A cement megszilárdulása – hidraulikus kötés (hidrátosodás)
Hidratációval/hidrátosodással vagy hidraulikus kötéssel általában a cement megszilárdulása jellemezhető. Ez egy bonyolult kémiai folyamat. A karbonátosodással ellentétben, ami csak levegőn zajlik le, a hidraulikus kötés víz alatt is végbemehet. A hidratáció egyszerűen fogalmazva vízfelvételt jelent. A víz beépülése során megnövekszik a sómolekula. Egy bizonyos hőmérsékleten a vízmolekulák leválhatnak. Minél kisebb ez az átalakulási hőmérséklet (amely minden egyes sófajtára specifikusan jellemző), annál nagyobb veszélynek van kitéve az építőanyag. Az átalakulási folyamat hőmérséklet-ingadozás esetén rövid időn belül többször is megismétlődhet.
A cementből egy bonyolult reakcióban kalcium-szilikáthidrát keletkezik. Ez az anyag tűszerű kristályokat képez, amelyek egymással össze tudnak fonódni. Ezt nevezik krisztallitos kötésnek. Un. cementkő keletkezik, ami finom rétegben borítja be az adalékanyagot és össze is kapcsolja a szemcséket.
A víz szerepe a kötésben
A cement megkötéséhez nélkülözhetetlen a víz, amely a kalcium-szilikát-hidrátban megkötődik. A vízre szükség van, hogy kialakulhassanak a tűszerű kristályok, amelyek nélkül a vakolat nem szilárdulhatna meg. A vízmennyiségtől függően, hosszukat és szélességüket tekintve különbözőképpen alakul a kristályok mérete. A kristályok alakja nagyban befolyásolja a vakolat megkötését és színének világosságát is.
A cement a kötés során kémiai reakcióba lép a vízzel. Ez annyit jelent, hogy klinkerállapotból hidrátállapotba kerül. Ennek során az egyes cementszemcsék szál vagy tábla formájú kristályokká alakulnak át, amelyek egymással összekapcsolódnak és végül szorosan egymásba fonódnak. A folyamat során szükség van bizonyos mennyiségű vízre, amely a reakció során elhasználódik, ezért nevezik a folyamatot hidraulikus vagy vizes kötésnek. A kötési reakcióban a hidrátformán kívül járulékosan keletkezik kalcium-hidroxid is. Ez okozza a beton korróziógátló hatását.
Kötési reakció:
A 3 és 28 nap közötti időtartományban nagyon finom kalcium-szilikát kristályok képződnek, amelyek a pórusokban maradnak vissza, és ezek felelősek a magas szilárdságért. Ez az oka, hogy a reakció ideje kb. 4 hétig tart.
Szilárdság kialakulása
A szilárdság lényegében úgy alakul ki, hogy a szilikátfázis (a di- és trikalcium-szilikát) átalakul tű vagy pálcika alakú kalcium-szilikát-hidrát kristályokká. Mivel a szilikát átalakul trikalcium-szilikát-hidráttá, és utóbbi mészben szegényebb, az átalakulással egyidejűleg kalcium-hidroxid szakad le. Ez a 20% kalcium-hidroxid, ami a kötési folyamat során keletkezik, felelős a cement erősen lúgos kémhatásáért (pH-érték > 12). Ez többi között a vas korrózióját is gátolja.
A kalcium-hidroxid teljes karbonátosodásakor lecsökken a pH-érték, és ezzel együtt megszűnik a vasalat korrózió elleni védelme is. A szén-dioxid hatására a kalcium-hidroxidból egyaránt képződik kalcium-karbonát és emellett magas víztartalmú kalcium-alumínium-karbonát is. A cement egyes klinkerfázisai igen különböző mértékben járulnak hozzá a szilárdsághoz.
Amikor a klinkerfázisban kikristályosodik a kalcium-szilikát-hidrát, erősen exoterm a folyamat. Különösen magas a trikalcium-aluminát hidratációs hője. Végül meg kell említeni azt is, hogy a trikalcium-aluminát rendkívül gyorsan reagál szulfátokkal. Az ilyenkor keletkező ettringit térfogata óriási az eredetihez képest, a változás hatására repedések jöhetnek létre. A szulfátálló cementeknek éppen ezért trikalcium-alumináttól mentesnek, vagy abban szegénynek kell lenniük.
Hidraulikus mész
A hidraulikus mész abban különbözik a cementtől, hogy nem tartalmaz trikalcium-aluminátot, csak dikalcium-aluminátot. Mivel a szilárdság legnagyobb részét a trikalcium-aluminát adja, a hidraulikus mész szilárdsága a cement szilárdságának csak egy része lehet, emellett a szilárdulási folyamat is lényegesen hosszabb időt vesz igénybe. A kötési folyamat ennek megfelelően ugyanúgy vagy hasonlóan zajlik le, mint a cementnél, annyi különbséggel, hogy a (fő) szilárdságot adó a trikalcium-aluminát komponens nincs jelen a reakcióban. Hidraulikus mész esetén is a legvégső állapot a kalcium-szilikát-hidrát.