Регистрируясь, вы соглашаетесь с Условиями использования и Политикой конфиденциальности.*

Границы | Гидратация смесей бинарных портландцементов, содержащих пары кремнезема: метод разделения для оценки степени гидратации и пуццолановой реакции

Введение

Дополнительные вяжущие материалы (SCM), такие как микрокремнезем (SF), летучая зола (FA), измельченный гранулированный доменный шлак (GGBFS) и порошок известняка (LS), широко используются в бетоне из-за их экологических характеристик и характеристик. достоинства (Juenger, Siddique, 2015).С одной стороны, СКМ могут минимизировать потребление энергии и выбросы CO ₂ , связанные с производством портландцемента (Damtoft et al., 2008; Schneider et al., 2011; Gruyaert et al., 2012; Wang et al., 2017) . С другой стороны, после короткого или длительного времени гидратации бетон с добавлением SCM может достигать аналогичных или лучших механических свойств, а также улучшенной долговечности в отношении различных механизмов разрушения, таких как сульфатное воздействие и проникновение хлоридов, по сравнению с простым портландцементным бетоном ( Ли и др., 2016; Ю и Квон, 2016). Независимо от типа используемых вяжущих материалов, временные изменения степени гидратации и сборки продуктов гидратации оказывают прямое и значительное влияние на механические и транспортные свойства бетона. Следовательно, кинетика гидратации вяжущих материалов и развитие микроструктуры пасты имеют решающее значение для оценки и / или прогнозирования пригодности к эксплуатации и долговечности бетона.

Было разработано несколько хорошо зарекомендовавших себя методов изучения кинетики гидратации и эволюции микроструктуры простого портландцемента.Степень гидратации можно регулярно контролировать / определять с использованием одного или комбинации нескольких экспериментальных подходов, таких как измерение теплоты гидратации (Wadsö, 2015; Lapeyre and Kumar, 2018), количественное определение не испаряющейся воды и гидроксида кальция. (CH) с помощью термогравиметрического анализа (TGA) (Powers and Brownyard, 1946; Fagerlund, 2009; Ma and Li, 2013; Lothenbach et al., 2015), количественного фазового анализа с помощью порошковой дифракции рентгеновских лучей (XRD) (Snellings, 2015) и анализ изображений в отраженных электронах (BSE) (Scrivener et al., 2016). Микроструктуру и фазовый комплекс затвердевших паст можно охарактеризовать с помощью ртутной порометрии (MIP) (Ma, 2014), адсорбции азота (Escalante-Garcia, 2003), анализа изображений BSE (Scrivener et al., 2016) и т. Д. экспериментальные результаты и / или теоретическая кинетика гидратации, компьютерные модели, такие как HYMOSTRUC (van Breugel, 1995a, b), многокомпонентная модель (Kishi and Maekawa, 1996), CEMHYD3D (Bentz et al., 1998) и μic ( Бишной и Скривенер, 2009; Кумар и др., 2012), были разработаны для описания процесса гидратации цемента и / или развития микроструктуры цементного теста. Однако, когда эти методы используются в SCM, содержащих вяжущие материалы, можно столкнуться с проблемами из-за сложности SCM и многокомпонентных паст (Fanghui et al., 2015). Хотя термодинамические модели, например, GEMS (программа минимизации свободной энергии Гиббса), использовались для решения таких сложностей, они требуют конкретных вводных значений степени гидратации каждого реагента в целевой точке (De Weerdt et al., 2011; Schöler et al., 2015; Fernández et al., 2018). Компьютерные модели микроструктуры также нуждаются в явной информации, касающейся степени реакции каждого компонента и / или кинетических (например, зарождения и роста C-S-H) параметров для моделирования развития микроструктуры в многофазном цементном тесте (Ma, 2013). Таким образом, определение степени гидратации / реакции различных компонентов смешанного цементного материала является важной темой исследования.

Поскольку гидратация цемента и пуццолановые реакции SCM являются экзотермическими процессами, было разработано несколько моделей, основанных на прямых калориметрических измерениях, для описания гидратации смешанных цементных материалов (De Schutter and Taerwe, 1995; Swaddiwudhipong et al., 2003; Riding et al., 2013). Они полезны для прогнозирования теплоты гидратации и полуадиабатического повышения температуры в массивном бетоне и могут использоваться для общей оценки общей степени гидратации смешанных цементных материалов (Fanghui et al., 2016; Qiang et al., 2016; Zhang et al., 2016). Однако взаимодействие между гидратацией цемента и пуццолановой реакцией SCM (с портландитом) в этих моделях явно не рассматривается. Чтобы лучше описать гидратационное поведение многокомпонентных вяжущих материалов, необходимы количественные методы, которые могут одновременно определять степень гидратации цемента и степени пуццолановой реакции SCM.

Принято считать, что реакции SCM (аморфный диоксид кремния и оксид алюминия) потребляют CH из гидратации цемента, что приводит к образованию вторичных (т.е. пуццолановых) C-S-H и других фаз (например, гидратов алюмината кальция). Предполагая, что на степень гидратации цемента не влияют SCM, можно определить степень пуццолановой реакции SCM, включенных в ту же пасту, на основе экспериментально определенного снижения содержания CH и разумно сформулированной стехиометрии пуццолановых реакций (Shi and Day, 2000). ; Pane, Hansen, 2005; Neithalath et al., 2009; Родригес и др., 2012). Однако это предположение, хотя и базовое, неверно из-за эффекта наполнителя, эффекта разбавления, а также пуццоланового эффекта SCM. Точно так же расчет степени гидратации смешанных вяжущих материалов непосредственно по содержанию неиспариваемой воды также может быть проблематичным, поскольку влияние SCM на содержание неиспариваемой воды в пасте точно не известно (Weng et al., 1997; Escalante -Гарсия, 2003). Некоторые исследователи предлагали сначала определить степень реакции СКМ, а затем рассчитать степень гидратации цемента математически.Лам и др. (2000) предложили метод, который использует степень реакции FA в качестве «коэффициента эффективности цементирования» для расчета эффективного водоцементного отношения, на основании которого оценивается степень гидратации цемента. Ли и др. (Xiang et al., 2009) экспериментально определили степень реакции FA и общее содержание CH, из чего была получена степень гидратации цемента в смешанном цементном тесте на основе стехиометрических соотношений, предложенных Пападакисом (1999). Точность этого типа метода зависит от стехиометрических соотношений, используемых для описания пуццолановых реакций, и экспериментальных методов, используемых для характеристики степени пуццолановой реакции.Степень реакции SCM часто определяется путем измерения количества непрореагировавших SCM с использованием методов селективного растворения (Li et al., 1985; Ohsawa et al., 1985; Lam et al., 2000; Poon et al., 2001; Haha et al., 2010; Narmluk, Nawa, 2011). Однако в некоторых случаях метод избирательного растворения может быть ненадежным. Например, Haha et al. (2010) продемонстрировали, что методы селективного растворения на основе ЭДТА недооценивают степень реакции ЖК из-за наличия аморфных фаз.Точно так же другие методы селективного растворения на основе растворителей не могут полностью растворить гидраты и непрореагировавшие фазы OPC и, таким образом, приводят к непредсказуемым ошибкам. Для таких оценок также были предложены методы анализа изображений (Haha et al., 2010; Deschner et al., 2013). Эти методы, основанные на анализе изображений BSE, несовершенны, но считаются более надежными, чем методы избирательного растворения (Scrivener et al., 2015). Kocaba et al. (2012) показали, что методы избирательного растворения также ненадежны при использовании для определения степени реакции GGBFS, и предложили метод анализа изображений для получения относительно более точных оценок.Анализ изображений BSE был также рекомендован как лучший метод для характеристики степени реакции GGBFS в смешанной пасте, потому что непрореагировавшие частицы GGBFS имеют уникальный диапазон уровней серого на изображениях BSE, что упрощает их различение от негидратированного цемента и гидратов ( Скривенер и др., 2015). Несмотря на эти достоинства, анализ изображения BSE не может охарактеризовать степень реакции SF, поскольку частицы SF могут быть меньше, чем размер пикселя изображения BSE. В таких случаях исследователи рекомендовали использовать ядерный магнитный резонанс (ЯМР) (Scrivener et al., 2015). Однако в большинстве исследовательских институтов ЯМР не является широко доступным инструментом для определения характеристик. Анализ изображений BSE имеет еще один недостаток, а именно, он требует утомительной и трудоемкой процедуры подготовки образцов и большого количества изображений для выполнения статистического анализа. Таким образом, этот метод больше подходит для проверки других методов, а не в качестве основного метода для характеристики степени реакции SCM (Scrivener et al., 2016).

Другой класс методов, используемых для характеристики гидратации бинарных смесевых вяжущих материалов, может быть назван методами разделения.Для этих методов требуется только базовое оборудование для определения характеристик материала (например, ТГА и калориметрия), которое является рентабельным и широко доступным. Им не требуется ни трудоемкая подготовка образцов, ни сложная интерпретация данных. Полученные экспериментальные результаты могут быть проанализированы математически, на основе теоретически выведенных стехиометрических соотношений, для оценки степени гидратации цемента и степени реакции SCM за один этап. Wang et al. (2004) предположили, что коэффициенты объемного расширения пуццолановых продуктов реакции равны таковым продуктов гидратации, и установили набор функций для описания снижения пористости.Пористость и содержание CH в затвердевшем цементном тесте были экспериментально определены количественно, и уравнения были решены для оценки как степени гидратации цемента, так и степени пуццолановой реакции FA. Аналогичный метод был использован для изучения системы SF-цемент (Atlassi, 1995). Эти методы просты и удобны в использовании, поэтому заслуживают дальнейшего тестирования и усовершенствования.

На основе предшествующих методов разделения, это исследование предлагает новый метод разделения для одновременной оценки степени гидратации цемента и степени реакции SCM в бинарных пастах.SF, который представляет собой относительно чистое и гомогенное соединение (содержание аморфного кремнезема> 90%), выбран в качестве репрезентативного примера SCM для демонстрации фундаментальных аспектов этого метода развязки. Предлагаемый метод не требует определения степени реакции SF посредством селективного растворения или ЯМР. Вместо этого содержание гидратной (химически связанной) воды и CH в цементных пастах SF выражается как функции степени гидратации цемента (α) и степени реакции SF (α _SF ) с использованием хорошо- установлены и подтверждены стехиометрические соотношения.Поскольку вышеупомянутая пара содержимого может быть определена с использованием TGA, α и α _SF можно оценить путем решения системы уравнений (два уравнения двух неизвестных). Валидация метода осуществляется с использованием отдельного метода, основанного на косвенной пористости.

Эксперименты

Материалы

, который удовлетворяет требованиям ASTM C150 для портландцемента типа I. Его технические свойства могут быть выражены начальным временем схватывания 150 мин, временем окончательного схватывания 180 мин, прочностью на сжатие в течение 7 дней 41 МПа и прочностью на сжатие в течение 28 дней 57 МПа.Химический состав цемента, выраженный в процентах оксидов, приведен в таблице 1. Минеральный состав в процентах от четырех основных минеральных фаз и гипса, рассчитанный на основе модифицированных расчетов Bogue (Standard US., 2018), указан в Таблица 2. Кроме того, площадь поверхности Blain частиц цемента неправильной формы составляет 360 м ² / кг, а его плотность составляет 3,15 г / см ³ . В данном исследовании использовался конденсированный SF, 93% которого составляет аморфный кремнезем. Его химический состав представлен в таблице 1.Средний диаметр отдельных частиц SF составляет 0,1 мкм, а средняя плотность составляет 2,2 г / см ³ .

Таблица 1 . Химический состав обычного портландцемента (%).

Таблица 2 . Минеральный состав обыкновенного портландцемента (%).

Подготовка образца

Обычные цементные пасты были приготовлены с водоцементным соотношением ( w / c ) 0,3, 0,4 и 0,5. В бинарных вяжущих материалах уровни замещения цемента на SF составляли 5 и 10% соответственно.В смешанных пастах отношение воды к связующему ( w / b ) поддерживали постоянным на уровне 0,4. Шесть паст были названы PC03, PC04, PC05, SF00 (идентично PC04), SF05 и SF10 соответственно. Для приготовления паст сырье смешивали с помощью смесителя с вертикальной осью. В горшок наливали воду, затем медленно добавляли вяжущие материалы при вращении лопастей. В случае смешанных паст сначала добавляли SF, а затем цемент. Последующий процесс перемешивания состоял из 3-минутного перемешивания на низкой скорости, полуминутной паузы и 2-минутного высокоскоростного перемешивания.После смешивания свежие смеси разливали в пластиковые пробирки ϕ15 мм, и два конца пробирок закрывали для предотвращения влагообмена и карбонизации. Герметичные образцы хранили при 23 ± 2 ° C до определенного возраста для характеристики. Соответствующие возрастные категории включали 1, 3, 7, 28, 60 и 120 дней.

Термогравиметрический анализ

Термогравиметрический анализ (ТГА) был использован для определения содержания гидратной воды и CH в простых и смешанных цементных пастах. В определенном возрасте от образцов пасты сначала отпиливали небольшие кусочки, а затем измельчали ​​до мелких частиц (<63 мкм) в камере без CO ₂ .Гидратацию останавливали с помощью изопропанола [замена растворителя (Winnefeld et al., 2016)] в течение 15 минут с последующей промывкой эфиром. После сушки около 40 мг полученного порошкового образца анализировали путем регистрации веса при нагревании образца от комнатной температуры до 1000 ° C со скоростью 10 ° C / мин в TGA 5500 (TA Instruments). Газообразный азот был выбран для поддержания инертной атмосферы, а корунд был выбран в качестве материала сравнения. Содержание гидратной воды и CH рассчитывали по потере массы в диапазонах <550 ° C и 450–550 ° C, соответственно (De Weerdt et al., 2011; Schöler et al., 2015; Adu-Amankwah et al., 2017). Содержание гидратной воды нормализовано по массе дегидратированного образца при 550 ° C, чтобы получить количество гидратной воды на грамм связующего ( w _H ). В обычном цементном тесте w _H используется для расчета степени гидратации цемента (α), то есть α = w _H / 0,23. Содержание CH нормализовано по массе высушенного образца перед ТГА для расчета m _CH , то есть массового процента CH в образце сухой пасты (безводное связующее и продукты гидратации).Обратите внимание, что указанные выше температурные диапазоны являются приблизительными, а точные температурные границы для температурных интервалов были определены методом касательной из соответствующей производной термогравиметрической кривой (DTG). Стандартные отклонения пяти независимых анализов TGA для всех протестированных возрастов не превышали 0,15% для м _H и 0,2% для м _CH . Также стоит отметить, что принятый метод сушки может привести к завышению содержания гидратной воды и, соответственно, степени гидратации.Однако этот метод согласуется с текущей практикой определения характеристик (Scrivener et al., 2016) и имеет достаточно высокую надежность для оценки, а не точного определения степени гидратации цемента и степени реакции микрокремнезема. в смешанном цементном тесте.

Ртутный порозиметр

Порозиметрия проникновения ртути (MIP) использовалась для определения капиллярной пористости (ϕ), кривых распределения пор по размерам (PSD) и плотности скелета (ρ pskeletal, г / см). ³ ) гидратированных паст, для определения параметров и проверки метод развязки.Во всех возрастах от образца отпиливали кубовидные образцы с наименьшим размером менее 5 мм. Гидратационную суспензию и сушку выполняли в соответствии с процедурой сушки с заменой растворителя, предложенной Алигизаки (2005). Для расчетов размера пор на основе уравнения Уошберна (Washburn, 1921) угол смачивания ртути и затвердевшего цементного теста был выбран равным 130 °, а поверхностное натяжение ртути — 480 мН / м . Вышеупомянутый критический размер образца, метод сушки и теоретические параметры, а также другие рабочие параметры были выбраны на основе общего обсуждения использования МИП в технологии бетона (Ma, 2014).Для измерений MIP использовали Micromeritics AutoPore IV 9500. Прибор имеет максимальное применимое давление 210 МПа, что соответствует минимально определяемому диаметру пор примерно 6 нм, когда выбранный угол контакта и поверхностное натяжение используются для расчета размера пор. Стоит отметить, что, хотя MIP не является подходящим методом для определения распределения пор по размерам в материалах на основе цемента из-за хорошо известного эффекта бутылки с чернилами (Moro and Böhni, 2002), полезно указать пороговые диаметры, которые могут проникнуть внутрь. измерения объема пор, а также общие сравнения структур пор (более мелкие или более крупные) (Diamond, 2000).Только физически значимые параметры из MIP были использованы для вывода и проверки в этом исследовании.

Результаты и анализ

Параметры, относящиеся к гидратации цемента

Поскольку пуццолановая реакция SF потребляет CH из гидратации цемента с образованием вторичного продукта реакции, важно знать, как CH образуется и расходуется. Гидратация цемента настолько сложна, что до сих пор не было достигнуто соглашения о том, как это происходит. Поэтому в данном исследовании образование CH во время гидратации цемента оценивается на основании экспериментальных результатов.Другой ключевой параметр, объем гидратов, образующихся при полной гидратации одной единицы объема цемента (κ _h ), также определяется экспериментальными результатами. Вывод этих двух параметров из результатов TGA и MIP представлен в этом разделе. Результаты ТГА (т.е. α и м _CH ) и результаты MIP (т.е. ϕ и ρpskeletal) трех простых цементных паст в разном возрасте, которые использовались для определения производных, показаны в таблице 3. На рисунке 1 показано сравнение α, охарактеризованного в этом исследовании, и прогнозируемого (при 23 ° C, что соответствует температуре отверждения в этом исследовании) b

Калькулятор цемента

Начиная работу над новым проектом, важно знать, что у вас есть все инструменты, части и планы, прежде чем вы начнете.Если вы хотите установить новую подъездную дорожку, дорожку или бетонную плиту, вы должны сначала точно выяснить, сколько цемента вам понадобится для проекта. Здесь вам пригодится счетчик цемента.

