ARTICOLE REGULARE

sodiu

Efect combinat al sulfatului de sodiu și al superplasticizantului asupra hidratării cimentului zburător amestecat cu ciment Portland ®

Mukesh Kumar I; Narendra Pratap Singh II; Sanjay Kumar Singh III; Nakshatra Bahadur Singh IV, *

I Kryton, Compania Buildmat, Pvt. Ltd., Gurgaon, 122102, India
II Department of Chemistry, U. P. Autonomous College, Varanasi, 221002, India
Institutul III de Inginerie și Tehnologie, Lucknow, 226021, India
IV RTDC, Școala de Inginerie, Sharda, Universitatea, Greater Noida, India

Efectul combinat al superplasticizantului de tip policarboxilat și al sulfatului de sodiu asupra hidratării cimentului Portland ® amestecat cu cenușă zburătoare a fost studiat folosind diferite tehnici. Au fost determinate consistența apei, timpii de fixare, conținutul de apă neevaporabilă, percolarea apei, conținutul de aer, rezistența la compresiune și expansiunea în atmosferă corozivă. Produsele de hidratare au fost examinate cu ajutorul tehnicilor de difracție cu raze X și DTA. Se constată că superplastifiantul reduce dimensiunea porilor și adsorbția acestuia pe suprafețele de ciment este redusă în prezența sulfatului de sodiu. Se discută despre mecanismul de hidratare.

Cuvinte cheie: Ciment Portland ®, cenușă zburătoare, superplastifiant, sulfat de sodiu, hidratare

1. Introducere

Există o scădere continuă a resurselor naturale pe de o parte și o creștere rapidă a deșeurilor industriale și agricole pe de altă parte, care creează probleme de manipulare, eliminare și mediu. Activitățile pozzolanice ale acestor materiale au determinat înlocuirea parțială a clincherului în ciment pentru a produce cimenturi compozite 1,2. Liantii cementizi sunt vitali pentru toate tipurile de activități de construcție. Utilizările cimenturilor compozite ca alternative la cimentul Portland® au fost introduse în ultimele decenii fie din motive de reducere a costurilor, performanță, durabilitate, fie din motive de mediu.

Acum, zilnic, cenușa zburătoare și alte cenușe din deșeurile agricole sunt utilizate în mod obișnuit pentru înlocuirea parțială a clincherului de ciment. Cimenturile compozite sunt, de asemenea, utilizate pentru dezvoltarea betoanelor de înaltă performanță. Acest lucru se bazează în principal pe reducerea drastică a raportului apă-ciment cu adaosuri de superplastifianți pentru a menține o bună fezabilitate și îmbunătățirea dimensiunii agregatului și a ambalării strânse cu umplutură reactivă (pozzolana de exemplu cenușă zburătoare). Dezavantajele majore ale adaosurilor de cenușă zburătoare sunt rezistențele timpurii scăzute ale betonului 3. Au fost folosite diverse metode, atât mecanice, cât și chimice, pentru a activa cenușa zburătoare pentru a depăși această problemă. Cu toate acestea, până acum nu s-au obținut rezultate satisfăcătoare.

În această lucrare am studiat efectul sulfatului de sodiu asupra hidratării cimentului compozit de cenușă zburătoare în prezența unui superplastifiant de tip policarboxilat cu denumirea de marcă Glenium 51.

2. Experimental

2.1. Materiale

Cimentul Portland ® (OPC) obținut de la Vikram Cement, India a fost utilizat pentru studii de hidratare. Compozițiile oxidice și mineralogice sunt date în tabelele 1 și respectiv 2. Distribuția mărimii particulelor de ciment Portland ® este dată în Figura 1. Cenușa zburătoare (FA) a fost obținută de la centrala termică Dadri. Compoziția chimică a cenușii zburătoare este dată în tabelul 3. Suprafața sa Blain este de aproximativ 3200 cm 2 .g -1. Glenium 51 (compania de construcții chimice BASF India), un lichid de culoare maro deschis, cu greutatea specifică de 1,08 la 25 ° C, conținut de clorură 6, a fost utilizat ca superplastifiant de tip policarboxilat (SP). Sulfatul de sodiu (Na2SO4) (Merck) a fost utilizat ca amestec de accelerare. 20 gr. (%) cenușă zburătoare OPC ciment compozit (FAOPC) a fost utilizat pentru hidratare.

