Роль щелочного компонента в структурообразовании шлакопортландцемента

РЕФЕРАТ. Выявлены закономерности изменения структурообразования и физико-механических свойств шлакопортландцемента с добавкой кальцинированной соды в зависимости от присут­ствия различных модификаций гипса.

Ключевые слова: шлакопортландцемент, щелочной компонент, гипс, структурообразование, физико-механические свойства.

Keywords: slag Portland cement, alkali component, gypsum, structure formation, physical and mechanical properties.

Введение

Использование шлака позволяет не только снизить энергоемкость производ­ства цемента, но и частично решить вопрос утилизации отходов [1]. Однако клинкерные шлакопортландцементы (ШПЦ) характеризируются замедленным нарастанием прочности в ранние сроки твердения в нормальных условиях. Указанный недостаток можно исключить путем введения в цемент соединений щелочных металлов, не только позволяющих ускорить прирост ранней прочности, но и положительно влияющих на формирование плотной структуры искусственного камня за счет формирования гидросиликатов пониженной основности на ранних стадиях гидратации [2, 3]. Однако основной проблемой реализации данной идеи является обеспечение удовлетворительных сроков схватывания таких цементов. Это связано с выводом двуводного гипса из структурообразования цемента в начальный период гидратации в результате обменных реакций с соединениями щелочных металлов [4]. Однако остается открытым вопрос о влиянии щелочного компонента на формирование свойств ШПЦ, содержащего разные модификации гипса, так как при помоле двуводный сульфат кальция может переходить в полуводный и безводный [5].

В этой связи целью работы является исследование влияния щелочного компонента на структурообразование ШПЦ, содержащего разные модификации гипса.

Сырьевые материалы и методы исследований

Предмет исследований — ШПЦ с содержанием разных модификаций гипса: двуводного гипса (CaSO4·2Н2О), полуводного гипса (CaSO4·0,5Н2О), ангидрита (CaSO4). В качестве алюмосиликатных компонентов для данного цемента были использованы: доменный гранулированный шлак ОАО «ММК им. Ильича» с Мо = 1,1 и портландцементный клинкер Николаевского завода (Украина). В качестве щелочного компонента использована сода кальцинированная техническая (Na2CO3). Удельная поверхность ШПЦ Sуд = 4500 см2/г. Кинетика набора прочности цементов исследована на образцах-балочках цементно-песчаного раствора (1 : 3) размерами 4 × 4 × 16 см. Для выявления особенностей структурообразования ШПЦ использованы рентгенофазовый (РФА) и дифференциально-термический (ДТА) методы анализа.

Результаты исследований

Для исследования влияния кальцинированной соды на структурообразование ШПЦ, содержащего разные модификации гипса, принято следующее соотношение алюмосиликатных компонентов в цементе: гранулированный доменный шлак — 50 %, портландцементный клинкер — 50 %.

Исследования показали, что при введении 2,5—4,5 % Na2CO3 в состав ШПЦ, содержащего 2,5—10,5 % CaSO4·2Н2О, сроки схватывания неудовлетворительно коротки — 8—38 мин (рис. 1, а). В начальный период гидратации наблюдается реакция обмена между сульфатом кальция и кальцинированной содой с образованием тенардита (Na2SO4) (d = 0,463; 0,281; 0,231; 0,186 нм), что приводит к быстрому сокращению сроков схватывания цемента (рис. 2, а). Образование тенардита подтверждено наличием на термограммах эндотермического эффекта при температуре 880 °С (рис. 2, б). Присутствие двуводного гипса негативно влияет также на активность ШПЦ (рис. 3, а): после 2 сут твердения прочность при сжатии составила 5,0—7,9 МПа, после 28 сут — 22,0—28,1 МПа.


Рис. 1. Начало схватывания ШПЦ, модифицированного кальцинированной содой и содержащего разные модификации гипса: двуводный гипс (а), полуводный гипс (б), ангидрит (в), а также контрольного образца — немодифицированного ШПЦ (г)


Рис. 2. Рентгендифрактограммы (а, в) и дериватограммы (б, г) ШПЦ, модифицированного кальцинированной содой, после 2 (а, б) и 28 сут (в, г) твердения при использовании в его составе двуводного гипса (1), полуводного гипса (2), ангидрита (3). р — портландит, сs — гидросиликаты кальция (C2SH (A)), (CSH (В)), t — тенардит, pt — пектолит, m — мирабилит, a — алит, d — белит, k — трехкальциевый алюминат, е — эттрингит


Рис. 3. Прочность при сжатии ШПЦ, модифицированного кальцинированной содой и содержащего разные модификации гипса: двуводный гипс (а), полуводный гипс (б), ангидрит (в), а также контрольного образца — немодифицированного ШПЦ (г)

Введение Na2CO3 в состав ШПЦ, который содержит CaSO4·0,5Н2О, позволяет удлинить сроки схватывания (рис. 1, б) по сравнению с цементом, содержащим двуводный гипс. Даже при содержании 2,5—4,5 % кальцинированной соды и минимальном содержании полуводного гипса (2,5 %) начало схватывания фиксируется не ранее 30—46 мин. С ростом содержания полуводного гипса сроки схватывания цемента суще­ственно увеличиваются, это связано с уменьшением растворимости полуводного гипса в присутствии кальцинированной соды и соответственно с уменьшением вероятности протекания обменной реакции. Этим определяется формирование щелочных и щелочноземельных гидросиликатов при обеспечении роли полуводного гипса как замедлителя схватывания (рис. 2). Фазовый состав гидратных новообразований цемента в данном случае характеризуется отсутствием тенардита и представлен гидросиликатами кальция CaO·SiO2·H2O (CSH(B)) (d = 0,307; 0,280 нм) и 2CaO·SiO2·H2O (C2SH (II)) (d = 0,28; 0,240; 0,307 нм), портландитом Са(ОН)2 (d = 0,263; 0,495; 0,193 нм) и пектолитом NaCa2Si3O3OH (d = 0,423; 0,274; 0,193; 0,205 нм). Наличие выявленных гидратов подтверждается результатами ДТА. Так, отмечены эндотермические эффекты, соответствующие гидросиликатам кальция, в интервале температур 145—200 °С и при 910 °С. На наличие пектолита в продуктах гидратации указывает эндотермический эффект в интервале температур 750—775 °С.

Добавка кальцинированной соды также повышает активность ШПЦ (рис. 3, б). Так, прочность при сжатии составляет: после 7 сут твердения — 31—32 МПа, после 28 сут — 42—43 МПа (для контрольного состава — 21 и 37 МПа соответственно).

Введение кальцинированной соды в состав ШПЦ, содержащего ангидрит, сокращает начало схватывания ШПЦ до 8—17 мин (рис. 1, в) и негативно влияет на прочностные показатели (рис. 3). Так, после 2 сут твердения прочность при сжатии цемента составляет 5,5—7,0 МПа, после 28 сут — 16,0—17,5 МПа. Зафиксировано появление трещин на поверхности образцов и их разрушение, что сопровождается образованием вторичного эттрингита (d = 0,563; 0,468; 0,388; 0,886 нм) при гидратации цемента (рис. 2).

Заключение

Выявлена принципиальная возможность активации ШПЦ соединениями щелочных металлов с целью повысить их прочность и в раннем, и в марочном возрасте при обеспечении удовлетворительных сроков схватывания. Целесообразность использования щелочного компонента в составе ШПЦ зависит и от того, в виде какой фазы присутствует сульфат кальция, и от ее содержания. Эффект основан на том, что соединения щелочных металлов не принимают участия в обменных реакциях с полуводным гипсом, что обеспечивает выполнение им роли замедлителя схватывания.



ЛИТЕРАТУРА

1. Ушеров-Маршак А., Гергичны З., Маломепшы Я. Шлакопортландцемент и бетон. М.: Колорит, 2004. 154 с.

2. Добронравова Л.А. Роль щелочных соединений в формировании прочностной структуры цементного камня. Автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 1983. 16 с.

3. Колбасов В.М. Пути управления структурой твердения рядовых цементов с целью повышения их эффективности. Автореф. дис. … д-ра техн. наук. М., 1988. 44 с.

4. Шпынова Л.Г., Саницкий М.А., Шийко О.Я., Костюк П.Я. Эффективность применения рядового и безгипсового портландцементов с добавками поташа при зимнем бетонировании // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1985. № 10. С. 65—69.

5. Тейлор Х. Химия цемента / Пер. с англ. М.: Мир, 1996. 560 с.



Автор: В.И. Гоц, Р.Ф. Рунова, И.И. Руденко, О.В. Ластивка, Т.В. Бабин

Поделиться:  
Заказать этот номер журнала «Цемент и его применение» или подписаться с любого месяца можно по ссылке
Использование опубликованных на сайте новостных материалов допускается только с упоминанием источника (журнал «Цемент и его применение») и активной гиперссылкой на цитируемый материал.