Активаторы твердения на основе оксидов и гидроксидов алюминия для сухих строительных смесей

В докладе представлены результаты исследований по оценке возможности использования добавок на основе оксидов и гидроксидов алюминия (далее по тексту глиноземсодержащих) добавок в качестве ускорителей схватывания и твердения портландцемента и сухих смесей на его основе. Ранее проведенные исследования /1/, по использованию аморфного гидроксида алюминия (АмГА) ОАО "Бокситогорский глинозем" и добавки Rhoximat SA 502 (Rhodia), подтвердили эффективность их применения в составе портландцементных растворных смесей. Дальнейшие исследования проводились с привлечением более широкого спектра порошков на основе оксидов и гидроксидов алюминия, характеристики которых представлены в таблице 1.

Выбранные добавки представляют собой ряд порошкообразных продуктов, различающихся по фазовому составу: от гидроксида алюминия, сочетания гидроксида алюминия с у-Al₂O₃, до у-Al₂O₃. Все эти порошки по литературным данным /2/ и технической информации производителей, характеризуются высокой дисперсностью и активностью по отношению к щелочам.

Для оценки активности глиноземсодержащих добавок в композициях с портландцементом, использован известковый метод /3/ с привлечением термографического и химического анализов. Активность добавок методом термографии оценивалась на образцах из теста, полученного затворением водой смеси гидратной извести и добавки, по интенсивности эндотермического эффекта при t = 480°С, характеризующего разложение гидроксида кальция. Результаты термографического исследования позволили установить, что из серии исследованных добавок наиболее активны АмГА и Rhoximat SA 502: через 2 часа гидратации наблюдается полное связывание Ca(OH)₂.

Для оценки активности добавок химическим методом навески порошков помещали в колбу и заливали 500 мл насыщенного раствора Ca(OH)₂, раствор постоянно перемешивали на мешалке. Периодически из раствора отбиралась проба в количестве 50 мл, отфильтровывалась и титровалась 0,1н HCl. Кинетика связывания Ca(OH)₂ глиноземсодержащими добавками представлена на рисунке 1.

Данные, полученные химическим методом, позволили расположить исследованные добавки в следующий ряд по уменьшению активности по отношению к Ca(OH)₂:

АмГА > Rhoximat SA 502 > Alumina CTC-20>Al(OH)₃ "ч" > Al(OH)₃ технич.

Полученные результаты позволили установить, что на активность добавок по отношению к Ca(OH)₂ влияют как фазовый состав, так и дисперсность порошков. Наибольшую активность проявляет добавка (АмГА). Высокая активность Rhoximat SA 502 и Alumina CTC-20, содержащих наименее активную фазу ?-Al2O3, обеспечивается минимальным размером частиц (d ср = 1,9 - 11 мкм).

Сравнение влияния выбранной серии глиноземсодержащих добавок на процесс твердения портландцемента проводилось на ПЦ - 500 ДО (Осколцемент). Исследовано влияние добавок на сроки схватывания и активность цемента через 24 часа твердения (W=65 % о.в. t = 20°С,). Полученные данные представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Влияние добавок на сроки схватывания и активность портландцемента (цементное тесто 1 : 0)

Вид добавки	Содержание, %	В/Ц, %	Сроки схватывания, мин		Прочность при сжатии, МПа через 24 ч. твердения
			начало	конец
Без добавки	0	27	135	280	23
АмГА	1 3 5	27.5 29 31	65 45 45	125 70 60	31 35 11
Rhoximat SA 502	1 3 5	27 27 27	60 20 55	230 250 135	44 32 18
Al(OH)3 "ч"	1 3 5	27.8 28.3 29.3	30 40 30	60 55 40	30 32 18
Al(OH)3 технический	1 3 5	26.2 26.2 26.2	30 30 70	40 80 120	29 23 18
Alumina CTC - 20	1 3 5	27 27.8 29	50 60 30	110 80 65	23 18 9

Установлено, что все исследованные глиноземсодержащие порошки являются добавками, эффективно сокращающими сроки схватывания цемента.

Rhoximat SA 502, резко сокращает начало схватывания, мало влияет на окончание схватывания. Суточная активность цемента, полученная при испытании образцов, приготовленных из теста нормальной густоты с добавками в количестве (1-3) % от массы цемента превышает активность бездобавочного цемента. Исключение составляет добавка Alumina CTC-20, введение которой в количестве (1-3) % в состав цемента понижает его активность. При увеличении концентрации добавки до 5 % от массы цемента во всех случаях наблюдается снижение активности цемента. Сравнение действия добавок позволило установить, что активными глиноземсодержащими добавками, сокращающими сроки схватывания и повышающими прочность цемента, являются высокодисперсные порошкообразные материалы на основе гидроксида алюминия.

