Научная статья на тему 'Влияние добавок электролитов на прочность образцов, изготовленных из длительно хранившегося портландцемента'

Влияние добавок электролитов на прочность образцов, изготовленных из длительно хранившегося портландцемента Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
38
12
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Строительные материалы
ВАК
RSCI
Ключевые слова
ЗАПОЛНИТЕЛИ / ДОБАВКИ / ПРОЧНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ / ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА / СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ / ПОРТЛАНДЦЕМЕНТЫ / ЦЕМЕНТЫ / КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ / ВЯЖУЩИЕ МАТЕРИАЛЫ / ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ / СТРОИТЕЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО / ТВЕРДЕНИЕ / ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ / ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА / ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ / ЭЛЕКТРОЛИТЫ / ИСКУССТВЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ / ВЛАЖНОСТЬ (СТРОИТЕЛЬСТВО) / ВРЕДНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Бердов Г. И., Машкин Н. А., Ильина Л. В., Раков М. А.

Установлено, что добавки 1% электролитов с многозарядными катионами и анионами (Al2(SO4)3, Fe2(SO4)3) способствуют восстановлению прочности образцов, приготовленных из портландцемента, хранившегося 4 и 12 мес. во влажной среде.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Влияние добавок электролитов на прочность образцов, изготовленных из длительно хранившегося портландцемента»

УДК 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 ([email protected]), 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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.