RU2781727C1 - Модификатор структуры и свойств цементного камня - Google Patents

Модификатор структуры и свойств цементного камня Download PDF

Info

Publication number
RU2781727C1
RU2781727C1 RU2021124539A RU2021124539A RU2781727C1 RU 2781727 C1 RU2781727 C1 RU 2781727C1 RU 2021124539 A RU2021124539 A RU 2021124539A RU 2021124539 A RU2021124539 A RU 2021124539A RU 2781727 C1 RU2781727 C1 RU 2781727C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cement
calcium chloride
cacl
modifier
properties
Prior art date
Application number
RU2021124539A
Other languages
English (en)
Inventor
Лариса Алексеевна Урханова
Павел Васильевич Березовский
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления
Application granted granted Critical
Publication of RU2781727C1 publication Critical patent/RU2781727C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для изготовления материалов и изделий из бетона в гражданском и промышленном строительстве, в том числе с использованием нанотехнологий. Технический результат изобретения - повышение прочности при сжатии цементного камня, уменьшение расхода модификатора структуры и свойств цементного камня, снижение себестоимости бетонных материалов и изделий на основе модифицированного цемента, более простое и доступное приготовление модификатора структуры и свойств цементного камня. Модификатор включает портландцемент, воду и добавку - гидрозоль соли хлорида кальция CaCl2, вводимую в состав портландцемента добавку - гидрозоль хлорида кальция CaCl2 - готовят путем гидролиза соли хлорида кальция CaCl2 в виде раствора 2%-ной концентрации, причем дозировка раствора соли хлорида кальция CaCl2 варьируется в количестве от 0,2 до 1% от массы цемента, при этом расход сухой соли составляет от 0,004 до 0,02% от массы цемента. 1 табл.

Description

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для изготовления материалов и изделий из бетона в гражданском и промышленном строительстве, в том числе с использованием нанотехнологий.
В теории и практике цементных бетонов известно, что неорганические соли играют роль регуляторов процессов твердения цемента. Модификаторы - химические добавки в процессе гидратации существенно влияют не только на кинетику структурообразования цементного камня, но и на ряд качественных показателей структуры на различных уровнях структурообразования: на атомно-молекулярном уровне, в процессе образования первичных структурных комплексов, в том числе коллоидного размера, формирования поровой структуры и структуры на уровне изделий. Поиск и изучение свойств новых неорганических добавок продолжается. Так, соль хлорид кальция CaCl2 и другие являются ускорителями твердения цемента, при этом рекомендуемые дозировки лежат в пределах от десятых долей процентов до целых процентов.
Известно, что для добавки CaCl2 дозировка составляет 1-2% от массы цемента при водоцементном отношении 0,35-0,50 (см. Добавки в бетон: справочное пособие / B.C. Рамачандран, Р.Ф. Фельдман, М. Коллепарди и др.: под редакцией С.С.Рамачандрана: перевод с англ.: Т.И. Розенберг и С.А. Болдырева. - М.: Стройиздат, 1988. - 575 с.).
Однако известно, что использование в качестве ускорителей твердения хлоридов в рекомендуемых дозировках вызывает быстрое загустевание бетонной смеси, коррозию арматуры и технологического оборудования, что ограничивает их применение в железобетоне.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является модификатор структуры и свойств цементного камня, представляющий собой гидрозоль хлорида кальция, полученный механоакусти-ческой обработкой раствора хлорида кальция с концентрацией 0,032-0,965 моль/л, что соответствует содержанию добавки 0,1-3% от массы при водоце-ментном отношении 0,28. Продолжительность от момента механоактивации раствора CaCl2 до его применения не более 1,5 ч. Механоакустическую обработку раствора хлорида кальция осуществляют на лабораторной роторно-импульсной установке А-1.00.00 ПС, обеспечивающей комплексное воздействие на обрабатываемую систему сдвиговых нагрузок, кавитации и ультразвука. Скорость вращения ротора на роторно-импульсной установке составляет 4200 об/мин, продолжительность обработки раствора с добавкой - 150 с. (см. Кокшаров С.А., Базанов А.В., Федосов СВ., Акулова М.В., Слизнева Т.Е. Анализ влияния дисперсности хлорида кальция в механоактивирован-ном растворе на структуру и свойства цементного камня //Строительные материалы. - 2016. - №1-2. - С. 55-61).
