Применение методов калориметрии в исследовании процессов гидратации портландцемента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение методов калориметрии в исследовании процессов гидратации портландцемента

Фомина Наталья Николаевна

Кебедов Махач Батилмирзаевич

Аннотации

Проанализированы калориметрические методы исследования процессов гидратации портландцемента. Показаны этапы процесса гидратации. Подтверждено, что калориметрические методы позволяют идентифицировать процессы гидратации портландцемента и косвенно предположить динамику роста прочности различных цементных систем в изделиях.

Ключевые слова: калориметрия, гидратация, портландцемент, твердение, прочность, тепловыделение.

Fomina Natalia Nikolaevna

Kebedov Makhach Batilmirzaevich

APPLICATION BY CALORIMETRY IN THE STUDY OF CEMENT HYDRATION ARTS

Annotation. Analyzed calorimetric methods for studying the processes of hydration of Portland cement. The stages of the hydration process. It is confirmed that calorimetric methods allow identifying the processes of hydration of cement and indirectly suggesting the dynamics of growth of the strength of different systems in the cement product.

Keywords: calorimetry, hydration, cement, curing, strength, heat dissipation.

В настоящее время определение прочностных характеристик цементного камня и в целом бетона является довольно сложным процессом. Сложность обусловлена несколькими причинами: громоздкость оборудования, большие затраты времени и труда, колебание составов, свойств и характеристик цемента, а также сложность обеспечения однородности свойств бетона.

Известно, что количество теплоты, которое выделяется цементом при гидратации, имеет прямую зависимость от степени гидратации цемента. Также установлено, что характер тепловыделения и рост прочности цементного камня и бетона взаимосвязаны [1]. В связи с этим разработка и внедрение новых методов, в том числе калориметрических, прогнозирования роста прочности цементных систем являются важной научно-практической задачей.

Калориметрия - это совокупность методов измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся при каком-либо процессе. Для определения количества выделившейся теплоты применяются специальные установки - калориметры. Комплекс частей калориметра, среди которых распределяется измеряемое количество теплоты, называется калориметрической системой. Для определения параметров тепловыделения используются калориметры - осциллографы и интеграторы различных типов, которые характеризуются точностью и инерционностью. Получаемая информация может регистрироваться в аналоговой или цифровой формах. Обе формы регистрации результатов измерений имеют свои достоинства: аналоговая - обладает наглядностью и простотой в фиксировании тепловых эффектов гидратации, но требует определенных затрат на обработку результатов эксперимента и внесение поправок при их корректировке, особенно значительных для быстропротекающих процессов; цифровая - более пригодна для осуществления количественного термокинетического анализа, выделения отдельных стадий, моделирования кинетики тепловыделения и прогнозирования показателей теплоты гидратации с обязательным использованием программного обеспечения.

Калориметрическим исследованиям, в том числе и процессов гидратации портландцемента, посвящено много научных работ.

В Национальном университете строительства и архитектуры (Харьков, Украина) под руководством проф. А.В. Ушерова-Маршака активно развиваются калориметрические исследования. В одной из работ [2] с физико-химических и технологических позиций проведен количественный калориметрический мониторинг влияния добавок на ранние стадии твердения цементосодержащих систем. Исследования выполнялись на портландцементе с минеральными добавками, в качестве модификаторов выбраны суперпластификатор на основе сульфированных нафталин-формальдегидных соединений и ускоритель твердения - сульфат натрия. Установлены ожидаемые изменения в кинетике твердения цементосодержащих смесей. Введение суперпластификатора и увеличение его концентрации замедляют скорость и степени гидратации, что подтверждается калориметрически. Комплексное введение суперпластификатора и ускорителя в значительной степени нивелирует замедляющее действие суперпластификатора. Авторами установлены значения критериев эффективности, количественно отражающих влияние добавок на ранние стадии гидратации цемента.