Действие добавок на схватывание и твердение портландцемента было проверено на цементах различных производителей: бездобавочных цементов ПЦ 500-Д0 (Осколцемент), ПЦ 400-Д0 (Осколцемент) и цементов с активными минеральными добавками ПЦ 400-Д20 (Искитимцемент), ПЦ 400-Д20 (Михайловский цемент). Для всех испытанных видов и марок цементов добавка АмГА в количестве (1-5) % от массы цемента является эффективным ускорителем схватывания, сроки схватывания сокращаются в 2-5 раз. Однако, повышение прочности на (25 - 45) % через 24 часа твердения зафиксировано при введении (1-3) % АмГА лишь в состав бездобавочных цементов ПЦ 500-Д0, ПЦ 400-Д0. На цементах содержащих активные минеральные добавки, зафиксировано снижение активности при увеличении содержания АмГА. Аналогичные зависимости были получены при изучении кинетики твердения цементных растворов (ПЦ : песок = 1:3) с использованием вышеуказанных портландцементов. Таким образом, следует сделать вывод о том, что добавка АмГА имеет избирательное применение и может быть использована в качестве ускорителя схватывания и твердения для композиций на основе бездобавочных цементов и в составе сухих смесей, не содержащих кислых активных минеральных или техногенных добавок.

Проведенные дальнейшие исследования по применению добавки АмГА в составе сухих строительных смесей позволили сделать следующие рекомендации по использованию этой добавки в сухих смесях разного назначения

1. Добавка АмГА может быть рекомендована в качестве ускорителя твердения в составе сухих смесей для упрочнения бетонных полов. Замена ускорителя твердения формиата кальция на АмГА в составе рецептур повышает тиксотропные свойства растворной смеси в процессе обработки затирочными машинами, повышает прочность раствора через (1-28) сут. на (20-30) %.

2. АмГА может быть использована, в качестве компонента для разработки сухой расширяющей добавки для портландцемента и сухих смесей.

Оценка характера взаимодействия АмГА в модельной системе и в композиции с портландцементом методами количественного и качественного рентгенофазового анализа показала, что взаимодействие АмГА с составляющими ПЦ и компонентами модельной системы, связано сообразованием эттрингита, причем реакция образования эттрингита протекает с наибольшей скоростью в первые часы твердения. Реакция образования эттрингита с участием АмГА была использована для разработки расширяющей добавки. Кинетика нарастания пластической прочности и деформаций расширения, которым сопровождается твердение расширяющей добавки на воздухе (W = 65 % о.в. t = 20 ± 2°С).

Данные представлены на рисунке 2.

Полученные данные показали, что через три часа гидратации добавка обеспечивает максимальное расширение, (до 7 %) и может быть использована для компенсации усадочных деформаций цементных композиций.

Полученные данные показали, что добавка АмГА ускоряет схватывание смешанных композиций до нескольких минут для составов с преобладанием содержания портландцемента. При этом для ряда композиций зафиксировано повышение прочности через (1-3) сутки твердения в 2-3 раза.

 Установлено, что наиболее эффективной глиноземсодержащей добавкой, сокращающей сроки схватывания и повышающейактивность портландцемента, является добавка на основе высокодисперсного гидроксида алюминия.

 Добавка на основе аморфного гидроксида алюминия имеет избирательное применение: для растворных смесей на основе бездобавочного портландцемента, а также в рецептурах сухих строительных смесей, не содержащих кислые минеральные или техногенные добавки.

 Определены основные направления применения добавки АмГА в составе сухих строительных смесей: в качестве ускорителя схватывания и твердения композиций на основе бездобавочных ПЦ, а также смесей ПЦ и ГЦ; в качестве компонента расширяющей добавки для портландцемента; для комплексной противоморозной добавки, обеспечивающей ускорение твердения цемента при отрицательных температурах.

1. Корнеев В.И., Медведева И.Н., Илясов А.Г. Ускоритель схватывания портландцемента на основе аморфного гидроксида алюминия ОАО "Бокситогорский глинозем" / 3-я международная конференция "Сухие строительные смеси для ХХI века: технология и бизнес" - СПб: 2003 - С.16-17