Недостатками известного модификатора структуры и свойств цементного камня являются недостаточная прочность цемента, необходимость применения специального технологического оборудования - роторно-импульсной установки для механоакустической обработки раствора хлорида кальция CaCl2, длительность механоактивации гидрозоля хлорида кальция CaCl2 и повышенный расход добавки, что влияет на себестоимость бетонных материалов и изделий.
Технической задачей изобретения является получение модификатора структуры и свойств цементного камня для улучшения его физико-механических свойств гидрозолем хлорида кальция CaCl2, полученного путем гидролиза соли хлорида кальция CaCl2.
Технический результат изобретения - повышение прочности при сжатии цементного камня, уменьшение расхода модификатора структуры и свойств цементного камня, снижение себестоимости бетонных материалов и изделий на основе модифицированного цемента, более простое и доступное приготовление модификатора структуры и свойств цементного камня.
Технический результат достигается тем, что модификатор структуры и свойств цементного камня включает портландцемент, воду и добавку - гидрозоль соли хлорида кальция CaCl2, согласно изобретению вводимую в состав портландцемента добавку гидрозоль хлорида кальция CaCl2=приготовленную путем гидролиза соли хлорида кальция CaCl2 в виде раствора 2%-ной концентрации, причем дозировка раствора соли хлорида кальция CaCl2 варьируется в количестве от 0,2 до 1% от массы цемента, при этом расход сухой соли составляет от 0,004 до 0,02% от массы цемента.
Следует отметить, что это меньше, чем рекомендуемая дозировка 1-2% - от 50 до 500 раз. При введении 2%-ого раствора хлорида кальция CaCl2 в воду для затворения происходит разбавление раствора от 25 до 150 раз.
Следует также отметить, что применение предлагаемого изобретения повышает прочность цементного камня за счет использования модификатора структуры и свойств цементного камня, в том числе в начальные сроки твердения, ускоряет сроки твердения цементного камня в начальный период, снижает расход добавки при получении модифицированного цементного камня.
Темпы набора прочности модифицированного цемента отличаются высокой интенсивностью. Цементный камень с использованием добавки - модификатора структуры и свойств цементного камня отличается низкой пористостью и отсутствием крупных капиллярных пор.
Отличительной особенностью получения модификатора структуры и свойств цементного камня является гидролиз соли хлорида кальция CaCl2.
Изменение дозировки соли производят с помощью 2%-ого раствора хлорида кальция CaCl2, в котором согласно известным химическим законам, многоступенчатый процесс гидролиза хлорида кальция CaCl2 протекает до конца с образованием на промежуточной стадии гидроксосоли кальция. Гидролиз соли хлорида кальция CaCl2 протекает по следующим химическим реакциям:
CaCl2+H2O=Са (ОН)Cl+HCl
Са(ОН)Cl+H2O=Са(ОН)2+HCl
Приготовленный путем гидролиза раствор хлорида кальция CaCl2 имеет следующие отличия:
- гидролиз хлорида кальция CaCl2 идет до конца с образованием гид-роксида кальция Са(ОН)2 и соляной кислоты HCl;
- образуемый гидроксид кальция Са(ОН)2, как правило, находится в коллоидном состоянии с большой водной оболочкой мицелл, препятствующей агрегации частиц;
- дисперсность коллоидных частиц гидроксида кальция Са(ОН)2 лежит в области наноразмерных частиц - меньше 5 нм;
- высокая химическая активность добавок в силу высокой удельной поверхности образуемых наночастиц.
