ВЛИЯНИЕ ОКСИДА И ГИДРОКСИДА АЛЮМИНИЯ НА СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОГО ТЕСТА И КАМНЯ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Научная статья

УДК 691.32 : 666.972

ГРНТИ: 67 Строительство и архитектура

ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия

БОТ 10.51608/26867818 2023 4 62

ВЛИЯНИЕ ОКСИДА И ГИДРОКСИДА АЛЮМИНИЯ НА СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОГО ТЕСТА И КАМНЯ

© Авторы 2023 SPIN-код: 4265-7935 AuthorlD: 331336 ORCID 0000-0002-8520-4453 ResearcherlD: ААВ-3899-2021 Scopus ID: 57076182100

SPIN-код: 4888-2644 AuthorlD: 702512 Scopus ID: 6602628852

SPIN-код: 1881-7978

AuthorlD: 977417

ORCID 0009-0005-7542-2931

ResearcherID:

Scopus ID: 57205662535

SPIN-код: 6037-7438 AuthorID: 473125 ORCID 0000-0002-4288-2115 ResearcherID: К-8568-2014 Scopus ID: 6508381737

ИЛЬИНА Лилия Владимировна

доктор технических наук, профессор

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, Новосибирск, e-mail: nsklika@mail.ru)

БЕРДОВ Геннадий Ильич

доктор технических наук, профессор

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, Новосибирск, e-mail: stf@sibstrinl.ru)

ТУЛЯГАНОВ Александр Константинович

доцент кафедры строительных материалов, стандартизации и сертификации

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, Новосибирск, e-mail: klinker@bk.ru)

ЧЕРНЫХ Тамара Николаевна

доктор технических наук, профессор

Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет (Россия, Челябинск)

Аннотация. В статье приведены результаты по влиянию количества оксида и гидроксида алюминия на водопотребность цемента, на процесс схватывания цементного теста, на кинетику набора прочности и прочность при сжатии цементного камня. В результате анализа экспериментальных данных сделан вывод, что добавка гидроксида алюминия является эффективной добавкой - ускорителем схватывания портландцемента и повышает прочность цементного камня во все исследуемые сроки твердения. Оптимальная ее дозировка с точки зрения сокращения сроков схватывания и обеспечения наибольшего упрочнения является количество 1 мас. %. При таком количестве добавки сроки схватывания сокращаются: на 47 % - начало схватывания, на 30 % - конец схватывания, прочность при сжатии цементного камня при этом увеличивается в 2,1 раза.

Ключевые слова: портландцемент; цементный камень; процесс схватывания; прочность при сжатии; гидрогеленит; строительные материалы

Для цитирования: Влияние оксида и гидроксида алюминия на свойства цементного теста и камня / Л.В. Ильина, Г.И. Бердов, А.К. Туляганов, Т.Н. Черных // Эксперт: теория и практика. 2023. № 4 (23). С. 62-67. ^ 10.51608/26867818 2023 4 62

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 4 (23)

Original article

INFLUENCE OF ALUMINUM OXIDE AND HYDROXIDE ON THE PROPERTIES OF CEMENT DOUGH AND STONE

© The Author(s) 2023 ILINA Liliia Vladimirovna

doctor of technical sciences, professor

Novosibirsk state University of architecture and civil engineering (Russia, Novosibirsk, e-mail: nsklika@mail.ru)

BERDOV Gennadii Ilich

doctor of technical sciences, professor Novosibirsk state University of architecture and civil engineering

Novosibirsk state University of architecture and civil engineering (Russia, Novosibirsk, e-mail stf@sibstrinl.ru)

TULIAGANOV Vladimir Viktorovich

Associate Professor of the Department of Building Materials, Standardization and Certification

Novosibirsk state University of architecture and civil engineering (Russia, Novosibirsk, e-mail: molodin@sibstrin.ru)

CHERNYKH Tamara Nikolaevna

Doctor of Technical Sciences, Professor

South Ural State University (National Research University

(Russia, Chelyabinsk)

Abstract. The article presents the results on the effect of the amount of aluminum oxide and hydroxide on the water demand of cement, on the setting process of cement dough, and on the kinetics of strength gain and compressive strength of cement stone. As a result of the analysis of experimental data, it was concluded that the addition of aluminum hydroxide is an effective additive - accelerator for setting Portland cement and increases the strength of cement stone during all the studied hardening periods. Its optimal dosage in terms of shortening the setting time and ensuring the greatest hardening is 1%. With such an amount of additives, the setting time is reduced: by 47% at the beginning of setting and by 30% at the end of setting, the compressive strength of cement stone increases 2.1 times.