2.2.1. Determinarea consistenței standard a apei

Consistențele apei au fost determinate cu ajutorul aparatului Vicat (I S: 4031 partea 4, 1988).

2.2.2. Determinarea timpilor de setare

Timpii inițiali și finali de stabilire au fost determinați cu ajutorul aparatului Vicat (I S: 4031 partea 5, 1988).

2.2.3. Pregătirea probelor hidratate

Zece grame de OPC și FAOPC în absența și prezența a 0,1 în greutate. (%) SP, 2,0 în greutate (%) Na2SO4 și combinația lor au fost bine amestecate separat în pungi de polietilenă cu 3 ml apă, astfel încât raportul greutate/c a devenit 0,3. Aerul din interiorul sacilor a fost îndepărtat pentru a evita carbonatările. Reacțiile de hidratare au fost lăsate să continue la temperatura camerei (± 28 ° C) și s-au oprit la diferite intervale de timp (1, 3,7,14 și 28 de zile) cu alcool izopropilic și dietil eter. Probele hidratate au fost încălzite la 105 ° C timp de 1 oră. Probele uscate au fost depozitate în pungi de polietilenă și păstrate într-un desicator.

2.2.4. Determinarea conținutului de apă neevaporabilă

Aproximativ un gram de probe hidratate pentru diferite intervale de timp au fost cântărite în creuzete ceramice și încălzite la 105 ° C timp de 1 oră pentru a îndepărta apa adsorbată. Când au fost scoase din cuptor, masa creuzetelor și a probelor au fost determinate din nou înainte de a le pune într-un cuptor la 1000 ° C timp de cel puțin 1 oră. Din pierderile de masă la 1000 ° C au fost calculate conținutul de apă neevaporabilă.

2.2.5. Determinarea percolării apei prin aparatul de permeabilitate

140 g OPC + 28 g FA + 700 g nisip;

140 g OPC + 28 g FA + 700 g nisip + 0,14 g SP;

140 g OPC + 28 g FA + 700 g nisip + 2,8 g Na2SO4; și

140 g OPC + 28 g FA + 700 g nisip + 2,8 g Na2SO4 + 0,14 SP

Au fost amestecați separat cu 42 ml apă pentru a avea un raport apă/solid (greutate/greutate) de 0,3. Mortarele au fost bine amestecate în mixerul Hobart. Fiecare mortar a fost plasat într-o matriță conform IS 2645. După 24 de ore, mortarele au fost demolate și imersate în rezervoare de apă separat timp de 20 de zile. Matrițele au fost apoi fixate într-un aparat de permeabilitate unde a fost aplicată o presiune de 2,0 kg.cm -2 (presiunea a fost crescută încet de la 0,5 la 2,0 kg.cm -2). Percolarea apei a fost măsurată la fiecare 1 oră în ceea ce privește greutatea apei percolate timp de 8 ore.

2.2.6. Determinarea conținutului de aer

Conținutul de aer din beton realizat din amestecurile de mai sus a fost determinat cu ajutorul aparatului de antrenare a aerului.

2.2.7. Determinarea rezistenței la compresiune

Rezistența la compresiune a mortarelor de ciment (OPC: nisip-1: 3) în absența și prezența FA, Na2SO4 și SP au fost determinate cu ajutorul mașinii de testare a rezistenței la compresiune la 28 de zile de hidratare.