Экспериментально установлено, что при введении в состав цемента гидрозоля хлорида кальция CaCl2 происходит повышение прочности при сжатии цементного камня в возрасте 1 суток твердения - на 33%, в возрасте 3 суток - на 68% и в возрасте 28 суток - на 74%. Модификатор структуры и свойств цементного камня в виде гидрозоля хлорида кальция CaCl2 при оптимальной концентрации 0,012% в перечете на сухую соль не только повышает прочность цементного камня, но и ускоряет процессы твердения цемента: в возрасте 3 суток твердения прочность цементного камня выше, чем у контрольного образца на 58%; в возрасте 7 суток твердения - на 63%.
Увеличение скорости набора прочности цемента в присутствии добавки гидрозоля хлорида кальция CaCl2 объясняется ускорением гидратации основного минерала портландцемента 3CaO⋅SiO2 - C3S. Ускорение реакции обусловливается уменьшением длительности индукционного периода гидратации за счет интенсификации процесса образования зародышей кристаллов новых гидратных фаз. Механизм гидратации цемента при введении традиционного количества хлорида кальция в количестве 1-4% от массы цемента заключается в следующем: введение хлорида кальция снижает щелочность жидкой фазы гидратирующегося C3S, снижая ее рН. Снижение рН может быть компенсировано ускорением гидратации C3S. Хлориды могут быть в свободном состоянии в виде поверхностных комплексов с C-S-H-фазой в индукционном периоде, в хемосорбированном состоянии на поверхности C-S-Н, в межплоскостных пространствах и в решетке C-S-H. В период ускорения адсорбция хлорид-ионов может оказывать автокаталитическое действие, в том числе на возникающие центры кристаллизации.
Данный механизм имеет место при введении солей в больших концентрациях. В предлагаемом изобретении дозировка добавок лежит в пределах от 0,004 до 0,02% от массы цемента в пересчете на сухую соль. Наряду с вышеперечисленным механизмом гидратации цемента в присутствии хлоридов, который приводит к ускорению твердения, играет роль следующий механизм гидратации: образуемый при гидролизе хлорида кальция CaCl2 гид-роксид кальция Са(ОН)2 в виде коллоидного раствора с различной по времени устойчивостью иммобилизует часть воды в гидратную оболочку, что приводит к снижению водоцементного отношения при сохранении реологических характеристик цементного теста и к образованию более плотной структуры цементного камня.
Кроме того, повышение прочности цементного камня с добавкой гидрозоля хлорида кальция CaCl2 в возрасте 28 суток твердения связано с высокой дисперсностью продуктов гидролиза хлорида кальция и их взаимодействия с минералами цемента, вследствие чего происходит кольматация микропор цементного камня.
Экспериментальные исследования показали, что количественное содержание модификатора структуры и свойств цементного камня в виде 2%-го раствора хлорида кальция CaCl2 составляет от 0,2 до 1%, при этом расход сухой соли составляет от 0,004 до 0,02%) от массы цемента.
Содержание состава модификатора структуры и свойств цементного камня подбирают таким образом, что получаемые образцы имеют максимальные прочностные показатели.
Для модификации цементного камня применяют портландцемент ЦЕМ I 42,5Н ГОСТ 31108-2016 «Цементы общестроительные. Технические условия» ООО «Тимлюйский цементный завод» (Республика Бурятия).
Готовят пять смесей портландцемента с модификатором структуры и свойств цементного камня, расход которого в виде 2%-ого раствора хлорида кальция CaCl2 составляет 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0% от массы цемента, при этом расход сухой соли составляет: 0,004; 0,008; 0,012; 0,016; 0,02% от массы цемента соответственно. Одновременно готовят контрольный состав портландцемента без добавки - состав №6 (табл.) и три известных состава портландцемента с гидрозолем хлорида кальция CaCl2 - составы №7, 8 и 9 по прототипу (табл.).
