Влияние активизаторов твердения на свойства ангидритовых вяжущих. Второв Б., Фишер Х.-Б.

Главная страница - Startseite

Источник:

Материалы Второго международного научно-технического семинара: Нетрадиционные технологии в строительстве - г.Томск, ТАСУ, 30 мая - 1 июня 2001, с. 371-376

ВЛИЯНИЕ АКТИВИЗАТОРОВ ТВЕРДЕНИЯ НА СВОЙСТВА АНГИДРИТОВЫХ ВЯЖУЩИХ

Второв Б., Фишер Х.-Б. (Bauhaus-Universitдt, Веймар, Германия)

Введение

Применение ангидритовых вяжущих в строительной индустрии Германии берет начало в конце 40-х годов двадцатого века. Основой для их производства стали месторождения природного ангидрита в Нижней Саксонии (Niedersachsen). С тех пор по сегодняшний день потребление ангидрита в строительстве с каждым годом неуклонно растет. Одной из причин тому – низкая себестоимость вяжущего из природного ангидрита. Энергозатраты на его производство приблизительно в 12 раз ниже по сравнению с энергозатратами на изготовление такого же количества портландцемента и в 3 раза ниже по сравнению со строительным гипсом. При этом прочностные показатели ангидритового вяжущего сравнимы с портландцементом.

С середины 70-х годов ангидрит находит применение преимущественно для изготовления бесшовных самонивелирующихся полов.

Наряду с природным возрастает роль и других разновидностей ангидрита, а именно синтетического и термического.

Синтетический ангидрит (называемый также химическим) – побочный продукт химической индустрии, например, при производстве плавиковой кислоты, получаемый в результате реакции плавикового шпата с концентрированной горячей серной кислотой.

Термический ангидрит – продукт термической обработки двуводного сульфата кальция. Для его производства преимущественно используется тонкодисперсный порошок (дополнительный помол не требуется), получаемый в процессе десульфуризации дымовых газов ТЭС известковым шламом.

В отличие от полуводного гипса, который в процессе гидратации быстро и полно реагирует до образования двугидрата, преобразование ангидрита в двуводный гипс зачастую не доходит до конца, а сама реакция протекает сравнительно медленно.

Выделяют 2 способа ускорения реакции гидратации и активизации твердения ангидритового вяжущего: повышение тонкости помола ангидрита и введение ускорителя твердения (активизатора). Активизация твердения с помощью химических реагентов более распространена и имеет перспективу дальнейшего развития.

Принцип действия активизаторов основывается на их способности влиять на процессы растворения ангидрита при затворении его водой. Процесс гидратации ангидрита в значительной мере зависит от вида активизатора. Наиболее распространенные способы активизации твердения можно разделить по химическому составу вводимых добавок :

сульфатная активизация (с помощью сульфатов щелочных металлов, сульфатов тяжелых металлов, кислых сульфатов),

щелочная активизация (Ca(OH)₂, NaOH),

преимущественно щелочная активизация (портландцементный клинкер, доменный шлак, шлакопортландцемент и др.),

смешанная активизация (щелочной компонент и добавка сульфата).

При этом очевидно, что каждому ангидриту для создания на его основе материала с комплексом заданных свойств требуется определенная комбинация, подходящих ему активизаторов твердения.

На сегодняшний день влияние комплексных (многокомпонентных) активизирующих добавок на свойства ангидритовых вяжущих пока недостаточно изучено.

Целью представленной работы является изучение влияния определенных активизаторов твердения (в том числе и многокомпонентных) на свойства ангидритовых вяжущих и разработка теоретических предпосылок к направленному регулированию свойств материалов на данном виде вяжущего.

Материалы, изучаемые свойства и методы исследований

В представленной работе исследования проводились на природном, синтетическом и термическом ангидритах. Некоторые характеристики ангидритов (молотых сырьевых материалов), поставляемых для производства вяжущих, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Основные характеристики ангидритов

Вид ангидрита	Истинная плотность, г/см³	Насыпная плотность, г/см³	Удельная поверх-ность (Blaine), см²/г	Содержание CaSO₄ II, %
природный	2,944	1,04	4300	96,8
синтетический	2,927	0,95	5900	98,3
термический	2,928	1,09	4300	98,5

В качестве сульфатных активизаторов применяли K₂SO₄, KAl(SO₄)₂Ч 12H₂O, Na₂SO₄, (NH₄)₂SO₄, CuSO₄, FeSO₄Ч 7H₂O, MgSO₄Ч 7H₂O, ZnSO₄Ч H₂O, NaHSO₄Ч H₂O, KHSO₄; в качестве щелочного активизатора - Ca(OH)₂.

В работе было исследовано влияние активизаторов на такие свойства ангидритовых вяжущих как водородный показатель и сроки схватывания смеси, предел прочности на изгиб и сжатие, степень гидратации, линейные деформации в процессе твердения. Исследования проводились с использованием стандартного лабораторного оборудования.

В настоящее время изучаются взаимозависимости между величиной и особенностями кристаллов гипса, строением порового пространства и физико-механическими свойствами материала. Исследования проводятся с применением методов электронной микроскопии и ртутной порозиметрии.