Перед первым походом в строительный магазин вам необходимо визуализировать размер проекта, прежде чем определять размеры. После этой визуализации вы должны набросать точные размеры патио или подъездной дороги, чтобы иметь четкое представление о том, что вас ждет впереди.С помощью калькулятора цемента вы можете точно определить количество цемента, которое нужно купить, чтобы точно выполнить требования задачи, не оставаясь с мешками с цементом, которые вы никогда не будете использовать.

Расчет цемента — квадрат или бетон

Определить количество бетона, необходимое для квадрата или плиты, относительно просто. Вам не нужен калькулятор бетонных блоков, просто воспользуйтесь этой формулой:

Длина X Ширина X Толщина (измеряется в футах) = Кубические футы цемента (CFC)

Тогда можно взять CFC /.45, чтобы получить количество мешков по 60 фунтов

Эти расчеты показывают вам, как рассчитать бетон, и будут работать как калькулятор готовой бетонной смеси.

Расчет цемента — раунд

Если вы хотите создать патио или террасу из цемента круглой формы, вам понадобится новая формула для расчета необходимого цемента. Вы можете использовать следующее при отмеривании количества цемента для проекта:

Радиус X Радиус X 3,14159 X Толщина = Кубические футы цемента (CFC)

Тогда можно взять CFC /.45, чтобы получить количество мешков по 60 фунтов

Они будут работать как счетчик цемента для любых идеально круглых плит, которые вы хотите уложить, и помогут вам определить необходимое количество материалов для покупки.

Если вы мастер на все руки, эти инструменты помогут вам начать и довести до конца проект по благоустройству дома. Хотя это большая работа, большинство из них получат немало удовольствия от выполнения таких проектов и будут поражены уровнем достижений, которые они почувствуют, когда, наконец, закончат и наблюдают, как высыхает цемент.

При подготовке проекта важно не забывать проверять строительные нормы и правила в вашем районе. Вы также захотите убедиться, что записали свои планы, поскольку нет ничего хуже, чем начать проект, а затем забыть, что именно вам нужно было сделать на полпути. Использование цементного калькулятора позволит убедиться, что у вас есть ровно достаточно закупленных и доступных материалов, прежде чем начинать большой проект, и поможет вам сохранить свой бюджет.Важно перепроверить свои расчеты для бетона или цемента, чтобы убедиться, что у вас есть правильные числа. Не будьте похожи на многих других домашних мастеров, у которых после завершения работы остаются мешки и мешки с бетоном вокруг дома или гаража!

Калькулятор цемента

Калькулятор Цемент, материал
и стоимость проекта.

Калькулятор цемента

Форма заявки

Использование этого цемента
Калькулятор.

Этот калькулятор основан на
6 — 94 фунтов. мешки Портленда
Цемент на кубический ярд
(3000 фунтов на квадратный дюйм).

27 кубических футов равно
1 куб. Ярд.

Введите длину, ширину в футах,
и толщина в дюймах.

Введите стоимость мешка цемента.

Округлить ответ до следующего
еще более высокие цифры.

Калькулятор предназначен для
приблизительное руководство.

Работа с бетоном
Наконечники

Используйте только чистую воду, песок
и гравий.

Нацельтесь на смесь:
1 часть цемента, 2 части песка и
3 части агрегата.
Цемент должен иметь серый цвет
гляди, если не добавишь еще цемента.

Сухая смесь цемента и песка,
добавить воды, перемешать, затем добавить
заполнитель и более вода
по мере необходимости.

Вода не должна быть свободно
работает сверху.

Отрегулируйте смесь, добавив
больше воды, цемента или
песок по мере необходимости.

Необходимо использовать бетон
в течение 1-2 часов после смешивания
в зависимости от температуры.

Чем раньше поработаешь
после заливки легче
работа.

Избегайте перегрузки любого
залил бетон, как это
ослабит бетон.

Песок усадится в объеме
при добавлении воды
так что думаю чуть больше
сухой объем.

Лучшее время для работы с бетоном
рано утром или поздно
днем, но имейте в виду
есть время ожидания для
поверхностная вода для испарения,
если долго ждать в
днем поработать,
это могло закончиться в конце
вечер, когда тебе будет
затирка бетона.

Для
требуется несколько недель бетон до 90 процентов
его окончательной прочности.

Бетон, который слишком быстро затвердевает
растрескается, отслаивается и отслаивается,
и не хватает сил и
долговечность.

Если погода ветреная или
очень жарко, покрыть бетон
чтобы предотвратить быстрое
испарение, которое может вызвать
трещины в бетоне.

Индекс