Пропорции жидкого стекла в цементный раствор: Как правильно добавлять жидкое стекло в цементный раствор

Прочность и усадка при высыхании пасты и раствора из активированного щелочью шлака

На этой странице

Целью данного исследования является исследование прочности и усадки при высыхании пасты и раствора из активированного щелочью шлака. Прочность на сжатие, прочность на растяжение и усадку при высыхании активированной щелочью шлаковой пасты и строительного раствора измеряли при различных соотношениях жидкость/шлак, песок/шлак, возрасте отверждения и температуре отверждения. Экспериментальные результаты показывают, что более высокая прочность на сжатие и прочность на растяжение наблюдаются при более высокой температуре отверждения. В возрасте 56 дней растворы AAS демонстрируют более высокую прочность на сжатие, чем растворы из портландцемента, а растворы AAS с соотношением жидкость/шлак 0,54 имеют самую высокую прочность на растяжение среди всех растворов AAS. Кроме того, усадка ААС при высыхании выше, чем у растворов ААС. Между тем, у растворов из ААС наблюдалась более высокая усадка при высыхании, чем у сопоставимых растворов на основе портландцемента.

1. Введение

Активированный щелочью шлак (ААС) имеет большой потенциал для использования побочных продуктов промышленности. Производство бетонов AAS связано с низким потреблением энергии и низким уровнем выбросов CO ₂ . Исследована щелочная активация шлака [1–6]. Основным продуктом его реакции является малокристаллический гидратированный силикат кальция. По сравнению с портландцементами и бетонами, AAS-цементы и бетоны имеют ряд преимуществ, таких как более ранняя и более высокая прочность, более низкая теплота гидратации и более высокая стойкость к химическому воздействию. Однако они имеют и некоторые недостатки, такие как быстрое схватывание и высокая скорость усадки с образованием микротрещин [7].

Набор прочности и усадка при высыхании ААС определяются природой соединений, образующихся в процессе активации и отверждения [8]. Collins и Sanjayan [9] исследовали влияние внутреннего отверждения AAS-бетона путем замены крупного заполнителя нормальной массы полностью насыщенным шлаковым крупным заполнителем и показали, что прочность на сжатие улучшилась, а усадка при высыхании была меньше. Пуэртас и др. [7] обнаружили, что природа матрицы является наиболее важным фактором развития прочности. Krizan и Zivanovic [10] сообщили, что прочность на сжатие нормально отвержденных стеклошлаковых цементов выше, чем у портландцементных растворов, и усадка при высыхании щелочношлаковых цементов также выше, чем у портландцемента. Бахарев и др. [11] изучали влияние повышенной температуры отверждения на свойства бетона ААС и пришли к выводу, что термическая обработка значительно ускоряет набор прочности, но в более позднем возрасте прочность на сжатие снижается по сравнению с бетоном, отвержденным при комнатной температуре. Кроме того, термическое отверждение значительно снижает усадку AAS-бетона. Фернандес-Хименес и др. [3] изучили прочность на изгиб и сжатие растворов AAS и сообщили, что жидкий силикат натрия дает самую высокую прочность. Факторами, влияющими на прочность на изгиб и сжатие, были концентрация активатора, температура отверждения и крупность шлака.

Состав шлака зависит от сырья и промышленных продуктов; таким образом, каждый шлак по-разному реагирует на активацию [4]. Между тем, было опубликовано множество исследований прочности на сжатие и усадки растворов и бетонов AAS. Однако данных о прочности на растяжение недостаточно, и, в частности, ранее не сообщалось о влиянии различных соотношений песка и шлака на прочность и усадку AAS растворов и бетонов. Поэтому одной из целей данного исследования является исследование и предоставление дополнительных данных о прочности на растяжение. Другой целью данного исследования является улучшение понимания влияния соотношения жидкость/шлак, соотношения песок/шлак, возраста отверждения и температуры отверждения на прочность и усадку паст и растворов AAS.

