Co se stane, když smícháte jíl a cement?

ABSTRAKTNÍ. Tento článek prezentuje výsledky studií, které pomáhají vyhodnotit vliv cementů obsahujících tepelně aktivované jíly různých typů na chování betonu v agresivním prostředí. Výchozími materiály byly běžné portlandské cementy s různým obsahem alkálií a také jíly obsahující jako hlavní jílové minerály kaolinit, montmorillonit a illit. Byla studována mikrostruktura produktů tvrdnutí cementů obsahujících 30 % kalcinovaného jílu. U roztoků na jejich bázi byla stanovena pevnost v tlaku, odolnost proti síranové korozi a alkalicko-křemičité reakci. Bylo zjištěno, že kalcinované jíly, bez ohledu na jejich minerální bázi, jsou užitečné pucolány. Odhaduje se, že jejich příspěvek k pevnosti betonu je střední až významný. Pokud jde o trvanlivost betonu, v závislosti na jeho provozních podmínkách mohou být uvalena určitá omezení na použití kalcinovaného montmorillonitu a illitových jílů. Tyto materiály mají nižší účinnost než metakaolin, a proto je lze použít v omezené míře.

Klíčová slova: cementy s přídavkem kalcinovaných jílů, metakaolinu, pucolánu, trvanlivost betonu, odolnost proti síranové korozi, odolnost proti alkalicko-křemičité reakci.

Klíčová slova: kalcinované jílové směsné cementy, metakaolin, pucolán, trvanlivost betonu, odolnost vůči síranům, odolnost vůči alkalicko-křemičitým reakcím.

Vzhledem k rostoucím požadavkům na vlastnosti a šetrnost cementu k životnímu prostředí se v posledních desetiletích zintenzivnilo hledání materiálů, které by v něm mohly nahradit slínek [1]. Výsledkem je, že kalcinované jíly, které mají dlouhou historii použití ve stavebních materiálech a vykazují pucolánové vlastnosti, prodělaly určitou „renesanci“ a byly podrobeny velkému množství zásadních studií, stejně jako studiím zaměřeným na optimalizaci tepla. léčba [2–7]. Pokud jde o trvanlivost, hlavní pozornost je věnována metakaolinu kvůli jeho vysoké aktivitě, srovnatelné s mikrosilikou a poskytující vysokou korozní odolnost betonu [8–11]. Metakaolin je však velmi drahý produkt, a proto má omezené použití. Příkladem racionálního použití metakaolinu je jeho zavedení do složení betonu vystaveného roztokům obsahujícím sírany nebo riziko škodlivé interakce cementových alkálií s křemičitým kamenivem. Jsou však známy i jiné, levnější kalcinované jíly s pucolánovými vlastnostmi. Lze očekávat, že betony vyrobené z cementů s těmito přísadami budou mít i zvýšenou odolnost vůči korozi způsobené různými faktory. Důvodem pro studium možností využití těchto cementů se staly ekonomické důvody. Účelem výzkumu realizovaného autory této práce je získat data, která pomohou vyhodnotit vliv cementů, mezi které patří tepelně aktivované jíly různých typů, na chování betonu v agresivním prostředí.

2. Experimentální část

2.1. Suroviny a kalcinační procesy

Pro experimenty byly vybrány tři druhy jílů. Jejich složení je uvedeno v tabulce. 1 a 2: jíly obsahují: kaolinit (K), montmorillonit (M) a illit (I), jakož i relativně malá množství dalších minerálů. První z jílů byl vybrán jako základní, protože jeho vlastnosti jsou nejznámější. Chemická analýza byla provedena pomocí rentgenové fluorescenční metody (Orbis PC spektrometr, EDAX/AMETEK). Mineralogické složení bylo stanoveno práškovou rentgenovou difrakcí (D5000 Siemens, záření CuK_α) metodou Rietveld (software Autoquan). Jíly byly vypáleny v muflové peci (rychlost ohřevu až 10 °C/min, doba výdrže při maximální teplotě – 1 hodina) a poté ochlazeny na vzduchu. Následným krátkým mletím bylo možné dosáhnout disperze odpovídající obvyklé jemnosti mletí cementu.

