Effet de l'éther de cellulose sur la chaleur d'hydratation de différents ciments et minerais uniques

les effets de l'éther de cellulose sur la chaleur d'hydratation du ciment Portland, du ciment sulfoaluminate, du silicate tricalcique et de l'aluminate tricalcique en 72 heures ont été comparés par test de calorimétrie isotherme. Les résultats montrent que l'éther de cellulose peut réduire considérablement le taux d'hydratation et de dégagement de chaleur du ciment Portland et du silicate tricalcique, et que l'effet de diminution sur l'hydratation et le taux de dégagement de chaleur du silicate tricalcique est plus significatif. L'effet de l'éther de cellulose sur la réduction du taux de dégagement de chaleur de l'hydratation du ciment sulfoaluminate est très faible, mais il a un faible effet sur l'amélioration du taux de dégagement de chaleur de l'hydratation de l'aluminate tricalcique. L'éther de cellulose sera adsorbé par certains produits d'hydratation, retardant ainsi la cristallisation des produits d'hydratation, puis affectera le taux de dégagement de chaleur d'hydratation du ciment et du minerai unique.

Mots clés :éther de cellulose; Ciment; Minerai unique ; Chaleur d'hydratation ; adsorption

1. Introduction

L'éther de cellulose est un agent épaississant et un agent de rétention d'eau important dans les mortiers secs, le béton autoplaçant et d'autres nouveaux matériaux à base de ciment. Cependant, l'éther de cellulose retardera également l'hydratation du ciment, ce qui contribue à améliorer le temps de fonctionnement des matériaux à base de ciment, à améliorer la consistance du mortier et la perte de temps d'affaissement du béton, mais peut également retarder l'avancement de la construction. En particulier, cela aura des effets néfastes sur le mortier et le béton utilisés dans des conditions environnementales à basse température. Il est donc très important de comprendre la loi de l’éther de cellulose sur la cinétique d’hydratation du ciment.

OU et Pourchez ont étudié systématiquement les effets de paramètres moléculaires tels que le poids moléculaire de l'éther de cellulose, le type de substituant ou le degré de substitution sur la cinétique d'hydratation du ciment, et ont tiré de nombreuses conclusions importantes : La capacité de l'éther d'hydroxyéthylcellulose (HEC) à retarder l'hydratation du ciment. le ciment est généralement plus résistant que celui de l'éther de méthylcellulose (HPMC), de l'éther d'hydroxyméthyléthylcellulose (HEMC) et de l'éther de méthylcellulose (MC). Dans l'éther de cellulose contenant du méthyle, plus la teneur en méthyle est faible, plus la capacité à retarder l'hydratation du ciment est forte ; Plus le poids moléculaire de l'éther de cellulose est faible, plus la capacité à retarder l'hydratation du ciment est forte. Ces conclusions fournissent une base scientifique pour sélectionner correctement l’éther de cellulose.

Pour différents composants du ciment, l’effet de l’éther de cellulose sur la cinétique d’hydratation du ciment constitue également un problème très préoccupant dans les applications d’ingénierie. Cependant, il n’existe aucune recherche sur cet aspect. Dans cet article, l'influence de l'éther de cellulose sur la cinétique d'hydratation du ciment Portland ordinaire, du C3S (silicate tricalcique), du C3A (aluminate tricalcique) et du ciment sulfoaluminate (SAC) a été étudiée par un test de calorimétrie isotherme, afin de mieux comprendre l'interaction et mécanisme interne entre l'éther de cellulose et les produits d'hydratation du ciment. Il fournit une base scientifique supplémentaire pour l'utilisation rationnelle de l'éther de cellulose dans les matériaux à base de ciment et fournit également une base de recherche pour l'interaction entre d'autres adjuvants et les produits d'hydratation du ciment.

2. Testez

2.1 Matières premières

(1) ciment Portland ordinaire (P·0). Fabriqué par Wuhan Huaxin Cement Co., LTD., la spécification est P· 042,5 (GB 175-2007), déterminée par un spectromètre à fluorescence X de type dispersion de longueur d'onde (AXIOS advanced, PANalytical Co., LTD.). Selon l'analyse du logiciel JADE 5.0, outre les minéraux de clinker de ciment C3S, C2s, C3A, C4AF et le gypse, les matières premières du ciment comprennent également du carbonate de calcium.

(2) ciment sulfoaluminate (SAC). Le ciment sulfoaluminate dur et rapide produit par Zhengzhou Wang Lou Cement Industry Co., Ltd. est le R.Star 42.5 (GB 20472-2006). Ses principaux groupes sont le sulfoaluminate de calcium et le silicate dicalcique.

