CC BY
9УДК 691.51:666.9(075.8)
Г.И. БЕРДОВ, д-р. техн. наук, Н.А. МАШКИН, д-р. техн. наук,
Л.В. ИЛЬИНА, канд. техн. наук (nsklika@mail.ru), М.А. РАКОВ, студент,
Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)
Влияние добавок электролитов на прочность образцов, изготовленных из длительно хранившегося портландцемента
При больших масштабах производства и применения цемента вопрос его экономии и рационального использования приобретает первостепенное значение. При этом данные об основных физико-технических свойствах цемента свидетельствуют, что в настоящее время его возможности используются далеко не полностью.
Цемент удовлетворяет требованиям действующих стандартов при соблюдении правил хранения и транспортирования: в течение 45 сут для быстротвердеющих и 60 сут для остальных видов цемента при условии поставки в таре. Однако при транспортировании цемента в отдаленные районы Сибири, Севера и Дальнего Востока создать такие условия практически невозможно. Цемент завозится водным транспортом в период краткосрочной навигации.
Длительное хранение цемента даже при благоприятных условиях вызывает потерю его активности. Эта потеря возрастает при хранении цемента во влажных условиях.
Несоответствие фактической и заявленной марки цемента, его длительная транспортировка и хранение отрицательно влияют на качество и себестоимость цементных материалов (бетона, раствора и железобетона).
Активация процессов взаимодействия цемента с водой может быть достигнута за счет регулирования его состава и свойств, введения во взаимодействующую систему цемент — вода соединений, способных оказывать влияние на развитие процесса гидратации.
Изменение скорости гидратации цемента и прочности получаемого искусственного камня может быть обусловлено влиянием растворов электролитов [1]. При этом существенную роль играют величина заряда как катиона, так и аниона солей [2].
В данной работе исследовано влияние добавок электролитов, имеющих заряд катиона +1 (№+, К+) и +3 (А13+, Fe3+) и анионов с зарядом -1 (С1-, N0^) и -2 ^042). В соответствии с этим были использованы следующие добавки: КС1, №С1, Feaз, А1С13, ^03, №N0,,, Fe(N03)3, А1^03)3, К^04, №^04, А12^04)3, Fe2(S04)3.
В работе исследован портландцемент производства ООО «Искитимцемент» (Новосибирская область) марки ПЦ400Д20. Минеральный состав, % мас.: С^ — 50-55; - 18-22; С3А - 7-11; С4АБ - 12-15. Удельная поверхность его составила 320 м2/кг. Химический состав цемента, % мас: Si02 - 20,7; А1203 - 6,9; Fe203 -4,6; СаО - 65,4; Mg0 - 1,3; S03 - 0,4; ППП - 0,5.
Исследованы пробы цемента после хранения в течение 7 сут при нормальных условиях (температура 20±2оС, влажность не более 60%) - контрольное значение - прочность; после хранения в течение 4 и 12 мес в среде с влажностью около 80% при температуре 20±2оС и после 4 мес хранения в такой же среде и дополнительного искусственного состаривания (влажность более 90%, температура 70-80оС) в течение 48 ч.
Исследования проводились на образцах цементного камня размерами 20x20x20 мм, полученных в результа-
те твердения теста нормальной густоты при нормальных условиях (табл. 1) и после тепловлажностной обработки по режиму: подъем температуры в течение 3 ч, выдержка при температуре 85оС в течение 6 ч и сброс температуры в течение 2 ч (табл. 2). Количество добавки электролитов изменялось от 0,5 до 1,5% от массы вяжущего. Добавки растворяли в воде при температуре 20±2оС, а затем вводили в цемент совместно с водой затворения.
Анализ полученных результатов показывает, что длительное хранение цемента в условиях с повышенной влажностью приводит к существенному снижению прочности образцов.
После 28 сут твердения при нормальных условиях это снижение составило: в случае 4 мес хранения - 30%, после 12 мес хранения - 63%, после 4 мес хранения и дополнительного состаривания - 70% (табл. 1).
