Новости

Новости

Теория гидратации и твердения системы тройной системы вяжущих веществ «ДГШ - MK - цемент»


На основе результатов исследования двоичной системы «ДГШ - цемент» был проведен анализ тройной системы вяжущих веществ «ДГШ - MK - цемент». В экспериментальных исследованиях использовался портландцемент марки Дун-Ши класса прочности 42.5R Цзидунского цементного завода, MK и ДГШ Таншаньского и Уханьского металлургических заводов. Химический состав и характеристики частиц трех вяжущих веществ приведены в табл. 10.6.
По сравнению с цементом, ДГШ содержит больше MgO, SiО2 и Al2O3, но значительно меньше CaO; содержание стеклянной фазы высокое, практически нет кристаллических продуктов. Показатель гидравлической активности ДГШ (отношение CaO/SiO2) составляет 1.07; щелочность (отношение (CaO+MgO+Al2O3y)/SiO2) - 1.78; также ДГШ обладает хорошей активностью реакции. С помощью технологии ультратонкого помола доменный шлак подвергался домолу до удельной поверхности 700 м3/кг (шлак S3) и 800 м2/кг (шлак S4). MK состоит, в основном, из аморфного SiO2; его дозировка составляет 90.25 %; цвет серый.

Путем замены части цемента на ДГШ (20% ДГШ S3 и 30% ДГШ S4) и MK (10%) получены следующие системы вяжущих веществ (см. табл. 10.7):
А - бездобавочный портландцемент;
В и С - двойные системы «портландцемент - ДГШ»;
D и C -тройные системы «портландцемент - ДГШ - МК».

Анализ продуктов гидратации

При водоцементном соотношении, равном 0.25, были приготовлены растворы с различными видами вяжущих систем (А, В, С, D и Е). Результаты, полученные с помощью метода рентгеновской дифрактометрии для четырех различных возрастов твердения растворов, представлены на рис. 10.4—10.7.

Анализ представленных результатов показал, что введение ДГШ и MK значительно уменьшает формирование кристаллов CH из продуктов гидратации и C3S, C2S, а также количество непрогидратировавших минералов цементного клинкера. Подобные изменения начинают происходить в возрасте 3 суток, а к 28 и 60 суткам твердения их содержание снижается еще больше. По сравнению с контрольным раствором (система А), величина дифракционного пика CH (d=4.69А) для образцов с минеральными добавками (системы В, С, D и Е) снижается. Например, для системы Е, содержащей 10% MK и 30% ДГШ с удельной поверхностью 800 м2/кг, данная величина составляет лишь 25% от контрольного состава, что свидетельствует о более быстром протекании реакции гидратации цемента в присутствии минеральных добавок и возникновении очевидного пуццоланового эффекта.
Отдельное введение ДГШ также оказывает положительное воздействие, однако не такое яркое, как при использовании двух видов минеральных добавок. Анализ результатов, полученных методом рентгеновской дифрактометрии (XRD) показал, что реакционная активность ДГШ увеличивается с повышением его тонкости помола; степень гидратации образцов с добавлением ДГШ с удельной поверхностью 800 м2/кг и пуццолановый эффект (оцениваемый по степени уменьшения количества кристалла CH) выше, чем при использовании ДГШ с удельной поверхностью 700 м2/кг.
Скорость протекания реакции гидратации с MK выше, чем с ДГШ. Проведенные исследования показали, что для ВЦБ уже через 1 сутки частицы MK вступили в реакцию; отношение Ca/Si гелей составляет около 0,75. Через 7 суток твердения наблюдается растворение частиц MK с потерей сферичности формы; образуемые продукты гелей концентрированного кремния имеют высокое соотношение Ca/Si (около 1.35). Через 14 суток большее количество частиц MK уже приняло участие в пуццолановой реакции, образуя C-S-H гель, имеющий плотную сетчатую структуру.
Микроструктура растворов вяжущих веществ