Смеси для составов №1-5 готовят следующим образом. Добавку готовят в виде 2%-ого раствора хлорида кальция CaCl2: 2 г хлорида кальция безводного по ГОСТ 450-77 «Кальций хлористый технический. Технические условия» и 98 мл дистиллированной воды. В портландцемент добавляют водную суспензию, содержащую гидрозоль хлорида кальция CaCl2 при водоцементном отношении, равном 0,28-0,30, тщательно перемешивают в течение 4-5 минут, затем формуют образцы-призмы размером 40×40×160 мм. Образцы хранят при стандартных условиях: t=18±2°C, W=95-100%, затем испытывают на прочность при сжатии в возрасте 28 суток твердения. Испытания образцов на прочность проводят по стандартной методике в соответствии с требованиями ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии» на гидравлическом прессе ПГ-10.
Figure 00000001
Аналогичным образом готовят образцы из контрольной смеси по составу 6: в портландцемент добавляют воду до водоцементного отношения 0,28. Тщательно перемешивают в течение 4-5 мин, затем формуют образцы-призмы размером 40×40×160 мм. Образцы твердеют в нормальных условиях при t=20±2°C и влажности 95-98% в гидравлической ванне затвора.
Известные составы №7, 8, 9 по прототипу готовят следующим образом: гидрозоль хлорида кальция CaCl2 готовят путем механоакустической обработки хлорида кальция безводного в количестве 0,032-0,965 моль/л, что соответствует содержанию гидрозоля хлорида кальция CaCl2 в количестве 0,1-3% от массы цемента, и дистиллированной воды на лабораторной роторно-импульсной установке при скорости вращения ротора 4200 об/мин при продолжительности обработки 150 с.
Полученный гидрозоль хлорида кальция CaCl2 добавляют в портландцемент при водоцементном отношении 0,28-0,30, смешивают, затем формуют образцы-призмы одинаковой подвижности размером 40×40×160 мм. Образцы твердеют в нормальных условиях при t=20±2°C и влажности 95-98%. Исследуемые образцы испытывают на прочность через 28 суток. Испытания образцов на прочность проводят по стандартной методике в соответствии с требованиями ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии» на гидравлическом прессе ПГ-10.
Анализ полученных результатов (табл.) позволяет сделать следующие выводы:
- прочность цементного камня с использованием предлагаемой добавки - гидрозоля хлорида кальция CaCl2 - лежит в пределах 57,5-82,5 МПа после 28 суток твердения, что превышает прочность цементного камня без добавок на 21-74%, а также превышает прочность цементного камня, приготовленным по прототипу, на 2,3-70%;
- повышение прочности камня с добавкой в виде гидрозоля хлорида кальция CaCl2 связано с появлением множественных центров кристаллизации в цементной системе, повышением интенсивности протекания структурных преобразований в объеме цементного теста и преждевременным инициированием процессов твердения цементного камня, с протеканием гидролиза соли с образованием гидроксида кальция, дисперсность коллоидных частиц образуемого гидроксида лежит в области наноразмерных частиц, что снижает дефектность и пористость цементного камня;
- прочность цементного камня с гидрозолем хлорида кальция CaCl2, полученного путем гидролиза соли хлорида кальция CaCl2, выше прочности цементного камня с гидрозолем хлорида кальция CaCl2, полученного меха-ноакустическим способом, что связано с тем, что при сильном разбавлении раствора хлорида кальция гидролиз соли идет до конца с образованием соответствующего гидроксида кальция;
- расход добавки - гидрозоля хлорида кальция CaCl2 в 25-148 раз меньше по сравнению с введением в состав портландцемента гидрозоля хлорида кальция CaCl2, приготовленного механоакустическим способом;
- способ получения гидрозоля хлорида кальция CaCl2 путем гидролиза соли хлорида кальция CaCl2 по сравнению механоакустическим способом проще, доступнее и не требует специального технологического оборудования.
