Смешанное вяжущее на основе глиноземистого цемента и мекаолина

 

В статье приведены результаты исследования процесса гидратации глиноземистого цемента с добавкой метакаолина и без добавки. Показан состав гидратов при длительном твердении ГЦ и смешанного цемента. Установлено, что высокая дисперсность метакаолина обеспечивает более высокую степень гидратации ГЦ, предотвращает перекристаллизацию гексагональных гидроалюминатов кальция в кубическую форму, способствуя плавному нарастанию прочности цементного камня при длительном твердении. Исследована и рекомендована композиция глиноземистого цемента, гипса и портландцемента для производства сухих строительных смесей.

 

Характерным свойством глиноземистого цемента (ГЦ) является быстрый рост прочности, особенно в начальные сроки твердения цементного камня, и высокая сульфатостойкость. Быстрый рост прочности сопровождается выделением большого количества тепла, поэтому его применяют при зимнем бетонировании. Несмотря, на большое значение глиноземистого цемента в создании вяжущих различного назначения, одним из его недостатков является снижение прочности при длительном твердении. Это обстоятельство при вело к запрещению использования ГЦ при возведении железобетонных конструкций. В последние десятилетие с развитием производства сухих строительных смесей ГЦ часто предлагается использовать в качестве одного из компонентов смесей. Поэтому немаловажно изучить стабильность свойств смесей, содержащих в своем составе ГЦ.

 

Причиной падения прочности цементного камня, по общему мнению , является перекристаллизация образовавшихся при гидратации цемента гексагональных гидроалюминатов в кубическую форму. В течение многих лет исследователями предлагаются различные способы предотвращения снижения прочности. Одни исследователи [2,5,6] предлагают вводить в состав ГЦ различные добавки с целью изменения состава продуктов гидратации, другие [3,4] считают необходимым установить определенные технологические параметры приготовления бетонов: низкое водоцементное отношение, отсутствие щелочей в заполнителе, температурные условия твердения.

 

Целью нашей работы являлось исследование влияния метакаолина на процесс гидратации ГЦ и свойства цементного камня. Подобрать, сравнить цены и купить цемент Екатеринбург стало на много проще, предложений компаний в разной ценовой категории.

 

Материалы и методы исследования

Для исследования были использованы: глиноземистый цемент ОАО «Пашийский металлургическо-цементный завод» и метакаолин ООО «Синерго» марки ВМК-40, химический состав которых представлен в табл. 1.

Таблица 1. Химический состав исходных материалов

 

№     Наименование     Количество оксидов, %

 

  А12о3     СаО     Si02     Fe203     п.п.п.     прочие

I     ГЦ     40,1     40,5     10.4     2,65     -     6,35

2     ВМК-40     41,8     0,7     51,5     2,3     2,8     0,9

Минералогический состав ГЦ был представлен (%):

моноалюминат кальция СА=40; геленит C2AS=38; С,2А7=10; другие — 12 (см. рис.).

 

Глиноземистый цемент характеризовался тонкостью помола по удельной поверхности Sya=3500 см2/г и остатку на сите № 008, равному 6,5%. Метакаолин имел следующие показатели Sys=16303 см2/ги 1^=0,95%.

 

После тщательного перемешивания исходных компонентов с различным их соотношением были получены смеси ГЦ с добавкой метакаолина в пределах 5-20%. Для изучения влияния метакаолина на процесс гидратации ГЦ были приготовлены образцы-кубы размерами 2x2x2 см при водоцементном отношении, равном 0,4. После водного твердения в течение 1-90 сут. образцы испытывали на прочность. Обломки образцов после их обработки спиртом с эфиром изучали с применением физико-химических методов. Определяли состав гидратных фаз, степень гидратации, пористость образцов. Для сравнения аналогичные исследования проводили с образцами из бездобавочного глиноземистого цемента.

 

Эксперименты и дискуссия

Результаты испытаний образцов на прочность приведены в табл. 2. Испытания показали, что введение даже небольшого количества метакаолина (5 масс. %) обеспечивает плавное нарастание прочности образцов по мере увеличения времени их твердения.

 

Наблюдается некоторая задержка в росте прочности цементного камня в период 3-7 сут., но при дальнейшем твердении вплоть до 90 сут. снижения прочности в сравнении с достигнутой через 7 сут. не наблюдается. Однако прирост прочности в период твердения от 60 до 90 сут. незначителен. Видимо, в структуре цементного камня идут параллельно увеличение степени гидратации, сопровождающееся повышением прочности, и частичная перекристаллизация гидратных соединений. Результатом этих двух процессов и является небольшое изменение прочности образцов.

 

Увеличение количества метакаолина в смеси способствует стабилизации твердеющего цементного камня. При этом отмечается, что при введении 20% метакаолина прочность цементного камня достигает более высоких значений при длительном твердении в сравнении с цементами, содержащими 5-10%, и без спадов прочности, характерных для бездобавочного цемента. Увеличение строительства привело к тому, что цемент Екатеринбург стал очень востребованным.

 

Рентгенофазовый анализ (РФА) гидратированных образцов показал, что состав гидратов в значительной степени отличается от состава гидратов бездобавочного ГЦ и зависит от количества введенного метакаолина. При гидратации бездобавочного ГЦ в первые сутки образуется гексагональный гидроалюминат кальция С2АН8, который в дальнейшем перекристаллизовывается в кубическую форму С3АН6, что сопровождается снижением прочности цементного камня. По мере длительности процесса гидратации происходит образование новых порций гексагонального гидроалюмината и перекристаллизация в кубическую форму, что отражается на изменении величины прочности (рост и падение).

 

Добавка метакаолина к ГЦ способствует образованию стратлингита C2ASH8 в результате реакции ионов Са2+ и А13+ с аморфным кремнеземом метакаолина. Гидратные соединения представлены в виде С2АН8, C2ASH8 и гидрограната кальция. На рентгенограммах образцов дифракционные максимумы линий C2ASH8 (d = 12,58; 6,3 А) появляются уже через 7 сут., а линии с d = 2,80,2,72 А, характерные для гидрограната состава C3ASH4, обнаруживаются через 28 сут.

 

Установлено, что степень гидратации ГЦ с добавкой метакаолина увеличивается в сравнении с бездобавочным цементом. Видимо, этому способствует повышенная дисперсность метакаолина. Высокая степень гидратации цемента обуславливает низкую пористость цементного камня и, соответственно, более высокую его прочность во все сроки твердения (табл. 3).

 

Отсутствие перекристаллизации гидроалюминатов кальция при твердении ГЦ с добавкой метакаолина предопределило наши последующие исследования.

 

Была приготовлена смесь, состоящая из портландцемента, глиноземистого цемента, метакаолина и гипса. Процентное соотношение компонентов составляло, соответственно: портландцемент — 68; ГЦ — 15; метакаолин — 10; гипс — 5. К смеси был добавлен наполнитель в виде кварцевого песка при соотношении смешанного цемента и наполнителя, равном 1:1. Испытания показали, что смесь быстро схватывается: начало схватывания составляет 7 мин. и конец — через 12 мин. Прочность через 3 сут.  достигает 40 МПа, в 28 сут. — 50 МПа, через 90 сут. - 68 МПа.

 

Выводы: