Hydration and structuring of cement paste

Abstract

This course provides a comprehensive overview of the physico-chemical mechanisms governing the hydration and microstructure of Portland cement pastes. It begins with clinker mineral formation, detailing the four main anhydrous phases (C₃S alite 45–65 %, C₂S belite 15–35 %, C₃A 4–14 %, C₄AF 10–18 %), their chemical composition via oxide analysis and Bogue calculations or X-ray diffraction, and the role of gypsum in controlling setting. The hydrated paste microstructure is then examined, highlighting dominant solid phases—C-S-H gel (50–60 % volume), portlandite (20–25 %), sulfoaluminates, and residual clinker— alongside voids (interlayer/gel pores, capillary pores 10 nm–5 µm, air voids) and four water types (capillary, adsorbed, interstitial, chemically bound). Hydration proceeds in four stages (initial dissolution, dormancy, acceleration with portlandite/C-S-H formation, slowdown via diffusion), with phase-specific reactions for C₃S, C₂S, C₃A (ettringite to monosulfoaluminate via gypsum), and C₄AF, influenced by composition, fineness, W/C ratio, temperature, and admixtures. Accompanying phenomena include electrical conductivity evolution, Vicat setting times, exothermic heat release (dominated by C₃S and C₃A), and Le Châtelier chemical shrinkage leading to endogenous shrinkage and self-desiccation. Overall, the material emphasizes how these processes control strength development, rheology, and long-term durability of cementitious systems. تقدم هذه الدروس نظرة عامة شاملة على الآليات الفيزيائية والكيميائية التي تحكم عملية الترطيب والبنية المجهرية لمعاجين الأسمنت البورتلاندي. تبدأ الدورة بتكوين معدن الكلنكر، مع تفصيل المراحل الأربع C₄AF 10– ،C₃A 4–14٪ ،C₂S belite 15–35٪ ، C₃S alite 45-65٪)الرئيسية غير المائية ٪ ،)18وتركيبها الكيميائي من خلال تحليل الأكسيد وحسابات بوغ أو حيود الأشعة السينية، ودور الجبس في التحكم في التصلب. ثم يتم فحص البنية المجهرية للمعجون المائي، مع تسليط الضوء على المراحل الصلبة السائدة — هلام ٪60–50( C-S-Hمن الحجم)، البورتلانديت ( ،)٪25–20والسلفو ألومينات، والكلنكر المتبقي — إلى جانب الفراغات (مسام بين الطبقات/مسام الهلام، مسام شعرية 10نانومتر–5 ميكرومتر، فراغات هوائية) وأربعة أنواع من الماء (شعري، ممتص، بين الخلايا، مرتبط كيميائيًا). تتم عملية الترطيب على أربع مراحل( الذوبان الأولي، السكون، التسارع مع تكوين البورتلانديت/ ، C-S-H التباطؤ عبر الانتشار، مع تفاعلات خاصة بكل مرحلة لـ C₃A ،C₂S ، C₃Sمن الإيترينجيت إلى أحادي سلفو ألومينات عبر الجبس، و ، C₄AFمتأثرة بالتركيب، والنعومة، ونسبة الماء إلى الأسمنت، ودرجة الحرارة، والمواد المضافة. وتشمل الظواهر المصاحبة تطور الموصلية الكهربائية، وأوقات التصلب وفقًا لمقياس فيكا، وإطلاق الحرارة الطاردة التي يهيمن عليها C₃Sو ، C₃Aوالانكماش الكيميائي وفقًا لمبدأ لو شاتيلييه الذي يؤدي إلى الانكماش الداخلي والتجفيف الذاتي. وبشكل عام، يركز هذا المادة على كيفية تحكم هذه العمليات في تطور القوة، وخصائص الريولوجيا، والمتانة طويلة الأمد للأنظمة الأسمنتية