Предлагаемый модификатор структуры и свойств цементного камня готовят следующим образом.
Хлорид кальция безводный CaCl2 берут в количестве 2 г, затем добавляют дистиллированную воду затворения в количестве 98 мл. Полученный 2%-й раствор хлорида кальция CaCl2 в количестве 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0% от массы цемента добавляют в воду, которую затем добавляют в портландцемент. Из цемента формуют образцы-призмы пластичного формования при водоцементном отношении 0,28-0,30 размерами 40×40×160 мм. Образцы-призмы хранят при стандартных условиях: температура 18±2°С, влажность 95-100%, затем испытывают на прочность при сжатии в возрасте 1, 3, 7, 28 суток твердения.
Примеры, подтверждающие получение портландцемента с модификатором структуры и свойств цементного камня.
Пример 1
Добавку - гидрозоль хлорида кальция CaCl2, полученную путем гидролиза соли хлорида кальция CaCl2, в виде 2%-го раствора в количестве 0,2% от массы цемента добавляют в воду затворения. Цемент смешивают с водой до получения теста нормальной консистенции при водоцементном отношении 0,28-0,30, затем из полученного цементного теста формуют образцы-призмы размером 40×40×160 мм. Образцы твердеют в нормальных условиях при t=20±2°C и влажности 95%.
Предел прочности при сжатии цементного камня в возрасте 28 суток составляет 80 МПа.
Пример 2
Проводят аналогично примеру 1, при следующем содержании добавки
- в виде 2%-ого раствора соли хлорида кальция CaCl2 в количестве 0,4% от массы цемента.
Предел прочности при сжатии цементного камня в возрасте 28 суток составляет 80 МПа.
Пример 3
Проводят аналогично примеру 1, при следующем содержании добавки
- в виде 2%-ого раствора соли хлорида кальция CaCl2 в количестве 0,6% от массы цемента.
Предел прочности при сжатии цементного камня в возрасте 28 суток составляет 82,5 МПа.
Пример 4
Проводят аналогично примеру 1, при следующем содержании добавки
- в виде 2%-ого раствора соли хлорида кальция CaCl2 в количестве 0,8% от массы цемента. Предел прочности при сжатии цементного камня в возрасте 28 суток составляет 62,5 МПа.
Пример 5
Проводят аналогично примеру 1, при следующем содержании добавки
- в виде 2%-ого раствора соли хлорида кальция CaCl2 в количестве 1,0% от массы цемента.
Предел прочности при сжатии цементного камня в возрасте 28 суток составляет 57,5 МПа.
Таким образом, предлагаемый модификатор структуры и свойств цементного камня имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом (см. Кокшаров С.А., Базанов А.В., Федосов С. В., Акулова М.В., Слизнева Т.Е. Анализ влияния дисперсности хлорида кальция в механоактивирован-ном растворе на структуру и свойства цементного камня // Строительные материалы. - 2016. - №1-2. - С. 55-61):
- повышение прочности цементного камня с использованием предлагаемого модификатора структуры и свойств цементного камня;
- уменьшение расхода добавки;
- снижение себестоимости бетонных материалов и изделий на основе модификатора структуры и свойств цементного камня;
- простое и доступное приготовление модификатора структуры и свойств цементного камня.
Предлагаемый модификатор структуры и свойств цементного камня может быть использован для изготовления материалов и изделий из бетона в гражданском и промышленном строительстве, в том числе с использованием нанотехнологий.

Claims (1)

  1. Модификатор структуры и свойств цементного камня, включающий портландцемент, воду и добавку - гидрозоль соли хлорида кальция CaCl2, отличающийся тем, что вводимую в состав портландцемента добавку - гидрозоль хлорида кальция CaCl2 - готовят путём гидролиза соли хлорида кальция CaCl2 в виде раствора 2%-ной концентрации, причем дозировка раствора соли хлорида кальция CaCl2 варьируется в количестве от 0,2 до 1% от массы цемента, при этом расход сухой соли составляет от 0,004 до 0,02% от массы цемента.