Keywords: рortland cement; cement stone; setting process; compressive strength; hydrogelenite; building materials

For citation: The influence of aluminum oxide and hydroxide on the properties of cement dough and stone / L.V. Ilyina, G.I. Berdov, A.K. Tulyaganov, T.N. Chernykh // Expert: Theory and Practice. 2023. No. 4 (23). Pp. 62-67. doi 10.51608/26867818 2023 4 62

Введение

Цементные композиты в настоящее время являются важнейшими конструкционными материалами. Увеличивающиеся темпы

монолитного и сборно-монолитного строительства и реконструкция старого жилого фонда требует применения современных эффективных

строительных материалов [1-4]. В связи с этим ведущим направлением развития технологии цементных бетонов является использование потенциальных возможностей цементов в полной мере, сокращение времени на выполнение отдельных технологических операций и упрочнение искусственного композита в начальный период твердения.

При этом первостепенными задачами

выступают: сокращение сроков схватывания и интенсификация процессов образования

кристаллогидратов как при твердении в стандартных условиях, так и при тепловлажностной обработке (ТВО). При изготовлении цементных композитов в заводских условиях возможно сократить период предварительной выдержки изделий перед ТВО и саму продолжительность ТВО путем введения добавок ускорителей. Это в свою очередь ускоряет оборачиваемость форм и камер ТВО, снижает металлоемкость и энергозатраты. Введение добавок ускорителей позволяет интенсифицировать процесс образования кристаллогидратов и тем самым сократить расход портландцемента. Дополнительное введение эффективных добавок

пластифицирующего действия и электролитов

позволяет сокращать расход цемента в еще большей мере [5-7].

При монолитном строительстве особенно при отрицательной температуре использование добавок-ускорителей является еще более значимым, так как данные добавки позволяют формировать композит мелкопористой структуры с большим количеством пор размером менее 50 нм с необходимой прочность достаточной для его сопротивляемости давлению замерзающей в порах воды. Кроме того, вода в порах малого диаметра находится в пленочном состоянии и замерзает при очень низких температурах [8]. В этой связи контроль над процессом образования кристаллогидратов является актуальным. Контролирование кинетики твердения цементных композитов может привести к сокращению расхода вяжущего, снижению металлоемкости и энергозатрат при производстве бетонных и железобетонных изделий [9-12].

Основными показателями эффективности добавок-ускорителей схватывания цементных композиций является сокращение сроков схватывания более чем на 25 % при твердении в нормальных условиях и увеличение при этом прочности композита не менее чем на 20 % в начальный период твердения (1 суток) [13-14].

Среди эффективных добавок-ускорителей схватывания и твердения цементных смесей, в том числе подходящих для использования в составе сухих строительных смесей (ССС), могут быть выделены ускорители нового поколения на основе активных оксидов и гидроксидов алюминия.

Цель данной работы - анализ влияния количества оксида и гидроксида алюминия на свойства цементного теста и цементного камня, изготовленного из портландцемента, содержащего добавку доменного гранулированного шлака в количестве 25-30 %.

Материалы и методы исследований

Влияние добавок на процесс схватывания изучалось на тесте нормальной густоты на приборе Вика по ГОСТ 310.3.

Прочностные характеристики цементного камня определялись по испытанию на сжатие образцов-кубиков с ребром 20 мм, изготовленных из цементного теста нормальной густоты и набиравших прочность в течение 1, 3 и 28 суток в стандартных условиях (1 сутки - над водой и 27 суток в воде при температуре (20 ± 2) °C).

Для качественной и количественной оценки фазового состава цементного камня при использовании добавок, ускоряющих схватывание цемента, применялся рентгенофазовый анализ, который выполнялся на порошковом рентгеновском дифрактометре D8 Advance (Bruker AXS, Германия). Расшифровка межплоскостных расстояний полученных эффектов производилась с помощью базы данных порошковых дифрактограмм ICDD PDF-4, выпуск 2011 г.

В данной работе использовался портландцемент ЦЕМ II/В-Ш 32,5Н АО «Искитимцемент» (НСО). Минералогический состав клинкера, мас. %: СзS-68,4; С2S - 10,29; С4AF - 11,95; С3А- 6,07.

Количество гранулированного доменного шлака в цементе составляло 27,7 мас. %.

В качестве добавок в работе использованы оксид и гидроксид алюминия (АЪОэ и А1(ОИ)э) производства АО «Микроинтек». Они предварительно растворялись в воде затворения и добавлялись в количестве 0,5; 1,0 и 1,5 % от массы цемента.

