Поєднаний вплив сульфату натрію та суперпластифікатора на гідратацію змішаної золи

РЕГУЛЯРНІ СТАТТІ

натрію

Комбінована дія сульфату натрію та суперпластифікатора на гідратацію зольної суміші змішаного портландцементу

Мукеш Кумар I; Нарендра Пратап Сінгх II; Санджай Кумар Сінгх III; Накшатра Бахадур Сінгх IV, *

I Kryton, компанія Buildmat, Pvt. Ltd., Гургаон, 122102, Індія
II хімічний факультет Автономного коледжу У. П., Варанасі, 221002, Індія
III Інженерно-технологічний інститут, Лакхнау, 226021, Індія
IV RTDC, Інженерна школа, Шарда, університет, Велика Нойда, Індія

Комбінований вплив суперпластифікатора типу полікарбоксилат та сульфату натрію на гідратацію змішаної зольної суміші портландцементу вивчено за допомогою різних методик. Визначали консистенцію води, терміни схоплювання, вміст води, що не випаровується, просочування води, вміст повітря, міцність на стиск та розширення в корозійній атмосфері. Продукти гідратації досліджували за допомогою методів ДТА та рентгенівської дифракції. Встановлено, що суперпластифікатор зменшує розмір пор і його адсорбція на цементних поверхнях зменшується в присутності сульфату натрію. Обговорюється механізм гідратації.

Ключові слова: Портланд ® цемент, зола, суперпластифікатор, сульфат натрію, гідратація

1. Вступ

З одного боку спостерігається постійне зменшення природних ресурсів, а з іншого - швидке збільшення промислових та сільськогосподарських відходів, що створює проблеми з поводженням, знешкодженням та екологічними проблемами. Пуццоланова діяльність цих матеріалів спонукала до часткової заміни клінкеру в цементі на отримання композиційних цементів 1,2. Цементні в’яжучі речовини життєво необхідні для всіх видів будівельних робіт. Використання композиційних цементів як альтернативи цементу Portland ® було впроваджено в останні кілька десятиліть або для зменшення витрат, і для експлуатаційних характеристик, і для довговічності, або з екологічних причин.

Сьогодні летюча зола та інший попіл із відходів сільського господарства зазвичай використовується для часткової заміни цементного клінкеру. Композитні цементи також використовуються для розробки бетонів надвисокої продуктивності. Це головним чином базується на різкому зменшенні водно-цементного співвідношення з добавками суперпластифікатора, щоб зберегти хорошу технологічність, а також на поліпшенні розміру заповнювача та щільній упаковці реактивним наповнювачем (пуццолана, наприклад, зола). Основним недоліком додавання золи є низька міцність бетону на початку 3. Для активації золи для подолання цієї проблеми використовувались різні механічні та хімічні методи 4,5. Однак задовільних результатів досі не отримано.

У цій роботі ми вивчали вплив сульфату натрію на гідратацію композиційного цементу, що летить золою, у присутності суперпластифікатора типу полікарбоксилат з торговою маркою Glenium 51.

2. Експериментальний

2.1. Матеріали

Для досліджень гідратації використовували портландцемент ® (OPC), отриманий від Vikram Cement, Індія. Оксидний та мінералогічний склади наведені у таблицях 1 та 2 відповідно. Розподіл частинок цементного складу Portland ® за розмірами наведено на рисунку 1. Летуча зола (ФА) отримана з теплової електростанції Dadri. Хімічний склад летючої золи наведено в таблиці 3. Площа її поверхні Blain становить близько 3200 см 2 .g -1. В якості суперпластифікатора полікарбоксилатного типу (SP) застосовували рідину Glenium 51 (будівельна компанія BASF, Індія), світло-коричневого кольору, питома вага 1,08 при 25 ° C, вміст хлориду 6. Сульфат натрію (Na2SO4) (Merck) використовували як прискорювальну добавку. 20 мас. (%) летючої золи OPC композитний цемент (FAOPC) використовували для гідратації.

2.2.1. Визначення стандартної консистенції води

Консистенцію води визначали за допомогою апарату Віката (I S: 4031, частина 4, 1988).

2.2.2. Визначення часу схоплювання

Початковий і кінцевий час встановлення визначали за допомогою апарату Віката (I S: 4031, частина 5, 1988).

