Effetto dell'etere di cellulosa sul calore di idratazione di diversi cementi e singoli minerali

gli effetti dell'etere di cellulosa sul calore di idratazione del cemento Portland, del cemento solfoalluminato, del silicato tricalcico e dell'alluminato tricalcico in 72 ore sono stati confrontati mediante test calorimetrico isotermico. I risultati mostrano che l'etere di cellulosa può ridurre significativamente la velocità di idratazione e di rilascio di calore del cemento Portland e del silicato tricalcico, e l'effetto di diminuzione sulla velocità di idratazione e di rilascio del calore del silicato tricalcico è più significativo. L'effetto dell'etere di cellulosa sulla riduzione della velocità di rilascio del calore dell'idratazione del cemento solfoalluminato è molto debole, ma ha un effetto debole sul miglioramento della velocità di rilascio del calore dell'idratazione dell'alluminato tricalcico. L'etere di cellulosa verrà adsorbito da alcuni prodotti di idratazione, ritardando così la cristallizzazione dei prodotti di idratazione e quindi influenzerà il tasso di rilascio del calore di idratazione del cemento e del singolo minerale.

Parole chiave:etere di cellulosa; Cemento; Minerale singolo; Calore di idratazione; assorbimento

1. Introduzione

L'etere di cellulosa è un importante agente addensante e agente di ritenzione dell'acqua nelle malte miste secche, nel calcestruzzo autocompattante e in altri nuovi materiali a base di cemento. Tuttavia, l'etere di cellulosa ritarderà anche l'idratazione del cemento, il che è favorevole a migliorare il tempo operativo dei materiali a base di cemento, a migliorare la consistenza della malta e la perdita di tempo di slump del calcestruzzo, ma potrebbe anche ritardare l'avanzamento della costruzione. In particolare, avrà effetti negativi sulla malta e sul calcestruzzo utilizzati in condizioni ambientali a bassa temperatura. Pertanto, è molto importante comprendere la legge dell’etere di cellulosa sulla cinetica di idratazione del cemento.

UO e Pourchez hanno studiato sistematicamente gli effetti di parametri molecolari come il peso molecolare dell'etere di cellulosa, il tipo di sostituente o il grado di sostituzione sulla cinetica di idratazione del cemento e hanno tratto molte importanti conclusioni: La capacità dell'etere di idrossietilcellulosa (HEC) di ritardare l'idratazione di il cemento è solitamente più forte di quello dell'etere di metilcellulosa (HPMC), dell'etere di idrossimetiletilcellulosa (HEMC) e dell'etere di metilcellulosa (MC). Nell'etere di cellulosa contenente metile, quanto più basso è il contenuto di metile, tanto più forte è la capacità di ritardare l'idratazione del cemento; Minore è il peso molecolare dell'etere di cellulosa, maggiore è la capacità di ritardare l'idratazione del cemento. Queste conclusioni forniscono la base scientifica per selezionare correttamente l'etere di cellulosa.

Per diversi componenti del cemento, anche l’effetto dell’etere di cellulosa sulla cinetica di idratazione del cemento è un problema molto preoccupante nelle applicazioni ingegneristiche. Tuttavia, non esiste alcuna ricerca su questo aspetto. In questo articolo, l'influenza dell'etere di cellulosa sulla cinetica di idratazione del cemento Portland ordinario, C3S (silicato tricalcico), C3A (alluminato tricalcico) e cemento solfoalluminato (SAC) è stata studiata mediante test di calorimetria isotermica, in modo da comprendere ulteriormente l'interazione e meccanismo interno tra etere di cellulosa e prodotti di idratazione del cemento. Fornisce ulteriori basi scientifiche per l'uso razionale dell'etere di cellulosa nei materiali a base di cemento e fornisce anche basi di ricerca per l'interazione tra altri additivi e prodotti di idratazione del cemento.

2. Prova

2.1 Materie prime

(1) cemento Portland ordinario (P·0). Prodotto da Wuhan Huaxin Cement Co., LTD., la specifica è P· 042.5 (GB 175-2007), determinata mediante uno spettrometro di fluorescenza a raggi X del tipo a dispersione di lunghezza d'onda (AXIOS advanced, PANalytical Co., LTD.). Secondo l'analisi del software JADE 5.0, oltre ai minerali di clinker di cemento C3S, C2s, C3A, C4AF e gesso, le materie prime del cemento includono anche il carbonato di calcio.

