コンクリートの水和反応と水和生成物の化学式

セメントは、石灰石や粘土などを1450℃の高温で焼成してできるクリンカーを微粉砕して作られます。

セメントの元であるクリンカーは、主に４種類の化合物からできていて、化合物それぞれが違った特徴を持っています。

４種類の化合物ごとに水和反応と水和生成物に違いがあり、化合物の含有量を変えることで、各種セメントの特徴を作り出しています。

セメントは空隙を埋めることで強度を発現している

セメントが水と接触し起こす反応を水和反応と言います。

水和反応によって新たに析出した物質を水和生成物と言い、水和生成物がセメント粒子間の隙間を埋めていくことで、強度が発現していきます。

セメントと水を混ぜた直後は、セメント粒子が水に包まれた様な状態です。水色のひし形がセメント粒子で、白い部分が水。セメントの周りにあるのが水和生成物になります。

セメントの水和反応の流れ

凝結とは、モルタル・コンクリートなどが流動性を失い固体に変化すること。変形することなく形を保つが、強度の発現はしていない状態。

水和反応によってセメントと水は失われていき、そのスペースを水和生成物が埋めることで強度が発現していくため、粘土のように乾燥することで固まる訳ではありません。

下の表は、４種類の化合物の名称と分子式の表です。

このうち、

で構成されています。

アルミネート相とフェライト相は、エーライトとビーライトの隙間を埋めるように存在しているため、両者をまとめて、間隙相とも呼びます。

セメントに水を加えると、この４種類の化合物がそれぞれ反応し、水和物を生成することで強度発現をしていきます。

セメントと水が接触した直後から、アルミネート相(C₃A)とせっこう(CaSO₄・2H₂O)が反応しエトリンガイトを生成されます。

アルミネート相(C₃A)は水和反応が急激なため、セメントには調整剤としてせっこうが少量混合されています。

アルミネート相＋せっこう→	エトリンガイト
3CaO・Al₂O₃＋CaSO₄・2H₂O →	3CaO・Al₂O₃・3CaSO₄・32H₂O

エトリンガイトとは、水和の初期に析出する針状の水和物。それ自体で強度を発現し、セメント硬化体を膨張させる性質がある。

その後、エーライト(C₃S)が活発に反応しはじめ、水酸化カルシウム(C_a(OH)₂)が析出され、次に、けい酸カルシウム水和物(C-S-H)が析出する。

エーライト→	水酸化カルシウム、けい酸カルシウム水和物
3CaO・SiO₂＋H₂O→	C_a(OH)₂、CaO-SiO₂-H₂O

③C₃SによるC-S-Hの生成から遅れて、①で生成したエトリンガイトと、①で反応せずに残ったC₃Aが反応をはじめ、モノサルフェート水和物が生成されていきます。

モノサルフェート水和物によってエトリンガイトが消失すると、アルミネート相(C₃A)とフェライト相(C₄AF)は、水酸化カルシウムと反応をしはじめ、アルミン酸カルシウム水和物(3CaO・Al₂O₃・6 H₂O)を生成します。

④ビーライト(C₂S)がゆっくりと反応しはじめ、水酸化カルシウム(C_a(OH)₂)とけい酸カルシウム水和物(C-S-H)を析出する。

ビーライト→	水酸化カルシウム、けい酸カルシウム水和物
2CaO・SiO₂＋H₂O→	C_a(OH)₂、CaO-SiO₂-H₂O

水和反応の流れはこのように進んでいきますが、化合物が順番に水和反応を起こすわけではなく、相互に前後しながら反応していきます。

長期的には、水酸化カルシウム(C_a(OH)₂)とけい酸カルシウム水和物(C-S-H)が、セメント粒子間の隙間を埋め結合力を増すことで、強度を増進します。

セメントの化合物の特徴