2. Экспериментальные программы

2.1. Материалы

Химический состав ГБФС, использованных в данной работе, приведен в таблице 1. Коэффициент основности K _b = (CaO + MgO)/(SiO ₂ + Al ₂ O ₃ ) а модуль гидратации HM = (CaO + MgO + Al ₂ O ₃ )/SiO ₂ исходя из химического состава составил 0,93 и 1,75 соответственно. Его удельный вес и крупность по Блейну составляли 2900 кг/м ^.3 и 383 m ² /кг соответственно. Индекс активности шлака на 7 и 28 сутки составил 70,36 % и 104,63 % соответственно. В качестве эталонного вяжущего использовали обычный портландцемент (ОПЦ) тип I с удельным весом 3150 кг/м ³ и крупностью по Блейну 364 м ² /кг. Его химический состав также показан в табл. 1. В качестве мелкого заполнителя использовался речной песок, удельный вес, водопоглощение и модуль крупности мелкого заполнителя составляют 2,66, 2,8% и 2,72 соответственно.

Наиболее часто используемыми щелочными активаторами являются смеси NaOH с силикатом натрия (Na ₂ O·SiO ₂ ) [12]. В данном исследовании щелочную активацию ГФС проводили с использованием гранул NaOH плотностью 2130 кг/м ³ и раствора силиката натрия (Na ₂ O·SiO ₂ · n H ₂ O) состоит из 37,0 % SiO ₂ , 17,7 % Na ₂ O и 45,3 % H ₂ O по массе и модуля раствора ( M _s = SiO ₂ /Na ₂ О) 2,09.

2.2. Подготовка смеси и образцов

Строительные растворы на основе щелочно-активированного шлака (AAS) с тремя отношениями жидкости к вяжущему 0,44, 0,54 и 0,64 и тремя уровнями отношения песка к вяжущему 0, 1 и 2 на кубический метр раствора в соответствии с рекомендациями ACI были разработаны соответственно. Массовые пропорции обычной портландцементной растворной смеси в качестве контроля составляли 1 : 2 : 0,54 цемента, песка и воды соответственно. 122 г/л (грамм на литр) гидроксида натрия, 123 г/л силиката натрия и 0,77 М растворов фосфорной кислоты смешивали, обеспечивая модуль в растворе (массовое отношение SiO ₂ по Na ₂ O), , равно 1,01, в качестве активаторов для активации шлака. Шлак активировали щелочными растворами. Образцы были отлиты и выдержаны в стальных формах в течение 24 часов, после чего они были извлечены из формы и затем перемещены в камеру отверждения до проведения испытаний. Для всех смесей оценивали прочность и усадку при отверждении при температуре 23, 65 и 85°С.

2.3. Методы

Испытания образцов на прочность при сжатии проводились в соответствии с ASTM C109.-08. Для каждой смеси готовили по три кубических образца размером 50 × 50 × 50 мм. Испытания на прочность на растяжение проводили в соответствии со стандартом ASTM C190. Испытания на прочность на изгиб призматических образцов с размерами 40 × 40 × 160 мм проводились в соответствии с ASTM C348. Прочность на сжатие, прочность на растяжение и прочность на изгиб раствора из активированного щелочью шлака определяли в возрасте 3, 7, 28 и 56 сут соответственно. Измерение усадки при высыхании проводили согласно ASTM C596. Длину () усадочных образцов измеряли в возрасте 3, 7, 14, 21, 28, 35, 42, 49 лет. и 56 дней соответственно. Затем изменение длины рассчитывали по следующей формуле: где номинальная эффективная длина.

Для каждой смеси были приготовлены и испытаны в этом исследовании три образца.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Прочность на сжатие

Основным продуктом гидратации, обнаруживаемым в ААС, является низкокристаллический гидратированный силикат кальция, такой как гель C-S-H с низким соотношением кальция/кремния, гидроталькит и эттрингит или фаза AFm [7, 13-16]. Вероятно, это связано с растворами с высоким pH, что способствует низкой концентрации кальция и высокой концентрации кремния. Прочность на сжатие паст и растворов ААС с различными температурами отверждения и соотношением песок/шлак представлена ​​на рисунках 1, 2 и 3. Прочность на сжатие портландцементных растворов представлена ​​в таблице 2. Прочность на сжатие паст и растворов ААС увеличивается с увеличением возраста отверждения. Далее было исследовано влияние температуры отверждения на пасты и строительные растворы AAS. Термическое отверждение в течение 12 часов при 65°C и в течение 6 часов при 85°C приводит к значительному ускорению набора прочности при сжатии. Прочность на сжатие быстро растет с повышением температуры твердения в возрасте 3 сут. Однако через 7 дней и более прочность на сжатие растворов ААС с отверждением при 65 и 85°С медленно растет или выравнивается, тогда как растворы ААС, отвержденные при 23°С, продолжают набирать прочность с возрастом. Между 28 и 56 днями прочность на сжатие растворов ААС, отвержденных при 23°С, почти близка к прочности на сжатие растворов ААС, отвержденных при 65 и 85°С. Кроме того, прочность растворов ААС с соотношением жидкость/шлак 0,44, отвержденных при 23°С, превышает значения для растворов ААС, отвержденных при 65 и 85°С. Бахарев и др. [4] сообщили, что при использовании температуры отверждения это приводит к увеличению прочности активированного щелочью шлака в течение начального времени отверждения, но с уменьшением при более старших временах. Другие авторы [17] также заметили снижение прочности при длительном времени отверждения с температурой. В возрасте 56 дней прочность на сжатие растворов ААС с отверждением при 65°С выше, чем у растворов с отверждением при 85°С, за исключением раствора ААС с отношением жидкость/шлак 0,44 и отношением песок/шлак 1,9.0003