2.2. Techniky

Zkoušky byly provedeny na cementech smíchaných s 30% pálenou hlínou. Optimální režim vypalování jílů byl stanoven na základě výsledků stanovení pevnosti v tlaku roztoků podle DIN EN 196-1. Byly použity běžné portlandské cementy lišící se obsahem alkálií – v ekvivalentu Na₂O 0,41 hmotn. % (PC1) a 1,03 hmotn. % (PC2). Výsledky testování pevnosti roztoků obsahujících jíly vypálené při optimální teplotě jsou na Obr. 1.

Obr.1. Pevnost v tlaku roztoků na bázi směsí PC1 (a) a PC2 (b) s 30 % kalcinovaného jílu (uvedena teplota výpalu) nebo křemene

Pro roztoky staré 91 dní byla distribuce velikosti pórů stanovena pomocí metody rtuťové porozimetrie (MP) a fázové složení bylo stanoveno pomocí metody rentgenové difrakce s Rietveldovou rafinací (za použití ZnO jako vnitřního standardu). Kromě toho byly pořízeny mikrofotografie past (Nova NanoSEM 230, FEI).

Odolnost cementů vůči síranům byla studována v souladu s obecně uznávanou německou metodou německého institutu stavební techniky (DIBT). Roztoky byly tvarovány do plochých hranolů o tloušťce 1 cm Po 2 dnech byly vyjmuty z forem a udržovány v nasyceném roztoku Ca(OH).₂ do 12 dnů. Poté byly vzorky uloženy v 0,44% roztoku Na₂SO₄ (to odpovídá koncentraci SO iontů₄ 2 – 3000 mg/l) při 5 a 20 °C po dobu 6 měsíců. Odolnost vůči síranům byla posuzována pomocí lineární expanze hranolů.

Vliv kalcinovaných jílů na odolnost betonu vůči interakci alkálií z cementu a oxidu křemičitého z kameniva byl stanoven pomocí zrychlené metody [12]. K tomu se používají maltové směsi obsahující cement (CEM I 32,5 R obsahující Na₂O_ekv = 0,94 hmotn. %, smíchaný s 30 % kalcinovaného jílu, reaktivním plnivem a vodou, ve které byl předem rozpuštěn NaOH v takovém množství, aby celkový obsah alkálií v maltové směsi v ekvivalentu Na₂O bylo 2,5 %. Maltové směsi byly umístěny do standardních trámových forem o rozměrech 4 × 4 × 16 cm, uchovávány 1 den, poté uloženy ve vodě o teplotě 70 °C. Expanze vzorků byla měřena po dobu 28 dnů.

3.1. Pevnost v tlaku

3.2. Mikrostruktura

Distribuce velikosti pórů a celková pórovitost roztoků starých 91 dní jsou znázorněny na Obr. 2. Je vidět, že kalcinované jíly nemají pozitivní vliv na pórovitost nízkoalkalického systému. To je překvapivé, protože by se dalo očekávat snížení poréznosti alespoň v případě metakaolinu, vzhledem ke srovnatelným hodnotám pevnosti pro nepřidaný vzorek a vzorek s metakaolinem. Ve vysoce alkalických složeních vykazují lepší výsledky cementy s přísadami. Oproti PC mají buď stejnou pórovitost, nebo jako v případě metakaolinu ještě nižší pórovitost, což docela dobře koreluje s hodnotami pevnosti. S ohledem na nárůst pevnosti lze předpokládat, že pucolánová reakce kalcinovaných jílů může částečně kompenzovat negativní vliv rychlé hydratace vysoce alkalického cementu.

Rýže. 2. Distribuce velikosti pórů a celková pórovitost (P) roztoků připravených z PC1 (a) a PC2 (b) s 30 % kalcinovaných jílů Obr.

Z distribučních křivek velikosti pórů je vidět, že u všech vzorků většinu prostoru pórů zabírají póry, jejichž velikost je v rozmezí 10–100 nm. Přítomnost přísad ve složení cementu odpovídá v grafu posunu velikosti pórů k menším hodnotám v důsledku pucolánové reakce.