Результаты и обсуждение При увеличении количества вводимой в цемент добавки (АЮэ или А1(ОИ)э) водопотребность цемента для получения теста нормальной густоты монотонно увеличивается (табл. 1). Что может быть обусловлено адсорбцией и хемосорбцией воды на поверхности частиц вводимой добавки.

Таблица 1. Влияние количества оксида и гидроксида

Содержание добавки, мас.% В/Ц, мас. % (водопотребность), при введении

Al(OH)3 АШз

0 26,6 26,6

0,5 26,7 26,6

1,0 27,5 27,3

1,5 27,7 27,6

При введении исследуемых добавок сроки начала и конца схватывания теста сокращаются (табл. 2). При этом, влияние А1(ОИ)э проявляется сильнее, чем АЬОэ. Продолжительность начала схватывания при этом сокращается на 47 %, конца схватывания - на 30 %.

Таблица 2. Влияние количества количества оксида и гидроксида алюминия на сроки схватывания цементного теста

Содержание добавки, % Сроки схватывания цементного теста, мин, при введении

Al(OH)3 АШз

начало конец начало конец

0 152 299 152 299

0,5 122 250 140 280

1,0 110 235 116 250

1,5 80 210 86 226

Прочностные характеристики цементного камня во все исследуемые сроки твердения (1, 3, 28 суток) больше, чем у образцов без добавки (табл. 3). При этом, в возрасте 1, 3 и 28 суток прочность образцов при добавлении 0,5-1,5 мас. % А1(ОИ)3 больше, чем при введении такого же количества АЬОэ и существенно больше, чем у образцов без добавок. Наибольшего упрочнения в 2,1 раза удалось достичь при введении 1 мас. % гидроксида алюминия.

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 4 (23)

12000 ;nooo

6000 5000

Таблица 3. Влияние количества количества оксида и гидроксида алюминия на прочность при сжатии цементного камня

Прочность при сжатии цементно-песчаного раствора,

МПа, при введении

Содержание А1(ОН)3 AI2O3

добавки, % через 1 через 3 через 28 через 1 через 3 через 28

сутки суток суток сутки суток суток

0 15,6 38,7 71,9 15,6 38,7 71,9

0,5 19,4 52,15 138,4 19,2 45,8 72,3

1,0 23,9 62,45 152,2 22,4 52,2 87,9

1,5 21,5 57,7 145,8 20,9 50,4 80,4

Результаты рентгенофазового анализа гидратированного цемента, содержащих добавки АЪОз или А1(ОН)з приведены на рис. 1-3 и в табл. 4. Дифрактограммы сняты после твердения камня в нормальных условиях в течение 28 суток.

Рис. 1. Дифрактограмма образца контрольного состава (без добавок)

А-Са(ОН)2; ■ - ЗСао-АЬОз-ЗСаБОгЗгшО; • - ЗСаО-АЬОз-СаБОгПШО;

+ - 4Са0-АЬ0з-19Н20; х - С-Б-Н; □ -ЗСаО-БЮг; ♦ -(ЙСаОЯЮг

3000 2000

Рис. 2. Дифрактограмма цементного камня,

содержащего 1 мас.% А1(ОН)з ▲ - Са(ОН)2; ■ - 3СаоА12Оз3Са8О432Н2О; • - 3СаОАЬОзСа8О412ШО;

+ - 4СаО А12Оз19Н2О; х - С-Б-Н; I -

3CaO-SiQ>; ♦ - (32Ca0Si02;

2СаО • АЬОз • SiOi • 8Н2О

Рис. 3. Дифрактограмма цементного камня, содержащего 1 мае. % АЬОз

А-Са(ОН)2; ■ - ЗСао-АЬОз-ЗСаБОгЗгшО; • - 3 СаО • АЬОз • CaSÛ4 • 12ЕЬО;

+ - 4СаО • AI2O3 • 19Н2О; 3Ca0Si02; ♦

2СаО • АЬОз • SiOi • 8Н2О

х - C-S-H; □ ■ (32Ca0Si02; *■

В таблице 4 указаны размеры наиболее

интенсивных рефлексов, дифрактограммах соединений.