Результаты исследований

Из работ других авторов известно, что сульфатные активизаторы повышают прочность, а щелочные придают материалу постоянство объема. Поэтому при подборе состава вяжущего имеет смысл исходить из смешанного способа активизации твердения ангидрита.

В качестве исходных активизаторов в работе были приняты K₂SO₄ и Ca(OH)₂. Для всех трех видов ангидрита оптимальные значения концентраций в смеси K₂SO₄ составляют 0,6 ... 2,0 %, Ca(OH)₂ – 0,2 ... 0,3 %.

Установлено, что при введении в смесь исходных активизаторов все три ангидрита, несмотря на схожесть своего химического состава, проявляют совершенно различные свойства (табл. 2). Так для природного ангидрита характерны низкая прочность на сжатие и низкое значение степени гидратации. Термический ангидрит при сравнимых с природным ангидритом сроках схватывания обладает более высокими значениями прочности и степени гидратации. Синтетический ангидрит отличается очень длительными сроками схватывания и высокими усадочными деформациями.

Таблица 2

Свойства ангидритовых вяжущих

(активизаторы твердения - 2 % K₂SO₄ и 0,3 % Ca(OH)₂)

Вид ангидрита	Сроки схватывания, мин		Линейные деформации (через 48 ч), мм/м	Прочность на сжатие (через 28 сут), МПа	Степень гидратации (через 28 сут)
Вид ангидрита	начало	конец	Линейные деформации (через 48 ч), мм/м	Прочность на сжатие (через 28 сут), МПа	Степень гидратации (через 28 сут)
природный	120	180	0,14	17,9	0,48
синтетический	626	686	-1,33	55,1	0,82
термический	120	175	0,22	48,2	0,83

Направленное регулирование свойств вяжущих достигается комбинированием компонентов в составе комплексных активизаторов твердения. Для реализации этого в базовый состав ангидритового вяжущего с оптимальным содержанием исходных активизаторов (K₂SO₄ и Ca(OH)₂) вводились дополнительные сульфатные добавки. Исследования проводились с применением математических методов планирования эксперимента.

Для природного ангидрита установлено, что базовый состав должен содержать предпочтительно 2 % K₂SO₄ и 0,3 % Ca(OH)₂. Водородный показатель базовой смеси равен 13. Наибольшие значения прочности и степени гидратации достигаются при кислом характере среды (рН = 4,5 ... 7). Наибольшему снижению водородного показателя ангидритового теста способствуют добавки CuSO₄, FeSO₄Ч 7H₂O и KAl(SO₄)₂Ч 12H₂O. При оптимальном содержании указанных сульфатов в смеси прочность материала через 28 сут твердения достигает 38 ... 40 МПа, а степень гидратации 0,79 ... 0,94. Однако при кислом характере среды отмечаются также более высокие значения линейного расширения материала в процессе твердения (0,5 ... 6 мм/м) и более короткие сроки схватывания смеси.

Для термического ангидрита наибольший рост прочности и степени гидратации был отмечен при введении в смесь CuSO₄, KAl(SO₄)₂Ч 12H₂O FeSO₄Ч 7H₂O, MgSO₄Ч 7H₂O и KHSO₄. Большинство из этих сульфатов также ведет к значительному повышению линейного расширения материала в процессе твердения и сокращению сроков схватывания. Прочность образцов на основе термического ангидрита достигает 70 МПа.

Наибольшему росту прочности и степени гидратации синтетического ангидрита способствуют сульфаты FeSO_4Ч7H₂O, Na₂SO₄ и NaHSO_4ЧH₂O, а на ранних этапах твердения - FeSO_4Ч7H₂O и MgSO_4Ч7H₂O. Максимальное значение прочности вяжущего на основе синтетического ангидрита составляет 80 МПа. CuSO₄ наоборот вызывает снижение прочности и резко замедляет твердение материала. Несмотря на вводимые добавки для всех составов вяжущего на основе синтетического ангидрита характерно наличие усадочных деформаций в первые 48 часов твердения.

Исследование взаимосвязи между прочностью материала на сжатие и степенью гидратации трех видов ангидрита, отвержденных с помощью многокомпонентных активизаторов твердения, подтверждает наличие прямой зависимости между этими свойствами.

Выводы

В ходе проведенных исследований отмечено, что влияния на свойства ангидритового вяжущего отдельных добавок в составе комплексных активизаторов твердения очень различаются.

Одним из важных критериев, определяющих свойства материала, является водородный показатель смеси. Снижение рН в большинстве случаев вызывает рост физико-механических свойств вяжущего.

Установлено, что наибольшее линейное удлинение отмечается у составов с наибольшими значениями прочности. При этом развитие линейных деформаций материала в течение первых 48 часов гидратации носит сложный характер и требует дополнительного изучения.

Наилучшей добавкой в составе комплексного активизатора твердения, положительно влияющей на прочностные свойства всех трех ангидритов, является FeSO₄Ч 7H₂O.

Используются технологии uCoz