Snížený obsah portlanditu v cementovém kameni s přísadami oproti vzorku bez přísad ukazuje na pucolánovou aktivitu kalcinovaných jílů (tab. 3). Poznamenáváme však, že pro jednoduchost je účinek přísad na hydrataci C₃S nebylo bráno v úvahu. Výsledky byly podle očekávání pro metakaolin, který je nejaktivnějším materiálem. Tento výsledek, stejně jako uspokojivé hodnoty pro kalcinovaný montmorillonitový jíl, jsou v souladu s údaji [4]. S jejími autory však panuje nesouhlas ohledně aktivity kalcinovaného illitového jílu, který má zjevně schopnost vázat portlandit v C-S-H a C-A-H, čímž poskytuje další příspěvek k pevnosti. Porovnání výsledků pro dva typy cementů nám neumožňuje zjistit znatelné rozdíly. K vazbě CH v nízko alkalickém systému dochází s mírně vyšší aktivitou, což je v rozporu s dříve získanými měřeními pórovitosti. V důsledku toho má pucolánová reakce méně pozitivní vliv na mikrostrukturu při použití nízkoalkalického cementu.

Hustší struktura roztoku s metakaolinem ve srovnání se strukturou vzorku „illitu“ je na Obr. 3. Elektronový mikrosnímek prvního z nich (obr. 3, a) ukazuje hustou strukturu hydratačních produktů s malými zbytky CH. Vzorek s illitem zároveň obsahuje velké agregáty vrstevnatých krystalů portlanditu (obrázek 3, b) a dobře rozeznatelné jehlicovité a fóliovité filmy fáze C-S-H, což ukazuje na otevřenější strukturu ve srovnání s roztokem obsahujícím metakaolin.

Rýže. 3. Elektronové mikrofotografie vzorků cementového kamene (PC2) s kalcinovanými kaolinitovými (a) a illitovými (b) jíly

3.3. Odolnost vůči sulfátům

Zkouška odolnosti vůči síranu byla prováděna nejen při 20 °C, protože zkušenosti ukazují, že vlastnosti roztoků jsou při této teplotě často přeceňovány. Proto bylo zvoleno nízkoteplotní vytvrzování při 5 °C, simulující poměrně běžné podmínky, které mají zpomalující účinek na hydrataci cementu. Z výsledků zkoušek pro oba cementové systémy (obr. 4 a 5) vyplývá, že PC2 poskytuje menší roztažnost díky nižšímu obsahu C₃A – 7,4 % (obsah C₃A v PC1 – 13,1%), což platí pro obě hodnoty vytvrzovací teploty, což nemá vliv na sulfátovou odolnost PC2. Naproti tomu určitá teplotní závislost je patrná u PC1, který je při 5 °C odolnější vůči síranům. Důvodem může být pomalejší hydratace při nízkých teplotách a tedy nižší obsah portlanditu. Protože CH hraje důležitou roli při tvorbě fází, které způsobují deformaci (jako je sádra a ettringit), jsou hodnoty expanze v tomto případě o něco nižší než u vzorků při 20 °C. Pokud jde o cementy s přísadami, především si všimneme pozoruhodných vlastností kompozic s metakaolinem. Bez ohledu na testovací podmínky se vzorky všech relevantních řešení rozšířily jen nepatrně, což potvrzuje dříve učiněné předpoklady. Pozitivní efekt může být způsoben jak omezeným transportem iontů v důsledku zvýšení příspěvku malých pórů ke struktuře pórů, tak vazbou CH, tj. odstraněním složky účastnící se destruktivních přeměn. Protože oba tyto faktory jsou méně výrazné v případě dalších dvou kalcinovaných jílů, odpovídající cementy odolávají síranovému napadení podstatně hůře. Pouze při vytvrzení při 20 °C kalcinovaný montmorillonit a illitové jíly mírně zlepšují odolnost roztoků vůči síranům, což lze přičíst sníženému obsahu portlanditu v cementovém kameni – jak v důsledku vázání CH, tak v důsledku zřeďovacího účinku . Při teplotě 5 °C však nahrazení slínku těmito přísadami nemá žádný pozitivní účinek. Při této teplotě se již pomalá pucolánová reakce ještě více zpomalí, což znamená malou vazbu CH a žádné zhutnění struktury roztoku. Kalcinované jíly, s výjimkou metakaolinu, tedy mají malý vliv na síranovou odolnost cementu, a proto za těchto podmínek nezvyšují trvanlivost betonu.