На рис. 4 показана прочность на сжатие растворов AAS с различными соотношениями жидкость/шлак и песок/шлак в возрасте 56 дней. Видно, что прочность на сжатие растворов AAS снижается с увеличением соотношения жидкость/шлак. Кроме того, прочность на сжатие растворов AAS также снижается с увеличением соотношения песок/шлак, и растворы AAS демонстрируют более высокую прочность на сжатие, чем растворы из портландцемента и портландцементные растворы, активированные щелочью. Прочность на сжатие активированного щелочью вяжущего выше, чем у мелкого заполнителя. Таким образом, более высокое содержание песка приведет к более низкой прочности на сжатие растворов AAS.

3.2. Прочность на растяжение

Прочность на растяжение паст и растворов ААС с различными температурами отверждения и соотношением песка/шлака представлена ​​на рисунках 5, 6 и 7. Прочность на растяжение портландцементных растворов представлена ​​в таблице 3. Аналогичные данные по прочности на сжатие были получены для прочности на разрыв паст и растворов ААС. Растворы AAS с тепловым отверждением в течение 12 часов при 65°C и 6 часов при 85°C показывают более высокую прочность на растяжение, чем другие растворы AAS, отвержденные при 23°C через 3 и 7 дней. Через 28 дней предел прочности при растяжении растворов ААС, отвержденных при 65 и 85°С, медленно растет или выравнивается, в то время как предел прочности при растяжении растворов ААС, отвержденных при 23°С, с возрастом продолжает увеличиваться. В возрасте 56 дней растворы ААС с отношением жидкость/шлак 0,54 и отношением песок/шлак 1 при отверждении при 23°С обладают наибольшей прочностью на растяжение. Однако влияние температуры отверждения на растворы AAS ограничено. При повышении температуры отверждения с 65°C до 85°C прочность на растяжение растворов AAS медленно падает. Кроме того, при одинаковом соотношении жидкость/шлак прочность на растяжение растворов ААС с отношением песок/шлак 2 выше, чем у растворов ААС с отношением песок/шлак 1 при температурах отверждения 65 и 85°С.

На рис. 8 показана прочность на растяжение растворов AAS, отвержденных при 23°C с различными соотношениями жидкость/шлак и песок/шлак в возрасте 56 дней. Можно видеть, что растворы AAS с соотношением жидкость/шлак 0,54 имеют самую высокую прочность на растяжение по сравнению с другими растворами AAS, за которыми следуют отношения жидкость/шлак 0,44 и 0,64. При этом отношение предела прочности при растяжении раствора ААС с соотношением жидкость/шлак 0,54 к пределу прочности портландцементного раствора составляет 1,2. Как правило, более низкое соотношение жидкость/шлак приводит к более низкой обрабатываемости. Следовательно, можно объяснить, что более низкая обрабатываемость снижает прочность сцепления переходной зоны, тем самым вызывая снижение прочности на растяжение. С другой стороны, предел прочности при растяжении паст AAS снижается с увеличением соотношения жидкость/шлак. Более высокое соотношение жидкость/шлак приводит к более низкому уровню реакции, активируемой щелочью.