Совместное введение ДГШ и MK выражает очевидный суперпозиционный эффект, требующий, с одной стороны, значительно сократить количество образованных кристаллов CH, а с другой стороны - изменить вид формируемых кристаллов CH, что позволит улучшить структуру раствора и его свойства.
Микрофотографии (SEM) структуры затвердевшего раствора вяжущих веществ системы С, содержащей 30% ДГШ с удельной поверхностью 800 м2/кг в возрасте 3 и 28 суток представлены на рис. 10.8 и 10.9. На данных фотографиях не видно кристаллов CH с высокой кристаллизацией; они уже потеряли свою первоначальную форму. По представленной на рис. 10.9 микрофотографии структуры видно, что к 28 суткам твердения она становится более плотной и состоит, в основном, из гелей.
При добавлении в состав цементного теста MK, ДГШ и других активных минеральных веществ наблюдается участие большого числа кристаллов CH в реакции гидратации. Проведенные исследования показали, что присутствие кристаллов CH очень важно для протекания реакции растворения частиц MK; в процессе растворения, частицы MK образуют концентрированные силиконовые гели и гель C-S-H. который препятствует росту свободных крупных кристаллов CH на всех этапах твердения.

Теорию протекания реакции с ДГШ можно объяснить следующим образом: при встрече частиц ДГШ с водой образуются псевдоаморфные слои с очень низкой проницаемостью, которые препятствуют проникновение воды к поверхности частиц ДГШ; именно поэтому среди более крупных частиц ДГШ даже в большом возрасте остаются непрогидратировавшие частицы.
Микрофотографии структуры растворов вяжущих веществ с MK и ДГШ (система Е) в возрасте 3, 7 и 28 суток показаны на рис. 10.10-10.15. При рассмотрении фотографий можно отметить, что с увеличением сроков твердения структура постепенно становится более однородной и плотной, что является важной причиной достижения высокой прочности раствора. Заметно, что в более раннем возрасте (3 и 7 суток) образуется большое количество продуктов гидратации в виде игольчатых кристаллов AF1, которые накладываются друг на друга и позволяют получать более высокую прочность.
Из сравнения рис. 10.11, 10.13 и 10.15 видно, что формирование игольчатых кристаллов AF1 начинается уже в возрасте 3 суток и продолжается в возрасте 7 суток (наблюдается увеличение количества кристаллов AF1 вокpyг пор). К 28 суткам твердения в структуре практически нет игольчатых кристаллов, а основную структуру цементного камня образовывают гели C-S-H, заполняющие поры раствора.
Полученные результаты подтверждают, что при совместном введении ДГШ и MK в ВЦБ формируется низкое содержание гидроксида кальция, что является препятствием к образованию AF1. Гидратация ДГШ происходит на основе растворения силиката и алюмината в присутствии ОН-; при большей щелочности быстрое растворение Al3+ приводит к образованию AF1. В присутствии MK. в связи со средней щелочностью, вероятность образования AF1 не высока.

По сравнению с раздельным введением ДГШ. совместное введение MK и ДГШ содействует образованию продуктов гидратации AF1 в раннем возрасте. Можно предположить, что при среднем размере частиц до 1-5 мкм протекание реакции ДГШ целесообразно разделить на два этапа: ДГШ с очень маленькими частицами и MK участвуют в реакции гидратации цемента в раннем возрасте (до 7 суток), образуя каркас кристаллической структуры AF1 и потребляя основное число кристаллов CH для формирования геля C-S-H1 что позволяет уже в раннем возрасте создать более плотную и прочную структуру. Процесс гидратации более крупных частиц ДГШ больше похож на гидратацию простого шлака, которые принимают участие на более поздних сроках твердения (после 7 суток) и обеспечивают дальнейший набор прочности.
В данной главе приведены результаты исследования продуктов гидратации вяжущих веществ, состоящих из портландцемента, ДГШ и MK1 и анализ микроструктуры затвердевших растворов. Результаты показали, что частицы ДГШ с удельной поверхности 700 м2/кг в процессе гидратации цемента играют роль, отличающуюся от роли обычного шлака. Из-за большей активности, ДГШ участвует в процессе гидратации цемента в более ранний период, снижая концентрацию кристаллов CH. Совместное введение ДГШ и MK обеспечивает достижение эффекта суперпозиций, содействующего росту кристаллов AF1, образованию более прочного каркаса в ранний период, увеличению количества геля C-S-H и улучшению микроструктуры затвердевшего раствора. Доказано, что использование данных композиционных вяжущих позволяет получить составы ВЦБ с высокими механическими свойствами, хорошей подвижностью и долговечностью.