(3) silicate tricalcique (C3S). Presser Ca(OH)2, SiO2, Co2O3 et H2O à 3:1:0,08 : un rapport massique de 10 a été mélangé uniformément et pressé sous une pression constante de 60 MPa pour fabriquer une billette verte cylindrique. La billette a été calcinée à 1 400 ℃ pendant 1,5 à 2 heures dans un four électrique à haute température à tiges de silicium-molybdène, puis déplacée dans un four à micro-ondes pour un chauffage supplémentaire aux micro-ondes pendant 40 minutes. Après avoir retiré la billette, elle a été brusquement refroidie, brisée et calcinée à plusieurs reprises jusqu'à ce que la teneur en CaO libre dans le produit fini soit inférieure à 1,0 %.

(4) aluminate tricalcique (c3A). CaO et A12O3 ont été mélangés uniformément, calcinés à 1 450 ℃ pendant 4 h dans un four électrique à tiges de silicium-molybdène, broyés en poudre et calcinés à plusieurs reprises jusqu'à ce que la teneur en CaO libre soit inférieure à 1,0 % et que les pics de C12A7 et de CA soient ignoré.

(5) éther de cellulose. Les travaux précédents ont comparé les effets de 16 types d'éthers de cellulose sur le taux d'hydratation et de dégagement de chaleur du ciment Portland ordinaire, et ont constaté que différents types d'éthers de cellulose présentent des différences significatives sur la loi d'hydratation et de dégagement de chaleur du ciment, et ont analysé le mécanisme interne. de cette différence significative. Selon les résultats d'une étude précédente, trois types d'éther de cellulose ayant un effet retardateur évident sur le ciment Portland ordinaire ont été sélectionnés. Il s'agit notamment de l'éther d'hydroxyéthylcellulose (HEC), de l'éther d'hydroxypropylméthylcellulose (HPMC) et de l'éther d'hydroxyéthylméthylcellulose (HEMC). La viscosité de l'éther de cellulose a été mesurée par un viscosimètre rotatif avec une concentration d'essai de 2 %, une température de 20 ℃ et une vitesse de rotation de 12 tr/min. La viscosité de l'éther de cellulose a été mesurée par un viscosimètre rotatif avec une concentration d'essai de 2 %, une température de 20 ℃ et une vitesse de rotation de 12 tr/min. Le degré de substitution molaire de l'éther de cellulose est fourni par le fabricant.

(6) Eau. Utilisez de l'eau distillée secondaire.

2.2 Méthode d'essai

Chaleur d'hydratation. Le calorimètre isotherme à 8 canaux TAM Air produit par TA Instrument Company a été adopté. Toutes les matières premières ont été maintenues à température constante pour tester la température (telle que (20 ± 0,5) ℃) avant l'expérience. Tout d'abord, 3 g de ciment et 18 mg de poudre d'éther de cellulose ont été ajoutés dans le calorimètre (le rapport massique de l'éther de cellulose au matériau cimentaire était de 0,6 %). Après un mélange complet, de l'eau mélangée (eau distillée secondaire) a été ajoutée selon le rapport eau-ciment spécifié et agitée uniformément. Ensuite, il a été rapidement placé dans le calorimètre pour être testé. Le rapport eau-liant du c3A est de 1,1 et le rapport eau-liant des trois autres matériaux cimentaires est de 0,45.

3. Résultats et discussion

3.1 Résultats des tests

Les effets de HEC, HPMC et HEMC sur le taux de dégagement de chaleur d'hydratation et le taux de dégagement de chaleur cumulé du ciment Portland ordinaire, C3S et C3A en 72 h, et les effets de HEC sur le taux de dégagement de chaleur d'hydratation et le taux de dégagement de chaleur cumulé du ciment sulfoaluminate en 72 heures, HEC est l'éther de cellulose ayant l'effet retardateur le plus important sur l'hydratation des autres ciments et des minerais uniques. En combinant les deux effets, on peut constater qu'avec le changement de composition du matériau cimentaire, l'éther de cellulose a des effets différents sur le taux de dégagement de chaleur d'hydratation et le dégagement de chaleur cumulé. L'éther de cellulose sélectionné peut réduire considérablement le taux d'hydratation et de dégagement de chaleur du ciment Portland ordinaire et du C, S, prolonge principalement la période d'induction, retarde l'apparition du pic d'hydratation et de dégagement de chaleur, parmi lesquels l'éther de cellulose à l'hydratation C, S et le retard du taux de dégagement de chaleur est plus évident que le retard du taux d'hydratation et du taux de dégagement de chaleur du ciment Portland ordinaire ; L'éther de cellulose peut également retarder le taux de dégagement de chaleur de l'hydratation du ciment sulfoaluminate, mais la capacité de retard est très faible et retarde principalement l'hydratation après 2 h ; Pour le taux de dégagement de chaleur de l'hydratation du C3A, l'éther de cellulose a une faible capacité d'accélération.