(2) cemento solfoalluminato (SAC). Il cemento solfoalluminato duro e veloce prodotto da Zhengzhou Wang Lou Cement Industry Co., Ltd. è R.Star 42.5 (GB 20472-2006). I suoi gruppi principali sono il solfoalluminato di calcio e il silicato dicalcico.

(3) silicato tricalcico (C3S). Pressare Ca(OH)2, SiO2, Co2O3 e H2O a 3:1:0,08: un rapporto di massa pari a 10 è stato miscelato uniformemente e pressato sotto una pressione costante di 60 MPa per ottenere una billetta cilindrica verde. La billetta è stata calcinata a 1400 ℃ per 1,5 ~ 2 ore in un forno elettrico ad alta temperatura con barra di silicio-molibdeno, quindi spostata in un forno a microonde per un ulteriore riscaldamento a microonde per 40 minuti. Dopo aver estratto la billetta, questa è stata bruscamente raffreddata e ripetutamente rotta e calcinata fino a quando il contenuto di CaO libero nel prodotto finito era inferiore all'1,0%

(4) alluminato tricalcico (c3A). CaO e A12O3 sono stati miscelati uniformemente, calcinati a 1450 ℃ per 4 ore in un forno elettrico a barra di silicio-molibdeno, macinati in polvere e calcinati ripetutamente fino a quando il contenuto di CaO libero era inferiore all'1,0% e i picchi di C12A7 e CA erano ignorato.

(5) etere di cellulosa. Il lavoro precedente ha confrontato gli effetti di 16 tipi di eteri di cellulosa sull'idratazione e sul tasso di rilascio di calore del cemento Portland ordinario e ha scoperto che diversi tipi di eteri di cellulosa presentano differenze significative sulla legge di idratazione e rilascio di calore del cemento e ha analizzato il meccanismo interno di questa differenza significativa. Secondo i risultati dello studio precedente, sono stati selezionati tre tipi di etere di cellulosa che hanno un evidente effetto ritardante sul cemento Portland ordinario. Questi includono l'etere di idrossietilcellulosa (HEC), l'etere di idrossipropilmetilcellulosa (HPMC) e l'etere di idrossietilmetilcellulosa (HEMC). La viscosità dell'etere di cellulosa è stata misurata mediante un viscosimetro rotativo con una concentrazione di prova del 2%, una temperatura di 20°C e una velocità di rotazione di 12 giri/min. La viscosità dell'etere di cellulosa è stata misurata mediante un viscosimetro rotativo con una concentrazione di prova del 2%, una temperatura di 20°C e una velocità di rotazione di 12 giri/min. Il grado di sostituzione molare dell'etere di cellulosa è fornito dal produttore.

(6) Acqua. Utilizzare acqua distillata secondaria.

2.2 Metodo di prova

Calore di idratazione. È stato adottato il calorimetro isotermico a 8 canali TAM Air prodotto da TA Instrument Company. Tutte le materie prime sono state mantenute a temperatura costante per testare la temperatura (ad esempio (20± 0,5)℃) prima dell'esperimento. Innanzitutto, nel calorimetro sono stati aggiunti 3 g di cemento e 18 mg di polvere di etere di cellulosa (il rapporto in massa tra etere di cellulosa e materiale cemellativo era dello 0,6%). Dopo la miscelazione completa, è stata aggiunta acqua miscelata (acqua distillata secondaria) secondo il rapporto acqua-cemento specificato e agitata uniformemente. Quindi, è stato rapidamente inserito nel calorimetro per i test. Il rapporto legante acqua di c3A è 1,1 e il rapporto legante acqua degli altri tre materiali cementizi è 0,45.

3. Risultati e discussione

3.1 Risultati dei test

Gli effetti di HEC, HPMC e HEMC sul tasso di rilascio del calore di idratazione e sul tasso di rilascio di calore cumulativo del cemento Portland ordinario, C3S e C3A entro 72 ore e gli effetti dell'HEC sul tasso di rilascio del calore di idratazione e sul tasso di rilascio di calore cumulativo del cemento solfoalluminato entro 72 ore, l'HEC è l'etere di cellulosa con il più forte effetto ritardante sull'idratazione di altri cementi e singoli minerali. Combinando i due effetti, si può scoprire che con il cambiamento della composizione del materiale cementizio, l’etere di cellulosa ha effetti diversi sul tasso di rilascio del calore di idratazione e sul rilascio di calore cumulativo. L'etere di cellulosa selezionato può ridurre significativamente l'idratazione e il tasso di rilascio di calore del cemento Portland ordinario e di C, S, prolunga principalmente il periodo di induzione, ritarda la comparsa dell'idratazione e del picco di rilascio di calore, tra cui l'etere di cellulosa per l'idratazione di C, S e il ritardo nella velocità di rilascio del calore è più evidente dell'idratazione ordinaria del cemento Portland e del ritardo nella velocità di rilascio del calore; L'etere di cellulosa può anche ritardare la velocità di rilascio del calore dell'idratazione del cemento solfoalluminato, ma la capacità di ritardo è molto debole e ritarda principalmente l'idratazione dopo 2 ore; Per il tasso di rilascio del calore dell'idratazione C3A, l'etere di cellulosa ha una debole capacità di accelerazione.

