Изучение влияния алюминатных добавок на свойства цементной суспензии, используемой для приготовления неавтоклавного пенобетона

Один из недостатков неавтоклавных пенобетонов на основепортландцемента – его усадка, являющаяся следствием химической (контракция) ифизической усадки цемента. В результате на ранней стадии гидратациипортландцемента происходит уменьшение линейных размеров изделий, приготовленныхиз пенобетона.

При дальнейшем твердении пенобетонных изделий усадочныеявления наблюдаются, но не являются столь существенными, как на начальнойстадии. Это обусловлено, в первую очередь, свойствами продуктов гидратациицемента. На начальной стадии твердения продукты гидратации в основном состоятиз геля, который не препятствует усадке. На более поздних этапах формируетсякристаллический каркас цемента, который уже препятствует процессам усадки.Вследствие этого, желательно воздействовать на усадочные явления на начальнойстадии твердения цемента.

Существенно снизить усадку на этой стадии можно за счетвведения алюминатов кальция совместно с гипсом (сверх количества данныхминералов, имеющихся в портландцементе). В зависимости от стехиометрическогосоотношения гипса и алюмината кальция, в вяжущей системе будут формироватьсявысоко- или низко-сульфатные формы гидросульфоалюминатов кальция, связывающиесоответственно 32 и 12 молекул воды. Присоединение большого количествакристаллогидратной воды приводит к увеличению объема цементного каркаса ипрепятствует развитию процессов усадки пенобетона.

Нами изучалось влияние добавок высокоглиноземистого цементамарки ВГЦ и полуводного гипса марки Г 7 II А на физико-механические свойстваобразцов, полученных из суспензии на основе портландцемента ПЦ 500 Д0.Суспензия готовилась путем смешения расчетного количества портландцемента,высокоглиноземистого цемента и гипса при водо/твердом соотношении 0,4. Готоваясмесь разливалась в полимерные стаканчики, которые не противодействуютизменению объема смеси и в случае значительного увеличения объема просторвутся. Полимерные стаканчики помещались во влажную среду и выдерживались визотермических условиях при температуре 60оС в течение 12 часов.

Испытания проводились с использованием симплекс-решетчатогопланирования с псевдокомпонентами и обработкой результатов в системе STATISTICA6.0 [ см. Михеенков М.А. Решение задач строительного материаловедения сиспользованием вычислительных систем Math Cad и STATISTICA: Учебно-методическоепособие. ГОУ ВПО УГТУ – УПИ. Екатеринбург, 2003. 85 с.] . Общий видлокальной области проведения эксперимента приведен на рис. 1.

Рис. 1 Общий вид локальнойобласти проведения эксперимента, где Ц – содержание цемента, ВГЦ – содержаниевысокоглиноземистого цемента, Г – содержание гипса, усл. ед.

На рис. 2 и 3 показано влияние содержания в смесивысокоглиноземистого цемента и гипса на увеличение объема смеси относительноконтрольного образца на чистом портландцементе и прочность образцов при сжатии.Состав смеси представлен в псевдокомпонентах.

Анализ результатов испытаний, представленных на рис. 2 и 3,позволяет визуально выделить две области: А и В. Область А соответствуетстехиометрическому соотношению компонентов смеси, при котором образуетсямаксимальное количество высокосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция С3А3СH32. При этом видно, чтоотносительное увеличение объема смеси достигает 30%, но прочность смеси присжатии довольно низка и не превышает 10 МПа.

Рис. 2 Влияние содержания в смесикомпонентов на относительное увеличение объема

Рис. 3 Влияние содержания в смесикомпонентов на прочность при сжатии

Область В соответствует стехиометрическому соотношениюкомпонентов смеси, при котором образуется максимальное количествомоносульфатной формы гидросульфоалюмината кальция С3АСH12. В этой области прирост объемасмеси не превышает 10%, а прирост прочности относительно контрольного образцана чистом портландцементе составляет 35%.

Результаты испытания свидетельствуют о том, что дляпредотвращения усадочных явлений в безавтоклавных пенобетонах, при сохраненииих прочностных свойств, в пенобетонах целесообразно формировать моносульфатнуюформу гидросульфоалюмината кальция.

На возможность получения прочных структур при формировании впортландцементных бетонах моносульфата гидросульфоалюмината кальция указывалимногие исследователи [ см. Беркович Т.М. и др. Процессы гидратации приускоренном твердении цемента // Труды международной конференции по проблемамускорения твердения бетона при изготовлении сборных железобетонных конструкций.М.: Стройиздат, 1968] . Единственным недостатком подобной системы являетсядороговизна высокоглиноземистого цемента, являющегося источникомтрехкальциевого алюмината при формировании моносульфата гидросульфоалюминатакальция.

Для замены ВГЦ рассматривался отработанный катализатор наоснове гранулированного аморфного технического глинозема. Химический составглинозема, использованного в работе, приведен в таблице 1.

Табл. 1 Химический состав глинозема, использованного вработе

№ п/п	Наименование материала	Содержание в материале, мас.%							Влага, %		Размер частиц, мм
		Al2O3	SiO2	Fe2O3	TiO2	MgO	K2O	S	Wг	?mпрк
1	Глинозем технический гранулированный прокаленный	97,85	0,28	0,36	0,08	0,18	0,2	0,2	0	0,85	2–10
2	Глинозем технический гранулированный, не прокаленный	81,3	0,24	0,35	0,06	0,15	0,1	0,42	12,48	4,9	2–10

При введении отработанного катализатора использовался тот жеплан и методика проведения эксперимента, что и при введениивысокоглиноземистого цемента. Результаты испытаний не прокаленного катализаторапредставлены на рис. 4, 5, прокаленного – на рис. 6, 7.

