Câu trả lời ngắn gọn
Xi măng cứng lại vì nước kích hoạt các phản ứng hóa học (hydrat hóa) với các khoáng trong xi măng, tạo ra gel calcium silicate hydrate (C-S-H) và các sản phẩm kết tinh khác điền đầy toàn bộ không gian trống. Gel C-S-H là “keo dán” vô cơ cực bền, kết nối các hạt cốt liệu lại với nhau tạo thành một khối rắn chắc – đó là lý do xi măng được gọi là “đá nhân tạo” hay đá nhân tạo ướt.
Thành phần xi măng trước khi trộn nước
Xi măng Portland là hỗn hợp bột mịn (fineness ~300–450 m²/kg) gồm bốn khoáng chính từ clinker và thạch cao thêm vào. Bốn khoáng clinker là: C3S (alite ~50–65%), C2S (belite ~15–25%), C3A (aluminate ~6–12%) và C4AF (ferrite ~6–12%). Thạch cao (CaSO4·2H2O, 3–5%) được thêm vào để kiểm soát tốc độ đóng rắn của C3A tránh “flash set” (đông nhanh không kiểm soát).
Phản ứng hydrat hóa – từng bước
Bước 1: Tiếp xúc nước (0–10 phút đầu)
Ngay khi tiếp xúc nước, C3A phản ứng rất nhanh với thạch cao tạo ettringite sơ cấp (AFt): C3A + 3CaSO4·2H2O + 26H2O → C3A·3CaSO4·32H2O (ettringite). Lớp ettringite bao phủ hạt C3A như lớp áo bảo vệ, làm chậm phản ứng tiếp theo. Nhiệt lượng tỏa ra trong 10 phút đầu khá lớn nhưng sau đó giảm dần (giai đoạn “ngủ yên” – induction period).
Bước 2: Giai đoạn ngủ yên (1–4 giờ)
Hỗn hợp xi măng vẫn ở trạng thái lỏng dẻo, thi công được – đây là “thời gian sử dụng” (working time hoặc pot life) mà thợ xây cần khai thác. C3S và C2S bắt đầu hòa tan chậm vào nước, nồng độ Ca²⁺ và OH⁻ trong nước tăng dần. Thạch cao tiếp tục kiểm soát tốc độ phản ứng C3A trong giai đoạn này.
Bước 3: Đóng rắn ban đầu (4–24 giờ)
C3S phản ứng mạnh: 2C3S + 6H2O → C3S2H3 (gel C-S-H) + 3Ca(OH)2. Gel C-S-H có cấu trúc tấm nano xếp chồng lên nhau, điền đầy không gian giữa các hạt xi măng và tạo liên kết vật lý. Đây là thời điểm xi măng “đông kết” (setting): bắt đầu từ thời điểm “initial set” (~2–4 giờ) đến “final set” (~4–8 giờ) theo TCVN 6017.
Bước 4: Tăng cường độ liên tục (ngày đến năm)
C2S (belite) phản ứng chậm hơn C3S nhưng tạo ra nhiều gel C-S-H hơn theo tỷ lệ mol. Phản ứng pozzolanic của SCM (tro bay, GGBS) với Ca(OH)2 tự do tiếp tục trong nhiều tháng. Bê tông đạt ~70% cường độ 28 ngày sau 7 ngày và tiếp tục tăng, có thể vượt 150% giá trị 28 ngày sau 1 năm nếu bảo dưỡng ẩm tốt.
Gel C-S-H – “vật chất tạo nên sức mạnh của xi măng”
Gel C-S-H (Calcium Silicate Hydrate) là sản phẩm hydrat hóa chính, chiếm 50–70% thể tích sản phẩm hydrat hóa và là nguồn gốc của hầu hết cường độ xi măng. Ở cấp độ nano, gel C-S-H là mạng lưới tấm silicate xen lẫn ion Ca²⁺ và phân tử nước, tạo lực kết dính van der Waals mạnh. Gel C-S-H vô định hình và không có thành phần hóa học cố định, tỷ lệ Ca/Si thay đổi từ 1,2 đến 2,1 tùy điều kiện phản ứng.
Nhiệt tỏa ra khi xi măng cứng lại
Phản ứng hydrat hóa xi măng là phản ứng tỏa nhiệt mạnh; tổng nhiệt tỏa ra của OPC khoảng 350–450 J/g xi măng. Điều này giải thích tại sao bê tông khối lớn như nền móng lớn hay đập có thể nóng lên đến 60–70°C bên trong trong tuần đầu. Trong điều kiện lạnh (< 5°C), nhiệt này thực ra có ích vì tự bảo ấm cho bê tông, nhưng ở công trình nhiệt đới phải chủ động làm mát để tránh nứt nhiệt.
Vì sao cần bảo dưỡng ẩm (curing)?
Phản ứng hydrat hóa cần nước liên tục. Nếu bê tông mất nước quá sớm (do bốc hơi, nhiệt độ cao), phản ứng dừng lại và cường độ không đạt tiềm năng. Lớp bê tông ngoài cùng mất nước nhanh nhất, co ngót và nứt chân chim. Tiêu chuẩn TCVN yêu cầu bảo dưỡng ẩm bề mặt bê tông tối thiểu 7 ngày (14 ngày cho bê tông có SCM) bằng tưới nước, phủ bao tải, hoặc dùng hợp chất bảo dưỡng (curing compound).
Sản phẩm phụ Ca(OH)2 và ý nghĩa
Ca(OH)2 (portlandite) chiếm 20–25% sản phẩm hydrat hóa, tạo độ kiềm cao pH 12–13 trong bê tông, bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn (màng thụ động). Tuy nhiên Ca(OH)2 là sản phẩm dễ hòa tan và dễ bị CO2 cacbonat hóa (carbonation), làm giảm pH theo thời gian. Khi pH giảm xuống dưới 9, màng thụ động cốt thép phá vỡ và ăn mòn bắt đầu – đây là cơ chế lão hóa tự nhiên của bê tông cốt thép.