2.2.3. Приготування гідратованих зразків

Десять грамів OPC і FAOPC за відсутності та присутності 0,1 мас. (%) SP, 2,0 мас. (%) Na2SO4 та їх комбінацію ретельно перемішували окремо в поліетиленових пакетах з 3 мл води, щоб співвідношення w/c становило 0,3. Повітря всередині мішків видаляли, щоб уникнути карбонізації. Реакції гідратації дозволяли продовжуватись при кімнатній температурі (≈ 28 ° C) і припиняли через різні проміжки часу (1, 3,7,14 та 28 днів) ізопропіловим спиртом та діетиловим ефіром. Гідратовані зразки нагрівали при 105 ° С протягом 1 години. Висушені зразки зберігали в поліетиленових пакетах і зберігали в ексикаторі.

2.2.4. Визначення вмісту води, що не випаровується

Приблизно один грам зразків, гідратованих протягом різних інтервалів часу, зважували в керамічних тиглях і нагрівали при 105 ° С протягом 1 години для видалення адсорбованої води. Після вилучення з печі масу тиглів та зразків визначали ще раз перед тим, як помістити їх у піч при температурі 1000 ° C мінімум на 1 годину. За масовими втратами при 1000 ° С розраховували невпарюваний вміст води.

2.2.5. Визначення просочування води апаратом проникності

140 г OPC + 28 г FA + 700 г піску;

140 г OPC + 28 г FA + 700 g піску + 0,14 g SP;

140 г OPC + 28 г FA + 700 г піску + 2,8 г Na2SO4; і

140 г OPC + 28 г FA + 700 г піску + 2,8 г Na2SO4 + 0,14 SP

Змішували окремо з 42 мл води, щоб співвідношення вода/тверда речовина (в/с) становило 0,3. Ступки ретельно перемішували в змішувачі Хобарта. Кожен розчин поміщали у форму згідно із стандартом IS 2645. Через 24 години ступки розливали і занурювали у резервуари для води окремо на 20 днів. Потім форми закріплювали в апараті з проникністю, де застосовували тиск 2,0 кг/см2 (тиск повільно збільшували з 0,5 до 2,0 кг/см -2). Просочування води вимірювали кожні 1 годину у перерахунку на масу просоченої води протягом 8 годин.

2.2.6. Визначення вмісту повітря

Вміст повітря в бетоні, виготовленому із зазначених вище сумішей, визначали за допомогою апарату повітрозабірника.

2.2.7. Визначення міцності на стиск

Міцність на стиск цементних розчинів (OPC: пісок-1: 3) за відсутності та присутності FA, Na2SO4 та SP визначали за допомогою машини для випробування на міцність на стиск протягом 28 днів гідратації.

2.2.8. Вплив корозійної атмосфери на гідратований цемент

Циліндричні форми OPC та FAOPC у присутності та відсутності Na2SO4 та SP (діаметр 3,0 см та довжина 3,0 см) готували у співвідношенні w/c 0,3. Через 24 години балони з цементом виймали з форм і витримували під водою протягом 28 днів для затвердіння. Потім ці форми витримували в N/60 H2SO4 і вимірювали розширення як функцію часу за допомогою апарату Ле Шательє.

2.3. DTA-дослідження

DTA дослідження гідратованих зразків проводили за допомогою приладу NETZSCH STA в атмосфері азоту зі швидкістю нагрівання 10 ° C/хв.

2.4. Дослідження рентгенівської дифракції

Порошкові рентгенограми реєстрували за допомогою рентгенівського дифрактографа з використанням CuK α-випромінювання.

3. Результати та обговорення

Хімічна реакція, що відбувається під час гідратації цементу, як правило, є більш складною, ніж прості перетворення безводних сполук у відповідні гідрати. Реакція гідратації має екзотермічний характер, і як тільки цемент контактує з водою, починаються процеси затвердіння та затвердіння. Для приготування пасти стандартної консистенції потрібне певне оптимальне співвідношення w/c. Зміна консистенції води для FAOPC у присутності SP, Na2SO4 та їх комбінації наведені на рисунку 2. Консистенція води FAOPC вища, ніж у OPC. Це може бути пов'язано з більшою площею поверхні ФА. У присутності 0,1 мас. (%) SP, консистенція води знижується, як зазвичай очікується в присутності суперпластифікатора. Однак 2,0 мас. (%) Na2SO4 збільшив консистенцію води. Це пов’язано з його прискорюючим ефектом під час гідратації цементу, а також його роллю в активізації активності ФА. У присутності суміші 0,1 мас. (%) SP і 2,0 мас. (%) Na2SO4, консистенція води знижена, але вища, ніж у присутності лише SP. Це показує, що в присутності Na2SO4 адсорбція SP на поверхні частинок FAOPC зменшується, а отже, дисперсійні сили зменшуються.