приведенных на

Таблица 4. Дифракционные характеристики

Гидратная фаза Межплоскостные расстояния, d/n, А

Са(ОН)2 4,917; 2,628; 1,927; 1,796; 1,687; 1,484

3 СаО • АЬОз • 3 CaS04 • 3 2Н:0 9,735; 4,673; 3,864; 2,547

3 СаО • AI2O3 • CaSO4 • 12H2O 2,88; 2,73; 2,44; 2,41; 2,05; 1,83; 1,63

4 СаО - AI2O3 • 19H2O 2,881; 2,776; 2,54; 2,48; 1,92; 1,62

2СаО • AI2O3 • SiO2 • 8H2O 3,531; 2,881; 2,488; 2,372; 2,052; 1,687; 1,5407; 1,4405

C-S-H 3,10; 3,02; 2,88; 2,77; 2,60

3СаО8Ю2 3,02; 2,77; 2,60

P-2CaOSiO2 2,77; 2,60; 2,18

Следует отметить, что интенсивность рефлексов алюминатов (3СаО-АЮз-3Са8О4-32Н2О, 3 СаО • АЬОз • СаБО4 • 12Н2О, 4СаОАШ3 19Н2О) одинаковы, как для образцов без добавок, так и имеющих добавки А12О3 или А1(ОН)3. Это позволяет сделать заключение о том, что введение указанных добавок не влияет на образование этих соединений. То есть А12О3 и А1(ОН)3 не оказывают влияние на взаимодействие алюминатных фаз с водой в процессе гидратации цемента.

Иная ситуация с силикатными минералами

цемента. Содержание тоберморита С-Б-И в затвердевших образцах уменьшается при введении АЬО3 и А1(ОН)3. Очень характерно увеличение количества портландита Са(ОИ)2 при введении этих добавок.

Характерно повышение содержания портландита Са(ОИ)2 при введении добавки А1(ОИ)3. Это, а также уменьшение величины рефлексов 3СаО БЮ2 и р-2СаО БЮ2 свидетельствует о более глубокой гидратации цемента при введении А12О3 и особенно А1(ОИ)3. Такой эффект может быть обусловлен тем, что указанные добавки взаимодействуют с силикатными фазами, то есть с 2СаОБЮ2, образующимся при гидролизе 3СаОБЮ2 и содержащимся в исходном цементе, с образованием гидрогеленита

(2 СаО^ АЬО3 • БЮ2 • 8И2О). Это подтверждается результатами рентгенофазового анализа.

Термодинамический анализ возможных реакций в процессе гидратации цемента приведен в табл. 5. Исходные данные использованы из монографии В.А. Киреева [14] и справочника Рабиновича В. А., Хавина 3.Я. [15].

Таблица 5. Термодинамические свойства веществ

Соединение A№298, AG°298, AS298,

ккал ккал кал/(мольК)

У-АЮ3 -396,0 373,79 12,55

Al(OH)3. -304,2 -271,9 *

H2O -68,31 -56,70 16,75

2СаО^Ю2 -551,49 -524,0 30,50

2СаОАЮ3^Ю2 геленит -952,9 -904,6 47,40

СаОАЮ3^Ю2 анортит 1009,54 -955,9 48,40

СаОАЮ3^Ю2

гексагональный анортит 1004,65 -960,1 *

* - данные в [13 не указаны.

Из указанных в табл. 5 алюмосиликат кальция геленит имеет соотношение СаО и БЮ2, соответствующее белиту 2СаОБЮ2.

Рассмотрим следующие реакции: 2СаОБЮ2 + А12О3 = 2СаО-АЬО3-8Ю2 (1)

2(2СаО БЮ2 ) + 2А1(ОИ)3 = 2(2СаО А12О3 Б1О2) + 3Н2О (2)

Для реакции (1):

- ДНреак = -5,41 ккал = -22,6 кДж

- ДСреак = -6,81 ккал = -28,5 кДж

- ДБреак = 4,35 кал/(мольК) = 18,20 Дж/(мольК)

Для реакции (2):

- ДНреак = -194,42 ккал = -813,45 кДж

- ДСреак = -259,02 ккал = -1083,7 кДж

Расчеты показывают, что реакция (1) возможна

и экзотермична. Реакция (2) также экзотермична, а значения ДНреак и ДСреак значительно превосходят данные по реакции (1). То есть реакция (2) предпочтительнее.

Таким образом, введение алюминий-

содержащих добавок обусловливает ускорение процесса схватывания цементного теста и упрочнение цементного камня, особенно при добавлении А1(ОН)з, так реакция (2) же предпочтительнее.

Протекание реакции (2) наиболее вероятно при взаимодействии А1(ОН)з с 2СаО^Ю2, выделяющемся в результате гидролиза 3СаО^Ю2. Об этом свидетельствует увеличение содержания Ca(OH)2 в цементном камне. Такое связывание 2 СаО - SÍO2 приводит к повышению скорости реакции (2), то есть и к сокращению сроков схватывания цементного теста.