2.2.8. Efectul atmosferei corozive asupra cimentului hidratat

Matrițele cilindrice de OPC și FAOPC în prezența și absența Na2SO4 și SP (diametru 3,0 cm și lungime 3,0 cm) au fost preparate la un raport w/c de 0,3. După 24 de ore, cilindrii de ciment au fost scoși din matrițe și păstrați sub apă timp de 28 de zile pentru întărire. Aceste forme au fost apoi păstrate în N/60 H2SO4 și expansiunile au fost măsurate în funcție de timp cu ajutorul aparatului Le Chatelier.

2.3. Studii DTA

Studiile DTA ale probelor hidratate au fost efectuate folosind instrumentul NETZSCH STA în atmosferă de azot la o rată de încălzire de 10 ° C/min.

2.4. Studii de difracție cu raze X

Modele de difracție cu raze X în pulbere au fost înregistrate cu difractograf cu raze X utilizând radiații CuK α.

3. Rezultate si discutii

Reacția chimică care are loc în timpul hidratării cimentului este în general mai complexă decât simpla conversie a compușilor anhidri în hidrații corespunzători. Reacția de hidratare este de natură exotermă și de îndată ce cimentul intră în contact cu apa, încep procesele de prindere și întărire. Pentru a face o pastă de consistență standard, este necesar un anumit raport w/c optim. Schimbarea consistenței apei pentru FAOPC în prezența SP, Na2SO4 și combinația lor sunt date în Figura 2. Consistența apei FAOPC este mai mare decât cea a OPC singur. Acest lucru se poate datora suprafeței mai mari a FA. În prezența a 0,1 gr. (%) SP, consistența apei este scăzută așa cum se aștepta în mod normal în prezența unui superplastifiant. Cu toate acestea, 2,0 gr. (%) Na2SO4 a crescut consistența apei. Acest lucru se datorează efectului său de accelerare în timpul hidratării cimentului, precum și rolului său în activarea activității FA. În prezența unui amestec de 0,1 în greutate. (%) SP și 2,0 în greutate (%) Na2SO4, consistența apei a scăzut, dar mai mare decât cea în prezența SP singur. Acest lucru arată că, în prezența Na2SO4, adsorbția SP pe suprafața particulelor FAOPC este redusă și, prin urmare, forțele de dispersie sunt reduse.

Variația timpilor de setare inițială și finală este prezentată în Figura 3. Timpii de setare pentru FAOPC sunt mai mici decât cei ai OPC. S-a raportat deja că, în prezența FA, evoluția căldurii este mai mare decât cea a OPC singur. Datorită cantității mai mari de căldură evoluată, hidratarea este accelerată și, prin urmare, timpul de setare este redus. Deoarece SP este un reductor de apă și în primele ore se comportă ca întârziat, timpul de setare este crescut în prezența sa. Na2SO4 este un accelerator bine cunoscut pentru hidratarea cimentului și activează, de asemenea, activitatea FA. Prin urmare, reacția de hidratare este crescută în prezența Na2SO4. Ca urmare, timpul de setare este redus. În prezența unei combinații de 0,1 în greutate. (%) SP și 2,0 în greutate (%) Na2SO4, timpii de setare sunt ușor mai mari decât cei în prezența Na2SO4 singur, dar mult mai mici decât cei în prezența SP. Acest lucru confirmă din nou că, în prezența Na2SO4, adsorbția SP pe suprafața particulelor FAOPC este redusă.

În timpul hidratării apa reacționează cu constituenții de ciment formând compuși hidrați. Două tipuri de apă: apa evaporabilă și cea neevaporabilă sunt prezente în cimentul hidratat. Apa evaporabilă poate fi determinată prin încălzirea la 105 ° C sau prin înghețarea sau îndepărtarea cu solvent. Conținutul de apă neevaporabilă (Wn) sau apa combinată chimic are o estimare aproximativă a gradului de hidratare și poate fi determinată din pierderea în greutate la 1000 ° C. Variația lui Wn cu timpul de hidratare este prezentată în Figura 4. Valorile cresc în mod continuu cu timpul în toate cazurile. Acest lucru indică pur și simplu că gradul de hidratare crește cu timpul, dar nu există o secvență definită.