Концентрация растворов солей в исследованных пределах (0,5; 1; 1,5 мас.%) относительно мало влияет на получаемые значения прочности при сжатии. Можно отметить, что во многих случаях более высокие результаты получены при использовании однопроцентных растворов.
Значительно большее влияние оказывают заряды катиона и аниона соли. При этом однозарядные анионы (С1-, N0^) влияют практически одинаково. Сульфаты, имеющие двухзарядные анионы ^042"), обеспечивают значительно большее увеличение прочности, чем хлориды и нитраты. Возможно, это обусловлено взаимодействием сульфатов с клинкерными минералами, в первую очередь с С3А.
Повышение прочности цементных материалов при оптимальной дозировке добавок, содержащих сульфат-ионы, может быть связано с армирующим действием кристаллов высокосульфатного гидросуль-фоалюмината кальция. Кроме того, присутствие добавок, содержащих сульфат-ионы, в твердеющем клинкерном вяжущем интенсифицирует процесс гидратации силикатов кальция. Это приводит к увеличению объема новообразований, уплотнению цементного камня и снижению пористости, вследствие чего увеличивается механическая прочность.
Однозарядные катионы (№+, К+) влияют на прочность образцов незначительно и практически одинаково. Трехзарядные катионы (А13+, Fe3+) обеспечивают существенное увеличение прочности образцов. Это повышение по сравнению с контрольными образцами, не содержащими добавок электролитов, составило после твердения при нормальных условиях образцов из исходного цемента (7 сут хранения при нормальных условиях) соответственно для 1 % растворов А12^04)3 и Fe2(S04)3 30 и 24% (табл. 1). Если цемент был подвергнут длительному хранению, прочность образцов, содержащих добавки электролитов, снижается относительно исходного значения. Однако это снижение прочности заметно меньше, чем у цемента без добавок электролитов.
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал fg.f rj ^ Г f 2 j | Lj;. | LJ й
48 август 2010
Таблица 1 Таблица 2
Количество добавки, % от массы вяжущего Прочность при сжатии, МПа, в зависимости от продолжительности и условий хранения цемента
Формула соли 7 сут, нормальные условия 4 мес, влажные условия 12 мес, влажные условия 4 мес, влажные условия и искусственное состаривание
Без добавки - 61,9 42,5 22,6 18,4
0,5 60 43,4 22,2 18,1
KCl 1 33 26 15,9 12,5
1,5 40,9 31,2 19,5 12,4
0,5 48,9 38 22,1 16,2
NaCl 1 57,2 42,9 25,8 18,3
1,5 61,6 48 28,6 20,9
0,5 58,6 41,8 23,7 18,7
FeCl3 1 67,8 48,8 28,7 22,6
1,5 65,2 48,6 30,3 21,9
0,5 64,6 48,1 25,9 21,5
AlCl3 1 63,3 47,2 26,5 25,8
1,5 58,8 42,9 22,4 20,7
0,5 46 35,8 19 13,9
KNO3 1 51,3 36,6 25,1 15,9
1,5 47,9 36,1 23,8 16,5
0,5 49,5 37,3 18,3 16
NaNO3 1 53,6 40,3 22,8 16,2
1,5 50,1 36,6 22,2 12,9
0,5 61,2 47,8 24,5 20,4
Fe(NO3)3 1 65,4 46,7 28,2 22,8
1,5 66,8 44,9 31,2 19,5