Рис. 4 Влияние содержания в смеси не прокаленногокатализатора и гипса на относительное увеличение объема, где А – содержание всмеси не прокаленного катализатора

Рис. 5 Влияние содержания в смеси не прокаленногокатализатора и гипса на прочность при сжатии

Рис. 6 Влияние содержания в смеси прокаленного катализатораи гипса на относительное увеличение объема, где АП – содержание в смесипрокаленного катализатора

С

Рис. 7 Влияние содержания в смеси прокаленного катализатораи гипса на прочность при сжатии

Результаты испытаний свидетельствуют о том, что введениеотработанных катализаторов приводит к повышению прочности портландцементнойсуспензии, но увеличение прочности не коррелируется с увеличением объема смеси.Более того, в областях с повышенной прочностью наблюдаются даже усадочныеявления.

При введении не прокаленного катализатора прочность образцовс алюминатом увеличивается на 30% по сравнению с прочностью образцов на чистомпортландцементе, причем увеличение прочности наблюдается только вдоль оси Ц->А,т.е. гипс в реакцию вовлекается очень слабо. При введении прокаленногокатализатора наблюдается увеличение прочности образцов (в оптимальной области Сна 5–6%), причем увеличение прочности также происходит вдоль оси Ц->АП, нообласть с повышенной прочностью смещена частично в сторону гипса, т.е. гипсчастично вовлекается в реакцию с прокаленным катализатором. Вероятно, такоеповедение системы обусловлено реакцией вводимых алюминатов с гидрооксидомкальция. Хотя известно, что кристаллический глинозем с гидрооксидом кальция принормальной температуре не реагирует [ см. Кузнецова Т.В. и др. Физическаяхимия вяжущих материалов. М.: Высшая школа, 1989. С. 63] , возможно, даннаяреакция все же протекает, поскольку глинозем вводится в аморфной форме.Образование моносульфата гидросульфоалюмината кальция в присутствии полуводногогипса возможно при введении как прокаленного, так и не прокаленногокатализатора. Энергия Гиббса для реакции образования моносульфата гидросульфоалюминатакальция при введении прокаленного катализатора равна G(298)=-53,348 кДж/моль,а не прокаленного – G(298)=-58,624 кДж/моль. Образование эттрингита принормальной температуре для данной системы невозможно.

Поскольку образование однокальциевого и трехкальциевогоалюмината из оксида кальция и оксида алюминия возможно при нормальнойтемпературе [ см. Кузнецова Т.В. и др. Физическая химия вяжущих материалов.М.: Высшая школа, 1989. С. 63] , то для увеличения реакционной способности,увеличения объема смеси и снижения стоимости отработанный прокаленныйкатализатор переводился в однокальциевый или трехкальциевый алюминат (путемсовместного помола с оксидом кальция в шаровой мельнице) и в таком видевводился в смесь. Испытания проводились по описанной выше методике.

Результаты испытаний представлены на рис. 8, 9 и 10, 11. Каквидно из приведенных данных, при введении алюминатов кальция на основеотработанного катализатора прочность смеси повышается, причем повышениепрочности достаточно хорошо коррелируется с изменением объема смеси, а областиоптимальных прочностных и объемных характеристик смеси сдвинуты в сторонугипса. При введении прокаленного катализатора в виде однокальциевого алюминатаобразование моносульфата гидросульфоалюмината кальция в системе возможно(G(298)=-87,669 кДж/моль), а вот образование эттрингита невозможно(G(298)=100,749 кДж/моль).

Рис. 8 Влияние содержания в смеси СА на основе прокаленногокатализатора и гипса на относительное увеличение объема, где СА – содержание всмеси однокальциевого алюмината

Рис. 9 Влияние содержания в смеси СА на основе прокаленногокатализатора и гипса на прочность при сжатии

Рис. 10 Влияние содержания в смеси С3А на основепрокаленного катализатора и гипса на относительное увеличение объема, где С3А– содержание в смеси трехкальциевого алюмината

Рис. 11 Влияние содержания в смеси С3А на основепрокаленного катализатора и гипса на прочность при сжатии

При введении прокаленного катализатора в видетрехкальциевого алюмината, в системе возможно образование моносульфатагидросульфоалюмината кальция (G(298)=-351,469 кДж/моль), а также образованиеэттрингита (G(298)=-44,461 кДж/моль).

При введении отработанного катализатора в систему в видеоднокальциевого или трехкальциевого алюмината кальция очень высока вероятностьобразования гидросульфоалюминатов кальция в моносульфатной форме, поэтомурезультаты увеличения прочности хорошо коррелируются с данными увеличенияобъема смеси.

В результате проведения данной работы установлено, чтодля предотвращения усадочных явлений в системе на основе портландцемента (приодновременном повышении ее прочности) целесообразно формировать моносульфатгидросульфоалюмината кальция. Такую систему можно формировать при помощивысокоглиноземсистого цемента, а можно с помощью техногенных алюминатов,переведенных при нормальной температуре в однокальциевый и трехкальциевыйалюминаты. Положительным свойством данной системы также является ускоренныйнабор прочности в ранние сроки твердения.