Conținutul de aer din diferite matrițe este prezentat în Figura 6. Din curbă este clar că valoarea este minimă pentru FAOPC în prezența a 0,1 în greutate. (%) SP. Acest lucru confirmă din nou că, în prezența SP, structura devine mai densă și dimensiunea porilor este redusă. În prezența a 2,0 gr. (%) Na2SO4 hidratarea FAOPC este accelerată și, ca rezultat, se formează mai mulți produse de hidratare, dar nu fac structura densă, astfel încât conținutul de aer din matriță este crescut. Cu toate acestea, în prezența unui amestec de SP și Na2SO4, există un efect rezultat la fel de evident din figură. Aceasta confirmă din nou că, în prezența Na2SO4, adsorbția SP este redusă și, ca rezultat, puterea sa de dispersie este redusă. Din această cauză structura nu este la fel de densă ca în prezența SP numai.

Rezistențele la compresiune ale diferitelor mortare hidratate timp de 28 de zile sunt date în Figura 7. Rezultatele arată că rezistența la compresiune a FAOPC în prezența a 0,1 gr. (%) SP este maxim. Prin definiție, rezistența la compresiune a unui material este acea valoare a stresului de compresie uniaxial la care materialul eșuează complet. Rezistența la compresiune a mortarelor depinde de o serie de factori, cum ar fi: gradul de hidratare, calitatea cimentului, nisipul, raportul g/c, temperatura, distribuția mărimii particulelor, mărimea porilor, distribuția mărimii porilor etc. Cu toate acestea, mărimea porilor este unul dintre factorii importanți care controlează rezistența la compresiune. În general scade porozitatea, cu atât rezistența la compresiune este mai mare. În prezența a 0,1 gr. (%) SP rezistența la compresiune este maximă, ceea ce arată clar că dimensiunea porilor este scăzută. Astfel, în cazul FAOPC, SP reduce dimensiunea porilor sau blochează porii și, ca urmare, rezistența la compresiune este crescută.

Efectul atmosferei corozive asupra matrițelor de ciment în prezența H2SO4 diluat a fost studiat și expansiunile au fost măsurate în funcție de timp (Figura 8). Extinderea matriței FAOPC în prezența a 0,1 în greutate. (%) SP a fost mult mai scăzut în orice moment. Mecanismele de degradare ale materialelor cimentare sunt puternic influențate de capacitatea de penetrare a fluidelor agresive și există o relație importantă între structura porilor solidelor, proprietățile de transport al fluidelor și degradare. Aceasta înseamnă că, dacă structura porilor mortarului este de dimensiuni diferite de cea a betonului tradițional, ar putea fi de așteptat unele modificări ale comportamentului de durabilitate. Deoarece în prezența SP acțiunea corozivă a H2SO4 este redusă considerabil, arată că SP reduce dimensiunea porilor pastei FAOPC și nu permite acidului să intre în pori.

De asemenea, au fost înregistrate studii TG și DTA ale probelor hidratate (28 de zile) (Figura 9). Forma curbelor era aproape similară. Singurele diferențe au fost în cantitatea de produse de hidratare din probele hidratate. Acest lucru este indicat de diferențele în zonele de vârf (vârfurile DTA). În toate cazurile, există trei vârfuri endoterme sub 300 ° C. Vârfurile se datorează îndepărtării apei adsorbite și descompunerii ettringitei și a fazei C-S-H. Vârful endotermic puternic la aproximativ 450 ° C se datorează descompunerii hidroxidului de calciu format în timpul hidratării. Zona de vârf în cazul FAOPC a fost hidratată timp de 28 de zile în prezența a 0,1 în greutate. (%) superplasticifiant și 2,0 în greutate. (%) sulfat de sodiu este minim. Acest lucru arată că activitatea pozolanică a cenușii zburătoare este îmbunătățită în prezența a 0,1 în greutate. (%) superplasticifiant și 2,0 în greutate. (%) sulfat de sodiu. Studiile de difracție cu raze X (Figura 10) confirmă, de asemenea, constatarea de mai sus. Cantitatea de hidroxid de calciu este minimă în prezența superplasticizantului și a sulfatului de sodiu.

