ПРОЦЕССЫ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ГИДРАТАЦИИ И ТВЕРДЕНИИ ЦЕМЕНТА В ПРИСУТСТВИИ МИКРОКРЕМНЕЗЕМА И СУПЕРПЛАСТИФИКАТОРА
Аннотация
Методом дифференциальной микрокалорометрии изучена кинетика тепловыделения в системе «цемент – вода» в присутствии микрокремнезема и суперпластификатора. Показано, что при твердении цемента наблюдается чередование экзотермических и эндотермических эффектов тепловыделения, в основе которых лежат процессы смачивания, гидратации, диспергирования, гидролиза, кристаллизации с их попеременной активацией и затуханием в различные сроки структурообразования. Движущей силой реакций взаимодействия клинкерных минералов с водой определяется преимущественно величиной суммарного теплового эффекта гидратации и диспергирования кристаллической решетки минералов. При введении в цементную систему микрокремнезема в течение нескольких минут после затворения водой наблюдается интенсивный рост температуры, обусловленный выделением теплоты при смачивании и гидратации. При достижении состояния равновесия энтальпийный фактор становится равным энтропийному, все тепло расходуется на диспергирование частиц цемента и увеличение энтропии системы. В результате температура понижается в течение 1 сут. Такое изменение температуры характерно для индукционного периода. На графиках зависимости величины тепловыделения от времени выявлено семь таких периодов за время структурообразования системы «цемент-вода-микрокремнезем» в течение 7 сут. Отмечается, что вероятной причиной диспергирования может являться также протонирование связей –Si–O–Si– и образование группировок –Si–O–H в структуре кремнезема. При введении дополнительно в систему супер-пластификатора наблюдается существенное отличие в кинетике тепловыделения в твердеющей системе. При достижении максимального значения изменения температуры, система переходит на 1 сут. в состояние равновесия, которое продолжается приблизительно 3 сут. при небольшом понижении значений температуры. Отсутствие в течение этого периода циклов «диспергирование - кристаллизация» можно объяснить адсорбционным модифицированием высокодисперсных частиц продуктов гидратации.
Литература
Chen Y., Al-Neshawy F., Punkki J. Investigation on the effect of entrained air on pore structure in hardened concrete using MIP. Construct. Build. Mat. 2021. P. 29219. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.123441.
Lin X., Liao B., Li J., Lu M., Pang H. Interaction of individual meta clays with polycarboxylate (PCE) superplasticizers in cement investigated via dispersion, zeta potential and sorption measurements J. Appl. Polymer Sci. 2021. V. 138. N 11. P. 50012. DOI: 10.1016/j.clay.2021.106092.
Al Wahedi Y., Awayes J., Bassioni G. Influence of classical and modern superplasticisers on the chemical and rheo-logical behaviour of oil well cement: a comparative study. Adv. Cement. 2012. V. 23. N 4. P. 175-184. DOI: 10.1680/adcr.2011.23.4.175.
Gao R.J., Sheng Hua Lv S.H. Effects of polycarboxylate superplasticizers on hydration and microstructure of hardened cement paste. Adv. Mat. Res. 2012. V. 487. P. 692-696. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.487.692.
Kheir J., Hilloulin B., Loukili A., De Belie N. Chemical shrinkage of low water to cement (W/c) ratio cem i and cem iii cement pastes incorporating silica fume and filler. Materi-als. 2021. V. 14. N 5. P. 1-13 DOI: 10.3390/ma14051164.
Tkach E.V., Temirkanov R.I., Tkach S.A. Comprehensive study of modified concrete based on activated microsilicon together with micro-reinforcing fiber to improve performance. Bull. Tomsk Polytech. Univ. Geo Assets Eng. 2021. V. 332. N 5. P. 215-226. DOI: 10.18799/24131830/2021/03/3115.
Flores-Vivian I., Pradoto R., Moini M., Kozhukhova M.I., Potapov V.V., Sobolev K.G. The effect of SiO2 na-noparticles on performance of cement-based materials. Vestn. BGTU im. V.G. Shukhov. 2018. V. 11. P. 6–16 (in Russian). DOI: 10.12737/article_5bf7e352d68e96.027912079.
Kaprielov S.S., Shteynfel`d A.V., Krivoborodov Yu.R. Influence of the structure of cement stone with microsilica and superplasticizer additives on the properties of concrete. Beton Zhelezobeton. 1992. N 7. P. 4-5 (in Russian).
Huo J.H., Yu B.S., Peng Z.G., Wu Z.S., Zhang L.H. Thermal control effects and mechanism of slag and fly ash on heat development of cement slurry used in hydrate formation. J. Nat. Gas Sci. Eng. 2021. V. 91. P. 103967. DOI: 10.1016/j.jngse.2021.103967.
Li G., Fang Y., Shao Y., Guo Y., Ma X. Study on the effect of mineral powder and fly ash on cement hydration heat. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2021. V. 692. N 4. P. 042067. DOI: 10.1088/1755-1315/692/4/042067.
Li W., Ma S., Hy Y., Yu J. The properties and hydration of portland cement containing calcium sulfoaluminate cement. Ceramics Silikaty. 2018. V. 62. N 4. P. 1-10. DOI: 10.13168/cs.2018.0032.
Stark J. Recent advances in the field of cement hydration and microstructure analysis. Cement Concrete Res. 2011. V. 41. P. 666-678. DOI: 10.1016/j.cemconres.2011.03.028.
Thomas J.J. A new approach to modeling the nucleation and growth kinetics of tricalcium silicate hudration. J. Am. Ceramic Soc. 2007. V. 90. N 10. P. 3282-3288. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2007.01858.x.
Filimonova O.N., Enyutina M.V., Hvostov A.A., Ryazhskih V.I. Modeling of the process of destruction of ce-ment particles in the initial stage of hydration. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2019. V. 62. N 11. P. 138-142 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20196211.59866.
Juilland P., Galussi E., Flatt R., Scrivener K. Dissolution theory applied to the induction period in alite hudration. Ce-ment Concrete Res. 2010. V. 40. P. 831-844. DOI: 10.1016/j.cemconres.2010.01.012.
Polyakov I.V., Stepanova E.A., Barannikov M.V. Additives for heavy concrete based on man-made waste from chemical industries. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 4. P. 104-109 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20216404.6330.
Vovk A.I. C3S hydration and C-S-H-phase structure: new approaches, hypotheses and data. Tsement Ego Prim. 2012. N 3. P. 89-92 (in Russian).
Lotov V.A., Gorlenko N.P., Sarkisov S.Yu., Shepelenko T.S. Hydratation and Curing Cycles. Internat. Conf. Industrial and Civil Construction. LNCE. 2021. V. 147. P. 28-35. DOI: 10.1007/978-3-030-68984-1.
Lotov V.A. The frequency of the processes of hydration and hardening of cement. Stroitel. Mater. 2018. N 7. P. 55-59 (in Russian). DOI: 10.31659/0585-430X-2018-761-7-55-59.
Huo J.H., Yu B.S., Peng Z.G., Wu Z.S., Zhang L.H. Thermal control effects and mechanism of slag and fly ash on heat development of cement slurry used in hydrate formation. J. Nat. Gas Sci. Eng. 2021. V. 91. P. 103967. DOI: 10.1016/j.jngse.2021.103967.
Wang D.H., Yao X., Yang, T., Feng Y.T., Chen Y. Controlling the early-age hydration heat release of cement paste for deep-water oil well cementing: A new composite designing approach. Construct. Build. Mat. 2021. V. 285. P. 122949. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.122949.
Yan Y., Wang R., Liu J., Tang J., Scrivener K.L. Effect of a liquid-type temperature rise inhibitor on cement hydration. Cement Concrete Res. 2021. V. 140. P. 106286. DOI: 10.1007/s10706-015-9892-6.
Nocuń-Wczelik W., Stolarska K. Calorimetry in the studies of bypass cement kiln dust as an additive to the calcium aluminate cement. J. Therm. Anal. Calorim. 2019. V. 138. P. 4561-4569. DOI: 10.1007/s10973-019-08913-2.13.
Nocuń-Wczelik W. Differential calorimetry as a tool in the studies of cement hydration kinetics with sulphate and nitrate solutions. J. Therm. Anal. Calor. 2017. V. 130. P. 249-259. DOI: 10.1007/s10973-017-6378-1.
Usherov-Marshak A.V., Sopov V.P. Isothermal calorimetry: a standard method for studying the kinetics of cement hydration. Tsement Ego Primen. 2009. N 5. P. 106-107 (in Russian).
Serdyukova A.A., Rakhimbaev I.Sh. The influence of the water-cement ratio on the kinetics of heat release of cements. Tsement Ego Primen. 2012. N 3. P. 123-130 (in Russian).
Lotov V.A., Sudarev E.A., Ivanov Yu.A. Heat release in the cement–water system during hydration and hardening. Stroitel. Mater. 2011. V. 683. N 11. P. 35-37 (in Russian).