Різниця початкового та кінцевого часу встановлення показана на малюнку 3. Час встановлення для FAOPC нижчий, ніж час OPC. Вже повідомляється, що за наявності FA тепловиділення тепла вище, ніж лише OPC. Завдяки більшій кількості теплоти, що виділяється, гідратація прискорюється і, отже, час затвердіння скорочується. Оскільки SP є водним редуктором і протягом ранніх годин він поводиться як сповільнювач, то час його затвердіння збільшується в його присутності. Na2SO4 - добре відомий прискорювач гідратації цементу, а також активує активність FA. Тому реакція гідратації посилюється у присутності Na2SO4. В результаті час встановлення зменшується. При наявності комбінації 0,1 мас. (%) SP і 2,0 мас. (%) Na2SO4, час затвердіння трохи вище, ніж у присутності одного Na2SO4, але значно нижчий, ніж у присутності SP. Це ще раз підтверджує, що у присутності Na2SO4 адсорбція SP на поверхні частинок FAOPC зменшується.

Під час гідратації вода реагує з цементними складовими, утворюючи гідратовані сполуки. У гідратованому цементі присутні два типи води: вода, що випаровується і не випаровується. Воду, що випаровується, можна визначити нагріванням при 105 ° C, або заморожуванням або видаленням розчинником. Вміст води, що не випаровується (Wn), або хімічно поєднана вода має приблизну оцінку ступеня гідратації і може бути визначена за втратою ваги при 1000 ° C. Зміни Wn з часом гідратації показано на малюнку 4. Значення безперервно зростають із часом у всіх випадках. Це просто вказує на те, що ступінь гідратації зростає з часом, але не існує певної послідовності.

Вміст повітря в різних формах показано на малюнку 6. З кривої видно, що значення є мінімальним для FAOPC у присутності 0,1 мас. (%) SP. Це ще раз підтверджує, що в присутності ІП структура стає щільнішою і розмір пор зменшується. У присутності 2,0 мас. (%) Na2SO4, гідратація FAOPC прискорюється, і в результаті утворюється більше продуктів гідратації, але вони не роблять структуру щільною, тому вміст повітря у формі збільшується. Однак у присутності суміші SP та Na2SO4 є результуючий ефект, який очевидний з малюнка. Це ще раз підтверджує, що у присутності Na2SO4 адсорбція SP зменшується і в результаті зменшується його дисперсійна сила. Через це структура не така щільна, як при наявності поодинокого ІП.

Міцність на стиск різних розчинів, гідратованих протягом 28 днів, наведена на рисунку 7. Результати показують, що міцність на стиск FAOPC у присутності 0,1 мас. (%) SP максимальна. За визначенням, міцність матеріалу на стиск - це така величина одновісного напруження при стисненні, при якій матеріал повністю руйнується. Міцність розчинів на стиск залежить від ряду факторів, таких як: ступінь гідратації, якість цементу, піску, співвідношення w/c, температура, розподіл частинок за розміром, розмір пор, розподіл пор і т.д. Однак розмір пор є одним із важливі фактори, що контролюють міцність на стиск. Як правило, нижча пористість, вища міцність на стиск. У присутності 0,1 мас. (%) SP міцність на стиск є максимальною, що чітко показує, що розмір пор зменшується. Таким чином, у випадку FAOPC, SP зменшує розмір пор або блокує пори, і в результаті міцність на стиск збільшується.

Вплив корозійної атмосфери на цементні форми у присутності розведеного H2SO4 вивчали, а розширення вимірювали як функцію часу (рис. 8). Розширення форми FAOPC у присутності 0,1 мас. (%) SP завжди був набагато нижчим. На механізми деградації цементуючих матеріалів значний вплив має проникаюча здатність агресивних рідин, і існує важлива залежність між поровою структурою твердих речовин, властивостями транспортування рідини та деградацією. Це означає, що якщо пориста структура розчину має інші розміри, ніж структура традиційного бетону, можна очікувати певних змін у характеристиках довговічності. Оскільки в присутності SP корозійна дія H2SO4 значно зменшується, це показує, що SP зменшує розмір пор пасти FAOPC і не дає кислоті потрапляти в пори.