Rezultatele generale arată că superplastifiantul este adsorbit pe suprafața cimentului amestecat FAOPC și modifică structura matricei hidratate. Totuși, în prezența sulfatului de sodiu, adsorbția superplasticizantului este redusă. În prezența unui amestec de superplasticifiant și sulfat de sodiu, rezultă un efect asupra compactității structurii.

4. Concluzii

Rezultatele au arătat că superplastifiantul a redus dimensiunea porilor cimentului Portland® amestecat cu cenușă zburătoare în timpul hidratării și a scăzut percolarea apei și a crescut rezistența la compresiune de 28 de zile. Sulfatul de sodiu a accelerat hidratarea și a crescut activitatea cenușii zburătoare, dar în prezența sa adsorbția superplasticizantului a scăzut. Ca urmare, compactitatea structurii matricei hidratate în prezența sulfatului de sodiu și a superplasticizantului nu este la fel de mare ca și în prezența superplasticizantului singur.

Mulțumiri

Unul dintre noi (Mukesh Kumar) îi este recunoscător dlui. Ron Yuers, președinte - KIM, Canada și dl. Umesh K. Kakkar, Director General, KBCPL, India pentru permisiunea de a realiza acest proiect și furnizarea tuturor facilităților de laborator.

1. Singh NB și Middendorf B. Chimia cimenturilor amestecate partea I: pozzolane naturale, cenușă zburătoare și zgură de furnal granulat. Cement International. 2008; 6 (4): 76-91. [Link-uri]

2. Singh NB și Middendorf B. Chimia cimenturilor amestecate partea II: fum de silice, metakaolin, cenușă reactivă din deșeuri agricole, materiale inerte și cimenturi amestecate non-Portland. Cement International. 2009; 7 (6). [Link-uri]

3. Lee CY, Lee HK și Lee KM. Rezistența și caracteristicile microstructurale ale sistemelor de cenușă zburătoare activate chimic. Cercetarea cimentului și betonului. 2003; 33 (3): 425-431. [Link-uri]

4. Lorenzo MP, Goñi S și Guerrero A. Activarea reacției pozzolanice a pastelor de cenușă zburătoare din ciment portland hidratat în soluție de sulfat. Jurnalul Societății Americane de Ceramică. 2004; 85 (12): 3071-3075. [Link-uri]

5. Kumar R, Kumar S și Mehrotra SP. Către soluții durabile pentru cenușa zburătoare prin activare mecanică. Resurse, conservare și reciclare. 2007; 52 (2): 157-179. [Link-uri]

6. Nawa T și Eguchi H. Efectul caracteristicilor cimentului asupra fluidității pastei de ciment care conține un amestec organic. În: Congresul internațional privind chimia cimentului; 1992; New Dehli, India. Nou Dehli. p. 579-603. [Link-uri]

7. Chiocchio G și Paolini AE. Timp optim pentru adăugarea de superplastifianți la pastele de ciment portland. Cercetarea cimentului și betonului. 1985; 15 (5): 901-908. [Link-uri]

8. Andersen PJ, Kumar A, Roy DM și Wolf-Confer D. Efectul concentrației de sulfat de calciu asupra adsorbției unui superplasticizant asupra unui ciment: metode, potențial zeta și studii de adsorbție. Cercetarea cimentului și betonului. 1986; 16 (2): 255-259. [Link-uri]

9. Kim BG, Jinag SP și Aitcin PC. Mecanismul de îmbunătățire a scăderii alcalinelor din pasta de ciment superplasticizată PNS. Materiale și structuri. 2000; 33 (225-234): 363-369. [Link-uri]

Primit: 7 noiembrie 2009
Revizuit: 19 martie 2010

Tot conținutul acestui jurnal, cu excepția cazului în care se menționează altfel, este licențiat sub o licență de atribuire Creative Commons