Заключение

Таким образом, оксид и гидроксид алюминия, особенно гидроксид алюминия, могут применяться как эффективные добавки-ускорители схватывания и твердения цементных композиций и добавки-упрочнители искусственных композитов на цементной основе. Для максимального сокращения процесса схватывания и наибольшего упрочнения цементных систем оптимальное количество добавки составляет 1 мас. %. При добавлении 1 мас. % А1(ОН)з можно получить следующие результаты:

- начало схватывания сокращается на 47 %, конец схватывания - на 30 %,

- прочность при сжатии цементного камня, твердевшего 28 суток в стандартных условиях увеличивается в 2,1 раза.

Библиографический список

1. Рамачандран В., Фельдмин Р., Бодуэн Р. Добавки в бетон. - М.: Стройиздат, 1988. - 575 с.

2. Diamond S., Sahu S., Thaulow N. Reaction products of densified silica fume agglomerates in concrete // Cem. Concr. Res. 2004.- V. 34.- P. 16251632.

3. Ибрагимов Р. А., Пименов С.И. Влияние механохимической активации на особенности процессов гидратации цемента // Инженерно-строительный журнал. 2016. № 2 (62) С. 3-12. DOI: 10.5862/MCE.62.1.

4. Ponomarev А., Knezevic M., Vatin N., et. al. Nanosize scale additives mix influence on the properties of the high performance concretes // Journal of Applied Engineering Science. 2014. № 12(3). Pp. 227-231. DOI: 10.5937/jaes12-6161.

5. Добавки ускорители схватывания цемента. -URL:http://baurum.ru/_library/?cat=additives_adjusting _firm&id=322 (дата обращения: 20.07.2023). - Текст : электронный.

6. Ильина Л.В., Корховая Л.В. Повышение прочности цементной матрицы смеси для 3D-печати путем введения электролитов // В сборнике: СТРОЙСИБ - 2020. Эффективные материалы и технологии для транспортного и сельскохозяйственного строительства. Сборник научных трудов по материалам национальной Научно-технической конференции с международным участием. Новосибирский государственный аграрный университет. 2020. С.

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 4 (23)

101-105.

7. Усов Б. А. Химические добавки в технологии сборного железобетона / Б. А. Усов, Г. Э. Оскольникова // Строительство и архитектура. -2015. -№4 -С. 7-14.

8. Fediuk R., Smoliakov A., Stoyushko N. Increase in composite binder activity. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. (156). 012042. D0I:10.1088/1757-899X/156/1/012042.

9. Il'Ina L., Mukhina I., Teplov A. Dry building mixture with complex dispersed mineral additives. AIP Conference Proceedings. 2016. 1698 (1). 070001. D0I:10.1063/1.4937871.

10. Il'Ina L., Rudyak V., Khakimullina S. Highperformance concretes with modifying micro additives of microsilica and diopside. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. 456(1). 012045. D0I:10.1088/1757-899X/456/1/012045.

11. Akhverdiyeva T.A., Dzhfarov R. Vlijanie tonkomolotyh mineral'nyh dobavok na svojstva betona

[Impact of Fine Ground Mineral Additives on Properties of Concrete]. Stroitel'nye Materialy [Buildind materials]. 2019. No. 3 (768). Pp. 73-76. D0I:10.31659/0585-430x-2019-768-3-73-76. (rus).

12. Илясов А. Г., Медведева И.Н., Корнеев

B.И. Ускорители схватывания и твердения портландцемента на основе оксидов и гидроксидов алюминия // Металлург. 2008. № 12. С. 73-77.

13. Capи M., Лекселент Дж. Регулирование процессов схватывания и твердения минеральных вяжущих / 4-я международная конференция «Современные технологии сухих смесей в строительстве» Mix-Biuld - СПб, 3-5 декабря 2002. -

C. 103.

14. Киреев В. А. Методы практических расчетов в термодинамике химических реакций. Изд. 2, испр. и доп. - М.: Химия. 1975. 536 с.

15. Рабинович В.А., Хавин 3.Я. Краткий химический справочник. Изд. 2-е, испр. и доп. Л. -Химия. 1978. 392 стр.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.

Статья поступила в редакцию 11.08.2023; одобрена после рецензирования 27.10.2023; принята к публикации 27.10.2023.

The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication.

The article was submitted 11.08.2023; approved after reviewing 27.10.2023; accepted for publication 27.10.2023.