Затвердевание цемента изучено при помощи рентгена

Бетон создаётся из песка, гравия, специальных добавок, воды и цементного порошка. В свою очередь, используемый в подавляющем большинстве случаев портландский цемент сам является сложной смесью мелко перетёртого известняка, глины, песка и железной руды и состоит в основном из силикатов кальция с небольшими включениями алюминиевых и железных соединений (например, сульфатов этих элементов). При добавлении воды между компонентами цемента начинается химическое взаимодействие, в конечном счете отвечающее за затвердевание. По окончании процесса цемент остаётся твердым и стабильным даже под водой.

Своей невероятной устойчивостью бетон обязан кристаллоподобным иголкам, образующимся в процессе затвердевания. Для оптимизации его свойств используются различные добавки. В их числе — суперпластификаторы на основе поликарбоксилатов, которые улучшают текучесть фундаментного бетона, позволяя переливать его намного легче. При применении этой добавки содержание воды может быть уменьшено, что улучшает предел прочности бетона при сдавливании.

Считается, что самой важной для всей последующей жизни материала является реакция, протекающая на начальном этапе отвердительного процесса — реакция взаимодействия между алюминатом кальция с сульфат-ионом с образованием эттрингита. Используя рентгеновскую дифракцию высокого разрешения, немецкие исследователи смогли проследить этот процесс в миллисекундном масштабе. Отклонение рентгеновских лучей при прохождении сквозь материал обеспечило учёных информацией о начавших своё формирование кристаллах и их структуре.

В ходе наблюдений исследователям удалось прояснить функцию суперпластификатора (РСЕ). Сразу поле добавления воды к цементу он адсорбируется на поверхности алюмината кальция. Затем РСЕ постепенно замещается сульфатными ионами, что в сумме замедляет начало кристаллизации эттрингита. Таким образом, в системе образуется больше свободной воды, способной растворить больше кристаллических компонентов, и в результате бетон способен оставаться жидким долгое время и быть более плотным.

Результаты работы ученых приведены в статье, опубликованной в журнале Angewandte Chemie.