3.2 Analyse et discussion

Le mécanisme de l’éther cellulosique retarde l’hydratation du ciment. Silva et coll. ont émis l'hypothèse que l'éther cellulosique augmentait la viscosité de la solution interstitielle et entravait la vitesse du mouvement ionique, retardant ainsi l'hydratation du ciment. Cependant, de nombreux ouvrages ont mis en doute cette hypothèse, car leurs expériences ont montré que les éthers de cellulose ayant une viscosité plus faible ont une plus grande capacité à retarder l'hydratation du ciment. En fait, le temps de mouvement ou de migration des ions est si court qu’il n’est évidemment pas comparable au temps de retard d’hydratation du ciment. L'adsorption entre l'éther de cellulose et les produits d'hydratation du ciment est considérée comme la véritable raison du retard de l'hydratation du ciment par l'éther de cellulose. L'éther de cellulose est facilement adsorbé à la surface des produits d'hydratation tels que l'hydroxyde de calcium, le gel CSH et l'aluminate de calcium hydraté, mais il n'est pas facile d'être adsorbé par l'ettringite et la phase non hydratée, et la capacité d'adsorption de l'éther de cellulose sur l'hydroxyde de calcium est supérieure à celui du gel CSH. Par conséquent, pour les produits d'hydratation à base de ciment Portland ordinaires, l'éther de cellulose a le retard le plus fort sur l'hydroxyde de calcium, le retard le plus fort sur le calcium, le deuxième retard sur le gel CSH et le retard le plus faible sur l'ettringite.

Des études antérieures ont montré que l'adsorption entre le polysaccharide non ionique et la phase minérale comprend principalement la liaison hydrogène et la complexation chimique, et ces deux effets se produisent entre le groupe hydroxyle du polysaccharide et l'hydroxyde métallique à la surface minérale. Liu et coll. a en outre classé l'adsorption entre les polysaccharides et les hydroxydes métalliques comme interaction acide-base, les polysaccharides comme acides et les hydroxydes métalliques comme bases. Pour un polysaccharide donné, l'alcalinité de la surface minérale détermine la force de l'interaction entre les polysaccharides et les minéraux. Parmi les quatre composants gélifiants étudiés dans cet article, les principaux éléments métalliques ou non métalliques comprennent Ca, Al et Si. Selon l'ordre d'activité des métaux, l'alcalinité de leurs hydroxydes est Ca(OH)2>Al(OH3>Si(OH)4. En fait, la solution de Si(OH)4 est acide et n'adsorbe pas l'éther de cellulose. Par conséquent, la teneur en Ca(OH)2 à la surface des produits d'hydratation du ciment détermine la capacité d'adsorption des produits d'hydratation et de l'éther de cellulose. Parce que l'hydroxyde de calcium, le gel CSH (3CaO·2SiO2·3H20), l'ettringite (3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O). et l'aluminate de calcium hydraté (3CaO·Al2O3·6H2O) dans la teneur en oxydes inorganiques de CaO est de 100 %, 58,33 %, 49,56 % et 62,2 %. Par conséquent, l'ordre de leur capacité d'adsorption avec l'éther de cellulose est hydroxyde de calcium > calcium. aluminate > gel CSH > ettringite, ce qui est cohérent avec les résultats de la littérature.

Les produits d'hydratation du c3S comprennent principalement le Ca(OH) et le gel csH, et l'éther de cellulose a un bon effet retardateur sur eux. Par conséquent, l’éther de cellulose a un retard très évident sur l’hydratation des C3. Outre le c3S, le ciment Portland ordinaire comprend également l'hydratation du C2 qui est plus lente, ce qui rend l'effet retardateur de l'éther de cellulose peu évident au début. Les produits d'hydratation du silicate ordinaire comprennent également l'ettringite et l'effet retardateur de l'éther de cellulose est médiocre. Par conséquent, la capacité de retard de l’éther de cellulose en c3s est plus forte que celle du ciment Portland ordinaire observée lors du test.