RU2021124539A 2021-08-19 Модификатор структуры и свойств цементного камня RU2781727C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2781727C1 true RU2781727C1 (ru) 2022-10-17

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2119900C1 (ru) * 1995-10-16 1998-10-10 Александр Владимирович Русинов Комплексная добавка для бетонной смеси
WO2016207429A1 (en) * 2015-06-26 2016-12-29 Construction Research & Technology Gmbh Additive for hydraulically setting compositions
RU2725559C1 (ru) * 2019-07-05 2020-07-03 Марсель Янович Бикбау Литая и самоуплотняющаяся бетонная смесь для производства монолитного бетона и сборных изделий из железобетона

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2119900C1 (ru) * 1995-10-16 1998-10-10 Александр Владимирович Русинов Комплексная добавка для бетонной смеси
WO2016207429A1 (en) * 2015-06-26 2016-12-29 Construction Research & Technology Gmbh Additive for hydraulically setting compositions
RU2725559C1 (ru) * 2019-07-05 2020-07-03 Марсель Янович Бикбау Литая и самоуплотняющаяся бетонная смесь для производства монолитного бетона и сборных изделий из железобетона

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
КОКШАРОВ С.А. и др. Анализ влияния дисперсного хлорида кальция в механоактивированном растворе на структуру и свойства цементного камня. Журнал Строительные материалы, N1-2, 2016, с.55-61. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gaitero et al. Reduction of the calcium leaching rate of cement paste by addition of silica nanoparticles
Larbi et al. Interaction of polymers with Portland cement during hydration: a study of the chemistry of the pore solution of polymer-modified cement systems
Nikhil et al. Impact of Water Quality on Strength Properties of Concrete.
Souza et al. Role of chemical admixtures on 3D printed Portland cement: Assessing rheology and buildability
RU2256630C1 (ru) Высокопрочный бетон
Polyakov et al. Additives for heavy concrete based on industrial waste from chemical industries
RU2471752C1 (ru) Сырьевая смесь для высокопрочного бетона с нанодисперсной добавкой
RU2781727C1 (ru) Модификатор структуры и свойств цементного камня
Reddy et al. Study on effect of alccofine and nano silica on properties of concrete-A review
RU2505500C1 (ru) Высокопрочный бетон
Lilkov et al. Physical and mechanical characteristics of cement mortars and concretes with addition of clinoptilolite from Beli Plast deposit (Bulgaria), silica fume and fly ash
RU2489381C2 (ru) Сырьевая смесь для высокопрочного бетона с нанодисперсной добавкой (варианты)
Yuanliang et al. Unveiling the role of Portland cement and fly ash in pore formation and its influence on properties of hybrid alkali-activated foamed concrete
RU2642897C1 (ru) Облегченная тампонажная смесь
Belyakov et al. Study of the effect of recent chemical admixtures on the modified polysterene concrete properties
Jiang et al. Study on the preparation and performance of an early strength agent for liquid alkali-free accelerator
RU2569140C1 (ru) Сырьевая смесь для высокопрочного фибробетона
RU2119900C1 (ru) Комплексная добавка для бетонной смеси
Negim et al. Utilization of styrene copolymer lattices (DBSS/PVA) as chemical admixture for mortar
Embong et al. Study on the early hydration of cement paste containing sodium chloride
RU2133238C1 (ru) Бетонная смесь
CN108249803A (zh) 一种低温条件下水泥水化热调控材料及其制备方法
RU2222507C2 (ru) Комплексная добавка "Алвик"
RU2801191C1 (ru) Высокопрочный бетон
Aburumman et al. A Comparison between Natural Pozzolana and Fly Ash Replacements on the Mechanical Properties of Concrete