Також були записані дослідження TG та DTA гідратованих зразків (28 днів) (рис. 9). Форма кривих була майже подібною. Єдині відмінності полягали в кількості продуктів гідратації в гідратованих зразках. На це вказують відмінності в районах піків (піки ДТА). У всіх випадках є три ендотермічні піки нижче 300 ° C. Піки обумовлені видаленням адсорбованої води та розкладанням етрінгіту та фази C-S-H. Сильний ендотермічний пік приблизно при 450 ° C обумовлений розкладанням гідроксиду кальцію, що утворюється під час гідратації. Площа піку у випадку FAOPC гідратована протягом 28 днів у присутності 0,1 мас. (%) суперпластифікатора та 2,0 мас. (%) сульфату натрію виявляється мінімальним. Це показує, що пуццоланова активність летючої золи посилюється в присутності 0,1 мас. (%) суперпластифікатора та 2,0 мас. (%) сульфату натрію. Дослідження дифракції рентгенівських променів (рис. 10) також підтверджують вищезазначений результат. Кількість гідроксиду кальцію є мінімальною у присутності суперпластифікатора та сульфату натрію.

Загальні результати показують, що суперпластифікатор адсорбується на поверхні змішаного цементу FAOPC і змінює структуру гідратованої матриці. Однак у присутності сульфату натрію адсорбція суперпластифікатора зменшується. У присутності суміші суперпластифікатора та сульфату натрію виникає результуючий ефект на компактність структури.

4. Висновки

Результати показали, що суперпластифікатор зменшив розмір пор змішаної зольної суміші портландцементу під час гідратації та зменшив просочування води та збільшив міцність на стиск на 28 днів. Сульфат натрію прискорює гідратацію і підвищує активність золи, але в його присутності адсорбція суперпластифікатора зменшується. Як результат, компактність структури гідратованої матриці у присутності сульфату натрію та суперпластифікатора не така висока, як у присутності лише суперпластифікатора.

Подяка

Один з нас (Мукеш Кумар) вдячний пану Рон Юерсу, Голові - КІМ, Канада, та пану Умешу К. Каккару, Керуючому директору, KBCPL, Індія, за те, що дозволили виконати цей проект та забезпечили всі лабораторні приміщення.

1. Сингх Н.Б. і Міддендорф Б. Хімія змішаних цементів, частина I: природні пуццолани, зола-зола та гранульовані доменні шлаки. Cement International. 2008; 6 (4): 76-91. [Посилання]

2. Сингх Н.Б. і Міддендорф Б. Хімія змішаних цементів, частина II: дим кремнезему, метакаолін, реакційноздатний попіл із відходів сільського господарства, інертні матеріали та цементи, що не змішуються з Портлендом. Cement International. 2009; 7 (6). [Посилання]

3. Lee CY, Lee HK і Lee KM. Міцність та мікроструктурні характеристики хімічно активованих зольно-цементних систем. Дослідження цементу та бетону. 2003; 33 (3): 425-431. [Посилання]

4. Лоренцо М.П., ​​Гоні С. і Герреро А. Активізація пуццоланової реакції гідратованих паст летучих зольних портландцементних розчинів у розчині сульфату. Журнал Американського керамічного товариства. 2004; 85 (12): 3071-3075. [Посилання]

5. Кумар Р, Кумар С та Мехротра СП. На шляху до стійких рішень для золи завдяки механічній активації. Ресурси, збереження та переробка. 2007; 52 (2): 157-179. [Посилання]

6. Nawa T та Eguchi H. Вплив характеристик цементу на плинність цементної пасти, що містить органічну домішку. В: Міжнародний конгрес з хімії цементу; 1992; Нью-Делі, Індія. Нью Делі. стор. 579-603. [Посилання]

7. Chiocchio G і Paolini AE. Оптимальний час для додавання суперпластифікаторів до портландцементних паст. Дослідження цементу та бетону. 1985; 15 (5): 901-908. [Посилання]

8. Andersen PJ, Kumar A, Roy DM та Wolf-Confer D. Вплив центрації сульфату кальцію на адсорбцію суперпластифікатора на цементі: методи, дзета-потенціал та адсорбційні дослідження. Дослідження цементу та бетону. 1986; 16 (2): 255-259. [Посилання]

9. Кім Б.Г., Джинаг С.П. та Ейтцин ПК. Механізм поліпшення спаду лугів у суперпластифікованій цементній пасті ПНС. Матеріали та конструкції. 2000 р .; 33 (225-234): 363-369. [Посилання]

Отримано: 7 листопада 2009 р
Переглянуто: 19 березня 2010 р

Весь вміст цього журналу, за винятком випадків, коли зазначено інше, ліцензовано за ліцензією Creative Commons Attribution