C3A se dissoudra et s'hydratera rapidement lorsqu'il rencontrera de l'eau, et les produits d'hydratation sont généralement C2AH8 et c4AH13, et la chaleur d'hydratation sera libérée. Lorsque la solution de C2AH8 et c4AH13 atteint la saturation, la cristallisation de l'hydrate de feuille hexagonale C2AH8 et C4AH13 se formera, et la vitesse de réaction et la chaleur d'hydratation seront réduites en même temps. En raison de l'adsorption de l'éther de cellulose à la surface de l'aluminate de calcium hydraté (CxAHy), la présence d'éther de cellulose retarderait la cristallisation de l'hydrate à plaques hexagonales C2AH8 et C4AH13, entraînant une diminution de la vitesse de réaction et du taux de dégagement de chaleur d'hydratation par rapport à cela. de C3A pur, ce qui montre que l'éther de cellulose a une faible capacité d'accélération de l'hydratation du C3A. Il convient de noter que dans ce test, l'éther de cellulose a une faible capacité d'accélération de l'hydratation du c3A pur. Cependant, dans le ciment Portland ordinaire, étant donné que le c3A réagira avec le gypse pour former de l'ettringite, en raison de l'influence de l'équilibre ca2+ dans la solution de suspension, l'éther de cellulose retardera la formation de l'ettringite, retardant ainsi l'hydratation du c3A.

D'après les effets de HEC, HPMC et HEMC sur le taux d'hydratation et de dégagement de chaleur et le dégagement de chaleur cumulé du ciment Portland ordinaire, C3S et C3A en 72 h, et les effets de HEC sur le taux d'hydratation et de dégagement de chaleur et le dégagement de chaleur cumulé du sulfoaluminate. ciment dans les 72 h, on peut voir que parmi les trois éthers de cellulose sélectionnés, la capacité d'hydratation retardée du c3s et du ciment Portland était la plus forte dans HEC, suivie par HEMC, et la plus faible dans HPMC. En ce qui concerne le C3A, la capacité des trois éthers de cellulose à accélérer l'hydratation est également du même ordre, c'est-à-dire que HEC est le plus fort, HEMC est le deuxième et HPMC est le plus faible et le plus fort. Cela a mutuellement confirmé que l'éther de cellulose a retardé la formation de produits d'hydratation des matériaux gélifiants.

Les principaux produits d’hydratation du ciment sulfoaluminate sont l’ettringite et le gel Al(OH)3. Le C2S dans le ciment sulfoaluminate s’hydratera également séparément pour former un gel Ca(OH)2 et cSH. Étant donné que l'adsorption de l'éther de cellulose et de l'ettringite peut être ignorée et que l'hydratation du sulfoaluminate est trop rapide, par conséquent, au stade précoce de l'hydratation, l'éther de cellulose a peu d'effet sur le taux de dégagement de chaleur d'hydratation du ciment sulfoaluminate. Mais jusqu'à un certain temps d'hydratation, comme les c2 s'hydrateront séparément pour générer du Ca(OH)2 et du gel CSH, ces deux produits d'hydratation seront retardés par l'éther de cellulose. Par conséquent, il a été observé que l’éther de cellulose retardait l’hydratation du ciment sulfoaluminate après 2 h.

4. Conclusion

Dans cet article, grâce à un test de calorimétrie isotherme, la loi d'influence et le mécanisme de formation de l'éther de cellulose sur la chaleur d'hydratation du ciment Portland ordinaire, du c3s, du c3A, du ciment sulfoaluminate et d'autres composants différents et d'un seul minerai en 72 h ont été comparés. Les principales conclusions sont les suivantes :

(1) L'éther de cellulose peut réduire considérablement le taux de dégagement de chaleur d'hydratation du ciment Portland ordinaire et du silicate tricalcique, et l'effet de la réduction du taux de dégagement de chaleur d'hydratation du silicate tricalcique est plus significatif ; L'effet de l'éther de cellulose sur la réduction du taux de dégagement de chaleur du ciment sulfoaluminate est très faible, mais il a un faible effet sur l'amélioration du taux de dégagement de chaleur de l'aluminate tricalcique.

(2) l'éther de cellulose sera adsorbé par certains produits d'hydratation, retardant ainsi la cristallisation des produits d'hydratation, affectant le taux de dégagement de chaleur de l'hydratation du ciment. Le type et la quantité de produits d'hydratation sont différents pour les différents composants du minerai de ciment, de sorte que l'effet de l'éther de cellulose sur leur chaleur d'hydratation n'est pas le même.