0,5 50,8 38,3 22,5 15,8
Al(NO3)3 1 52,1 43,3 25,3 18,1
1,5 41,5 40,5 24,9 13,2
0,5 64,5 46,1 25,8 19,5
K2SO4 1 61,3 48,8 22,7 18,2
1,5 60,2 50,1 22,1 16,5
0,5 58,3 43,9 21,6 17,7
Na2SO4 1 64,7 48,2 25 20,6
1,5 61,4 45,9 20,8 18,8
0,5 73,4 56,4 29,4 24,3
Fe2(SO4)3 1 77 58 34,8 26,4
1,5 77,4 60,3 35,4 25,8
0,5 75,6 57,6 34,2 25,2
Al2(SO4)3 1 80,6 61,6 38,2 28,9
1,5 69,5 52,6 29,8 27
- О Прочность при сжатии, МПа,
S О m =! га 5. бу в зависимости от продолжительности и условий хранения цемента
Формула соли N ст с еа т 5 1° ^ £ 7 сут, нормальные условия 4 мес, влажные условия 12 мес, влажные условия 4 мес, влажные условия и искусственное состаривание
Без добавки - 54,6 37,1 21,3 9,8
0,5 42,1 30 18,8 10,7
КС1 1 24,1 19,2 10,6 7,8
1,5 29,6 23,2 12,9 9,1
0,5 36,3 25,9 16,5 9,3
NаCl 1 44,1 35,5 20,5 18,6
1,5 49,3 32,7 24,1 15,9
0,5 48,6 35,7 20,4 12,7
FeCl3 1 54,3 41,8 23,7 13,9
1,5 54,7 40,3 22,9 14,1
0,5 51,7 39,9 23,7 13,4
А1С13 1 52,1 40,6 24,8 13,9
1,5 42,2 32,1 19,2 11,4
0,5 34,2 28,4 15,7 9,8
1 41,2 30,3 19,5 10,2
1,5 38,4 27,4 17,4 9,7
0,5 43,9 34,3 20,5 11,8
NaNO3 1 46,2 30,8 22 14,2
1,5 40,1 31,7 17,5 10
0,5 53,9 40,5 23,6 14,8
Fe(NOз)з 1 56 44 25,4 15,2
1,5 57,8 44,9 28,1 16,6
0,5 43,2 33,8 20,3 11,6
А1^0з)з 1 45,2 36,3 22,1 13
1,5 32,1 35,1 15,8 9,4
0,5 53,8 40,4 24,5 12,8
К2в04 1 49 37 22,6 11,8
1,5 49,5 37,9 22,9 12,1
0,5 49,5 38,4 21,8 11,9
Na2SO4 1 54 40,3 24,6 13,8
1,5 49,1 37,1 21,7 14,3
0,5 58,7 43,9 25,5 15,7
Fe2(SO4)з 1 63,2 48,1 28,3 16,7
1,5 59,8 44,1 21,5 15
0,5 66,5 50,5 28,6 18,3
А1^04)З 1 71,9 52,4 31,8 19,6
1,5 62,2 46,4 26,9 15,4
В итоге прочность образцов, полученных из цемента, длительно хранившегося во влажных условиях в течение соответственно 4 мес, 12 мес и 4 мес с дополнительным состариванием, превышает прочность образцов без добавок электролитов. Это превышение составляет в случае 1% растворов солей соответственно: для Л12^04)3 — 45; 69 и 57%; для Fe2(SO4)з - 36; 54 и 43%.
Образцы с добавкой 1 % Л12^04)3 после 4 мес хранения цемента во влажных условиях имеют такую же прочность, как образцы без добавок в исходном состоянии. После 12 мес хранения цемента во влажных условиях прочность образцов с добавкой 1 мас. % Л12^04)3 такая же, как у образцов исходного цемента после хранения его в тех же условиях в течение 4 мес.
Таким образом, использование добавок электролитов с многозарядными катионами (Л13+, Fe3+) и двухза-рядным анионом ^042") обеспечивает восстановление прочности цемента, длительно хранившегося во влажной среде после твердения при нормальных условиях.
Эффект действия электролитов может быть обусловлен их влиянием на заряд поверхности частиц цемента. В целом электрокинетический потенциал поверхности частиц цемента отрицательный. Многозарядные катионы могут существенно изменять этот заряд.