3.3. Усадка при высыхании

Усадка при высыхании паст и растворов ААС с различными температурами отверждения и соотношением песка/шлака представлена ​​на рисунках 9, 10, 11. Усадка при высыхании портландцементных растворов указана в таблице 4. Большая часть усадки при высыхании происходит в раннем возрасте. Пасты ААС усадки при высыхании выше, чем растворы ААС. В то же время усадка паст и растворов при высыхании увеличивается с увеличением соотношения жидкость/шлак. Соотношение жидкость/шлак определяет количество испаряемой воды в пасте и скорость, с которой вода может двигаться к поверхности образца. Таким образом, количество щелочного раствора оказывает большое влияние на механические свойства, пористость и степень гидратации, которые являются определяющими факторами развития усадки [5]. Увеличение содержания воды вызвало увеличение усадки при высыхании. Однако содержание воды не является основным фактором, влияющим на усадку при высыхании. Более высокое соотношение песок/шлак приводит к меньшей усадке при высыхании. Уменьшение количества пасты и снижение соотношения жидкость/шлак положительно влияет на усадку при высыхании паст и растворов ААС. Кроме того, более высокая температура отверждения приводит к меньшей усадке при высыхании. Чем больше количество гидратированных продуктов, тем меньше объем негидратированных частиц цемента, сдерживающих усадку.

На рис. 12 показана усадка при высыхании растворов из AAS и портландцемента. Можно видеть, что у растворов AAS наблюдалась более высокая усадка при высыхании, чем у сопоставимых портландцементных растворов. Коллинз и Санджаян [18] сообщили, что механизм сильной усадки AAS-бетона при высыхании не полностью связан с потерей массы воды из бетона. Распределение пор по размерам и характеристики геля гидрата силиката кальция оказывают решающее влияние на величину усадки при высыхании.

4. Выводы

Результаты данной статьи свидетельствуют о следующем.

(1) Прочность на сжатие быстро растет с повышением температуры отверждения в возрасте 3 суток. В возрасте 56 дней прочность на сжатие растворов AAS снижается с увеличением соотношения песок/шлак, и растворы AAS демонстрируют более высокую прочность на сжатие, чем растворы из портландцемента и портландцементные растворы, активированные щелочью.

(2) Строительные растворы AAS с тепловым отверждением в течение 12 часов при 65°C и 6 часов при 85°C демонстрируют более высокую прочность на растяжение, чем другие растворы AAS, отвержденные при 23°C через 3 и 7 дней. При повышении температуры отверждения с 65°C до 85°C прочность на растяжение растворов AAS медленно падает. В возрасте 56 дней растворы AAS с соотношением жидкость/шлак 0,54 имеют самую высокую прочность на растяжение по сравнению с другими растворами AAS, за которыми следуют отношения жидкость/шлак 0,44 и 0,64.

(3) Большая часть усадки при высыхании происходит в раннем возрасте. Пасты ААС усадки при высыхании выше, чем растворы ААС. Между тем, более высокая усадка при высыхании наблюдалась в растворах AAS, чем у сопоставимых портландцементных растворов.

Ссылки

1. Б. Таллинг и Дж. Брандстетр, «Современное состояние и будущее бетонов, активированных щелочью», в Труды Международной конференции по летучей золе, шлаку и природным пуццоланам в бетоне , Тронхейм, Норвегия, 1989.

   Посмотреть по адресу:
   Google Scholar

2. C. Ши и Р. Л. Дэй, «Колориметрическое исследование ранней гидратации щелочношлаковых цементов», Cement and Concrete Research , об. 25, нет. 6, pp. 1333–1346, 1995.

   Просмотр по адресу:
   Google Scholar

3. А. Фернандес-Хименес, Дж. Г. Паломо и Ф. Пуэртас, «Шлаковые растворы, активированные щелочью: поведение механической прочности» ”, Исследование цемента и бетона , том. 29, нет. 8, стр. 1313–1321, 1999.

   Посмотреть по адресу:
   Сайт издателя | Google Scholar

4. Т. Бахарев, Дж. Г. Санджаян, Ю.-Б. Ченг, «Щелочная активация австралийских шлаковых цементов», Cement and Concrete Research , vol. 29, нет. 1, стр. 113–120, 1999.

   Посмотреть по адресу:
   Сайт издателя | Google Scholar

5. А. А. М. Мело Нето, М. А. Чинкотто и В. Репетт, «Сушка и автогенная усадка паст и строительных растворов с активированным шлаковым цементом», Исследование цемента и бетона , том. 38, нет. 4, стр. 565–574, 2008 г.

