 частями воды (по весу). Это намного больше количества воды, требуемой для гидратации силикатов.

Содержание С3А в цементе нежелательно: его роль в прочности цементного камня незначительна, за исключением прочности в раннем возрасте; в то же время при воздействии сульфатов на цементный камень расширение вследствие образования гидросульфоалюмината кальция из С3А может привести к разрушению цементного камня. Однако С3А необходим при обжиге цементного клинкера. Он действует как плавень — понижает температуру обжига, что содействует соединению окиси кальция и кремнезема при более низких температурах. Поэтому С3А необходим в процессе производства цемента. C4AF является также минералом-плавнем. Следует заметить, что если не будет образовываться некоторого количества жидкой фазы при обжиге, то реакции в печи будут протекать намного медленнее и возможно не пройдут полностью.

Гипс реагирует не только с С3А; с C4AF он образует сульфоферрит, а также сульфоалюминат кальция. Присутствие гипса может способствовать ускорению гидратации силикатов.

Количество гипса, добавляемого в цементный клинкер, необходимо тщательно контролировать, так как избыток гипса приводит к расширению и последующему разрушению цементного камня. Оптимальное содержание гипса определяется на основе наблюдений за теплотой гидратации. Обычно за мгновенным максимумом скорости тепловыделения следует второй максимум спустя 4—8 ч после добавления воды к цементу. При правильно выбранном количестве гипса, после того как весь гипс будет связан, останется лишь небольшое количество С3А, способного участвовать в реакциях. В результате второго максимума на кривой тепловыделения не возникает.

Требуемое количество гипса увеличивается при повышении содержания С3А и щелочей в цементе. Увеличение тонкости помола цемента оказывает то же влияние, что и возрастание количества С3А, поэтому оно требует повышенного содержания гипса.
Количество вводимого в цементный клинкер гипса обычно выражается в расчете на БОз по весу. По стандарту BS 12: 1958 максимальное содержание S03 2,5% при содержании С3А не более 7 и 3% при содержании С3А более 7% *.