Значительную роль может играть и ионный обмен между раствором соли и частицами цемента. Применительно к цементу представление об ионообменном взаимодействии используется при анализе изоморфных
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Ы' ® август 2010 49
замещении в структуре клинкерных минералов, осуществляемых в процессе синтеза цемента [1]. Однако ионообменные процессы активно протекают и при гидратации цемента [2].
В соответствии с правилами изоморфных замещении, установленными А.Е. Ферсманом, гетеровалентный ионный обмен осуществляется в порядке рядов, соответствующих диагоналям Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Ионы с более высоким зарядом легче входят в кристаллическую решетку, чем ионы меньших зарядов взамен многозарядных. Компенсация зарядов обеспечивается за счет количества обменивающихся ионов и сопровождается возникновением вакансий в кристаллической решетке, что повышает гидратационную активность цемента.
Ионному обмену способствует соотношение ионных радиусов у ионов: Л13+ (0,057 нм); Fe3+ (0,067 нм); они значительно меньше, чем у иона Са2+ (0,104 нм).
Результаты, полученные при тепловлажностной обработке образцов, изготовленных из длительно хранившегося портландцемента, аналогичны тем, которые получены в случае твердения образцов при нормальных условиях (табл. 2).
Значения прочности образцов в случае тепловлажностной обработки ниже, чем в случае твердения при нормальных условиях. Особенно это проявляется при хранении цемента во влажных условиях и дополнительном его состаривании. Относительное снижение прочности образцов после тепловлажностной обработки близко к тому, что наблюдается при твердении в нормальных условиях.
Действие зарядов катиона и аниона соли и концентрации ее раствора близки в обоих случаях твердения образцов. Следует отметить, что при введении 1 % Л12(804)3 или Fe2(SO4)з прочность образцов, изготов-
ленных из длительно хранившегося цемента, существенно превышает прочность аналогичных контрольных образцов (без добавок электролитов). Это превышение прочности в случае хранения цемента во влажной среде в течение 4, 12 мес и 4 мес с дополнительным состариванием составляет при добавлении 1 % электролитов соответственно: для Л12^04)3 — 41; 49 и 100%; для Fe2(SO4)з — 11; 31 и 70%. Образцы с добавкой 1 % Л12^04)3 имеют после 4 мес хранения во влажных условиях такое же значение прочности, как и у исходного цемента. После 12 мес хранения цемента во влажных условиях прочность образцов после тепловлажно-стной обработки близка к их прочности без добавок, полученных из цемента, хранившегося в течение 4 мес в такой же среде.
Таким образом, введение добавок электролитов с многозарядными катионами и анионами (1 % Л12^04)3 или Fe2(SO4)3) обеспечивает повышение прочности цементных образцов на 20—30% в случае исходного цемента и на 50—70% в случае длительно хранившегося цемента. Это обусловливает восстановление свойств цемента после его длительного хранения.
Ключевые слова: портландцемент, длительное хранение, добавки электролитов.
Список литературы
1. Кузнецова Т.В., Кудряшов И.В., Тимашев В.В. Физическая химия вяжущих материалов. М.: Высшая школа. 1989. 384 с.
2. Бердов Г.И., Мадзаева О.С., Осипова Л.В. Влияние заряда ионов электролитов на свойства цементного теста и прочность цементного камня // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1990. № 10. С. 57—60.
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «СТРОЙМЕХДНИКА» +7 (4872) 701 400
Надежные и качественные комплектующие:
Винтовые конвейеры серии «ВК»
Ленточные транспортеры серии «ПК»
Машиностроительное предприятие «СтройМеханика», РФ, г. Тула, пос. Рудакове, ул. Люлина, д. 6А; Тел/факс +7 (4872) 701 400; е mail: info(5)penobet.ru www.stroymehanika.ru
Реклама
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (g.f rj ^ Г f 2 j | Lj ;. | LJ й
50 август 2010