3.2 Analisi e discussione

Il meccanismo dell'etere cellulosico ritarda l'idratazione del cemento. Silva et al. hanno ipotizzato che l'etere cellulosico aumentasse la viscosità della soluzione dei pori e ostacolasse la velocità del movimento ionico, ritardando così l'idratazione del cemento. Tuttavia, gran parte della letteratura ha messo in dubbio questo assunto, poiché i loro esperimenti hanno scoperto che gli eteri di cellulosa con viscosità inferiore hanno una maggiore capacità di ritardare l’idratazione del cemento. Infatti, il tempo di movimento o migrazione degli ioni è così breve che ovviamente non è paragonabile al tempo di ritardo dell’idratazione del cemento. L'adsorbimento tra l'etere di cellulosa e i prodotti di idratazione del cemento è considerato la vera ragione del ritardo nell'idratazione del cemento da parte dell'etere di cellulosa. L'etere di cellulosa viene facilmente adsorbito sulla superficie dei prodotti di idratazione come idrossido di calcio, gel CSH e idrato di alluminato di calcio, ma non è facile essere adsorbito dall'ettringite e dalla fase non idratata e la capacità di adsorbimento dell'etere di cellulosa sull'idrossido di calcio è superiore a quello del gel CSH. Pertanto, per i normali prodotti di idratazione del cemento Portland, l'etere di cellulosa ha il ritardo più forte sull'idrossido di calcio, il ritardo più forte sul calcio, il secondo ritardo sul gel CSH e il ritardo più debole sull'ettringite.

Studi precedenti hanno dimostrato che l'adsorbimento tra il polisaccaride non ionico e la fase minerale comprende principalmente il legame idrogeno e la complessazione chimica, e questi due effetti si verificano tra il gruppo ossidrile del polisaccaride e l'idrossido metallico sulla superficie minerale. Liu et al. classificato ulteriormente l'adsorbimento tra polisaccaridi e idrossidi metallici come interazione acido-base, con i polisaccaridi come acidi e gli idrossidi metallici come basi. Per un dato polisaccaride, l'alcalinità della superficie minerale determina la forza dell'interazione tra polisaccaridi e minerali. Tra i quattro componenti gelificanti studiati in questo articolo, i principali elementi metallici o non metallici includono Ca, Al e Si. Secondo l'ordine di attività del metallo, l'alcalinità dei loro idrossidi è Ca(OH)2>Al(OH3>Si(OH)4. Infatti, la soluzione di Si(OH)4 è acida e non adsorbe etere di cellulosa. Pertanto, il contenuto di Ca(OH)2 sulla superficie dei prodotti di idratazione del cemento determina la capacità di adsorbimento dei prodotti di idratazione e dell'etere di cellulosa poiché idrossido di calcio, gel CSH (3CaO·2SiO2·3H20), ettringite (3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O). e l'alluminato di calcio idrato (3CaO·Al2O3·6H2O) nel contenuto di ossidi inorganici di CaO è del 100%, 58,33%, 49,56% e 62,2%. Pertanto, l'ordine della loro capacità di adsorbimento con l'etere di cellulosa è idrossido di calcio > calcio alluminato > gel CSH > ettringite, che è coerente con i risultati in letteratura.

I prodotti di idratazione di c3S includono principalmente Ca(OH) e gel csH, e l'etere di cellulosa ha un buon effetto ritardante su di essi. Pertanto, l'etere di cellulosa ha un ritardo molto evidente sull'idratazione dei C3. Oltre a C3S, il cemento Portland ordinario include anche l'idratazione di C2s che è più lenta, il che rende l'effetto ritardante dell'etere di cellulosa non evidente nella fase iniziale. I prodotti di idratazione del silicato ordinario includono anche l'ettringite e l'effetto ritardante dell'etere di cellulosa è scarso. Pertanto, la capacità di ritardo dell'etere di cellulosa rispetto al c3s è maggiore di quella del cemento Portland ordinario osservata nel test.