   Посмотреть по адресу:
   Сайт издателя | Google Scholar

6. А. Грусковняк, Б. Лотенбах, Л. Хольцер, Р. Фиги и Ф. Виннефельд, «Гидратация активированного щелочью шлака: сравнение с обычным портландцементом», Advances in Cement Research , vol. 18, нет. 3, стр. 119–128, 2006 г.

   Посмотреть по адресу:
   Сайт издателя | Google Scholar

7. Ф. Пуэртас, Т. Амат, А. Фернандес-Хименес и Т. Васкес, «Механические и долговечные свойства щелочных цементных растворов, армированных полипропиленовыми волокнами», Исследование цемента и бетона , том. 33, нет. 12, стр. 2031–2036, 2003.

   Посмотреть по адресу:
   Сайт издателя | Google Scholar

8. Владимир З. Влияние типа и дозы щелочного активатора и температуры на свойства щелочно-шлаковых смесей // Строительные материалы. . Вып. 21, нет. 7, стр. 1463–1469, 2007.

   Посмотреть по адресу:
   Сайт издателя | Google Scholar

9. Коллинз Ф., Санджаян Дж. Г. Прочностные и усадочные свойства щелочно-активированного шлакобетона, содержащего пористый крупный заполнитель, Исследование цемента и бетона , том. 29, нет. 4, стр. 607–610, 1999.

   Посмотреть по адресу:
   Сайт издателя | Google Scholar

10. Д. Кризан и Б. Живанович, «Влияние дозировки и модуля жидкого стекла на раннюю гидратацию щелочношлаковых цементов», Cement and Concrete Research , vol. 32, нет. 8, стр. 1181–1188, 2002.

    Посмотреть по адресу:
    Сайт издателя | Google Scholar

11. Т. Бахарева, Дж. Г. Санджаяна и Ю.-Б. Ченгб, «Влияние отверждения при повышенной температуре на свойства бетона, активированного щелочным шлаком», Исследование цемента и бетона , том. 29, pp. 1619–1625, 1999.

    Посмотреть по адресу:
    Google Scholar

12. Т. Бахарев, Дж. Г. Санджаян, Ю.-Б. Ченг, «Стойкость бетона, активированного щелочью, к кислотному воздействию», Cement and Concrete Research , vol. 33, нет. 10, стр. 1607–1611, 2003.

    Посмотреть по адресу:
    Сайт издателя | Google Scholar

13. С. Фатоллах и Х. А. Разак, «Влияние химических активаторов на раннюю прочность обычных портландцементно-шлаковых растворов», Строительство и строительные материалы , том. 24, нет. 10, стр. 1944–1951, 2010.

    Посмотреть по адресу:
    Сайт издателя | Google Scholar

14. С.-Д. Ван и К.Л. Скривенер, «Продукты гидратации цемента, активированного щелочным шлаком», Cement and Concrete Research , vol. 25, нет. 3, pp. 561–571, ​​1995.

    Посмотреть по адресу:
    Google Scholar

15. Пачеко-Торгал Ф., Кастро-Гомес Дж., Джалали С. Активированные щелочью вяжущие: обзор — часть 1. Историческая справка, термин ология, механизмы реакций и продукты гидратации» Строительство и строительные материалы , том. 22, нет. 7, стр. 1305–1314, 2008.

    Посмотреть по адресу:
    Сайт издателя | Google Scholar

16. А. Р. Бро и А. Аткинсон, «Шлаковые растворы на основе силиката натрия, активированные щелочью — часть I. Прочность, гидратация и микроструктура», Cement and Concrete Research , vol. 32, нет. 6, стр. 865–879, 2002.

    Посмотреть по адресу:
    Сайт издателя | Google Scholar

17. М. Халил и Э. Мерц, «Иммобилизация среднеактивных отходов в геополимерах», Журнал ядерных материалов , том. 211, нет. 2, стр. 141–148, 1994.

    Посмотреть по адресу:
    Сайт издателя | Google Scholar

18. Ф. Коллинз и Дж. Г. Санджаян, «Влияние распределения пор по размерам на усадку бетона, активированного щелочным шлаком», Cement and Concrete Research , vol. 30, нет. 9, стр. 1401–1406, 2000.

    Посмотреть по адресу:
    Сайт издателя | Google Scholar

Copyright

Copyright © 2012 Mao-chieh Chi et al.