В работе [3] обосновывается взаимосвязь тепловыделения при гидратации цемента и прочности материала на его основе путем сопоставления характеристик, полученных для контрольного состава и состава, модифицированного ускоряющей твердение добавкой "Релаксол" на основе тиосульфата и роданида натрия. Определена разница между тепловыделением контрольного состава (чистый цемент) и состава, модифицированного ускорителем твердения. Показана повышенная интенсивность тепловыделения на ранней стадии гидратации состава с ускорителем по отношению к контрольному составу, что свидетельствует о реальном ускорении процесса гидратации цемента при введении модифицирующей добавки. Авторами исследования установлено, что в любой момент времени в интервале от начала затворения водой до 220 часов твердения суммарное тепловыделение при гидратации состава с ускорителем превышает аналогичный параметр для контрольного образца, а в возрасте 220 часов суммарное тепловыделение образцов сравнивается. Исследования динамики набора прочности цементно-песчаных образцов контрольного состава и состава с ускорителем твердения подтверждают полученные калориметрические зависимости [3]. Авторами доказано, что сравнение динамики роста прочности цементных композиций разных составов может быть осуществлено косвенно через интегральные кривые тепловыделения с использованием метода калориметрии.

Цель настоящей работы - исследовать процесс гидратации портландцемента калориметрическими методами.

В качестве объекта исследования выбран сульфатостойкий портландцемент ЦЕМ-II производства Holcim Rus (г. Вольск). Исследования проводились с помощью калориметра ТАМ AIR, который был стабилизирован на температуру 25 оС [4]. Образцы цемента помещались в ампулы, затворялись водой при водоцементном соотношении 0,5. Параллельно готовились ампулы сравнения, в которые помещался инертный материал - песок с водой в таком же количестве и в той же пропорции.

Исследование процессов гидратации проводилось в течение 3 суток.

В результате проведенного эксперимента получен характерный график тепловыделения в процессе гидратации цемента (рис. 1).

На графике тепловыделения исследуемого портландцемента в процессе гидратации прослеживаются следующие периоды:

На I этапе, в пределах 1 часа, наблюдается индукционный период, интенсивного тепловыделения не происходит, на этом этапе процесс гидратации определяется большей частью процессом образования эттрингита.

На II этапе происходит ускорение реакций, сопровождающееся активным тепловыделением, что свидетельствует о начале гидратации силикатов. Первый максимум на кривой тепловыделения регистрируется через 10 часов гидратации цемента.

Далее наблюдается спад интенсивности тепловыделения с определенным периодом постоянной скорости тепловыделения в интервале 14-18 часов гидратации. калориметрический гидратация цементный

Максимум второго экзоэффекта регистрируется через 20 часов. Далее прослеживается снижение интенсивности тепловыделения, что свидетельствует о замедлении взаимодействия, сопровождающегося снижением концентрации сульфатов. Далее уклон кривой тепловыделения уменьшается, наступает период длительного взаимодействия.

Рис. 1. Тепловыделение портландцемента в процессе гидратации:

I - индукционный период; II - период ускорения реакций; III - первый экзоэффект; IV - постоянная скорость тепловыделения; V - второй экзоэффект; VI - замедление взаимодействия; VII - длительное взаимодействие

Таким образом, калориметрические исследования позволяют идентифицировать процессы, происходящие при гидратации портландцемента, и косвенно предположить динамику роста прочности различных цементных систем в изделиях.

Литература

1. Ушеров-Маршак А.В. Калориметрия цемента и бетона / А.В. Ушеров-Маршак. - Харьков: Факт, 2002. - 183 с.

2. Ушеров-Маршак А.В. Калориметрический мониторинг ранних стадий твердения цемента в присутствии добавок / А.В. Ушеров-Маршак, А.В. Кабусь // Неорганические материалы. 2013. - Т. 49. - № 4. С. 449-452.

3. Адамцевич А.О. Использование калориметрии для прогнозирования роста прочности цементных систем ускоренного твердения / А.О. Адамцевич, С.А. Пашкевич, А.П. Пустовгар // Инженерно-строительный журнал. - 2013. - № 3. - С.36-42.

4. Иващенко Ю.Г. Вяжущие вещества в строительстве: учеб. пособие / Ю.Г. Иващенко, Н.Н. Фомина. - Саратов: СГТУ, 2015. - 156 с.

Размещено на Allbest.ru