C3A si dissolve e si idrata rapidamente quando incontra l'acqua e i prodotti di idratazione sono solitamente C2AH8 e c4AH13 e il calore dell'idratazione verrà rilasciato. Quando la soluzione di C2AH8 e c4AH13 raggiunge la saturazione, si formerà la cristallizzazione del foglio esagonale idrato di C2AH8 e C4AH13 e contemporaneamente la velocità di reazione e il calore di idratazione saranno ridotti. A causa dell'adsorbimento dell'etere di cellulosa sulla superficie dell'idrato di alluminato di calcio (CxAHy), la presenza di etere di cellulosa ritarderebbe la cristallizzazione dell'idrato a piastra esagonale C2AH8 e C4AH13, con conseguente diminuzione della velocità di reazione e della velocità di rilascio del calore di idratazione rispetto a quella di C3A puro, il che dimostra che l'etere di cellulosa ha una debole capacità di accelerazione dell'idratazione di C3A. Vale la pena notare che in questo test l'etere di cellulosa ha una debole capacità di accelerare l'idratazione del c3A puro. Tuttavia, nel cemento Portland ordinario, poiché il c3A reagisce con il gesso per formare ettringite, a causa dell'influenza dell'equilibrio di ca2+ nella soluzione liquida, l'etere di cellulosa ritarderà la formazione di ettringite, ritardando così l'idratazione di c3A.

Dagli effetti di HEC, HPMC e HEMC sulla velocità di idratazione e rilascio di calore e sul rilascio di calore cumulativo del cemento Portland ordinario, C3S e C3A entro 72 ore, e dagli effetti di HEC sulla velocità di idratazione e rilascio di calore e sul rilascio di calore cumulativo del solfoalluminato cemento entro 72 ore, si può vedere che tra i tre eteri di cellulosa selezionati, la capacità di idratazione ritardata di c3s e cemento Portland era più forte in HEC, seguita da HEMC, e più debole in HPMC. Per quanto riguarda C3A, anche la capacità dei tre eteri di cellulosa di accelerare l'idratazione è nello stesso ordine, cioè HEC è il più forte, HEMC è il secondo, HPMC è il più debole e il più forte. Ciò ha confermato reciprocamente che l'etere di cellulosa ha ritardato la formazione di prodotti di idratazione dei materiali gelificanti.

I principali prodotti di idratazione del cemento solfoalluminato sono l'ettringite e il gel di Al(OH)3. Anche il C2S nel cemento solfoalluminato si idraterà separatamente per formare Ca(OH)2 e gel cSH. Poiché l'adsorbimento dell'etere di cellulosa e dell'ettringite può essere ignorato e l'idratazione del solfoalluminato è troppo rapida, nella fase iniziale dell'idratazione, l'etere di cellulosa ha scarso effetto sulla velocità di rilascio del calore di idratazione del cemento solfoalluminato. Ma fino a un certo tempo di idratazione, poiché i c2 si idrateranno separatamente per generare Ca(OH)2 e gel CSH, questi due prodotti di idratazione verranno ritardati dall'etere di cellulosa. Pertanto, è stato osservato che l'etere di cellulosa ritardava l'idratazione del cemento solfoalluminato dopo 2 ore.

4. Conclusione

In questo articolo, attraverso il test della calorimetria isotermica, sono stati confrontati la legge di influenza e il meccanismo di formazione dell'etere di cellulosa sul calore di idratazione del cemento Portland ordinario, c3s, c3A, cemento solfoalluminato e altri diversi componenti e singolo minerale in 72 ore. Le principali conclusioni sono le seguenti:

(1) L'etere di cellulosa può ridurre significativamente il tasso di rilascio del calore di idratazione del normale cemento Portland e del silicato tricalcico e l'effetto della riduzione del tasso di rilascio del calore di idratazione del silicato tricalcico è più significativo; L'effetto dell'etere di cellulosa sulla riduzione della velocità di rilascio del calore del cemento solfoalluminato è molto debole, ma ha un effetto debole sul miglioramento della velocità di rilascio del calore dell'alluminato tricalcico.

(2) l'etere di cellulosa verrà adsorbito da alcuni prodotti di idratazione, ritardando così la cristallizzazione dei prodotti di idratazione, influenzando la velocità di rilascio del calore dell'idratazione del cemento. Il tipo e la quantità dei prodotti di idratazione sono diversi per i diversi componenti del minerale di cemento, quindi l'effetto dell'etere di cellulosa sul loro calore di idratazione non è lo stesso.