Rýže. 4. Výsledky zkoušek sulfátové odolnosti roztoků na PC1 smíchaném s 30% kalcinovaným jílem při teplotách 5 (a) a 20 (b) °C. N – výsledek nelze získat

Rýže. 5. Výsledky zkoušek sulfátové odolnosti roztoků na PC2 smíchaném s 30% kalcinovaným jílem při teplotách 5 (a) a 20 (b) °C

K výrobě cementového jílu (uměleckého betonu) z cementu existuje několik metod. Mnoho řemeslníků používá jako základ pro cementovou hlínu cementové lepidlo nebo cementovou omítku.

To je odůvodněno tím, že obsahují redispergovatelný prášek a étery celulózy. Do dražších směsí se přidávají i estery škrobů. Snižují skluz řešení.

Někteří řemeslníci přidávají do cementové malty DPVA kvůli lepivosti, což je přípustné pouze pro vnitřní práce. I s indexem D3 – D4, disperze je horší, ale stále se rozpouští ve vodě a nevydrží více cyklů rozmrazování. Zároveň se výborně hodí k lepení dřevěných dílů a překližek zahradního nábytku.

Dříve na stránkách kamsaddeco.com jsme již zvažovali možnosti použití jíl, CMC a vápno. Ale taková směs má také negativní aspekty – zvýšenou absorpci vody a sníženou pevnost produktu. Požadovaný dodatečné zpevnění a hydroizolace.

Dnes se podíváme na další metodu navrženou mistrem s mnohaletými zkušenostmi. Cementová hlína zde, stejně jako slavný umělecký beton, obsahuje několik druhů vláken a novou, ale pro nás ne, složku – metakaolin (čti článek metakaolin a mikrosilika). U toho druhého se zeptali, proč to používá. Ale o tom později.

Dnešní příběh bude v novém stylu: otázka-odpověď s vysvětlením.

Cementová hlína – složení směsi

Jak vyrobíte betonovou směs podobnou jílu, kterou lze tvarovat, tvarovat, vyřezávat nebo razit?

Složení uměleckého betonu navržené autorem pro sochařství výrobků na osobním pozemku:

10 dílů cementu M400, 5 dílů nejjemnějšího písku, 2 díly metakaolinu, 0,5. 0,75 dílů směsi polypropylenu a celulózového vlákna, 5 dílů vody, akrylový základ (trochu na konci várky) a jakákoli ochrana proti vlhkosti podle pokynů.

Etapy přípravy cementové hlíny.

1. Vrtačkou promíchejte celou suchou směs spolu s vlákninou.
2. Ke směsi přidejte 5 dílů vody (s ochranou proti vlhkosti) a také promíchejte. Vznikne nám polosuchá hrudkovitá směs.
3. Postupně přidávejte akrylový základní nátěr. Měli byste získat směs podobnou jílu.

Této cementové hlíně trvá asi 4 hodiny, než začne tvrdnout.

Tento recept je podobný často navrhovanému uměleckému betonu pouze bez metakaolinu.

Nyní pojďme do sekce otázek a odpovědí.

Jako směs pro cementové modelování nebo umělecký beton lze použít a upravit

otázka: Je možné zpomalit proces tuhnutí cementové hlíny?

odpověď: Tuhnutí můžete zpomalit přidáním 0,1 % cukru nebo 0,15 % kyseliny citrónové (na hmotnost cementu) do roztoku. Zvýšením těchto hodnot je možné dlouhodobě zpomalit tvrdnutí směsi.

Přidání: Je třeba poznamenat, že zavedení těchto složek sníží lomovou pevnost produktu.

otázka: Je možné místo metakaolinu použít microsilica?

odpověď: je to možné, ale lepivost uměleckého betonu se výrazně zvýší a bude se s ním obtížně pracovat.

Metakaolin v uměleckém betonu – dá se nahradit něčím jiným?

odpověď: Metakaolin dělá několik věcí. Jde o pucolán, který reaguje s vedlejšími produkty hydratace cementu za vzniku betonových zpevňovacích materiálů. Jeho částice jsou 10x menší než částice cementu a vyplňují prostor mezi částicemi cementu. Tento koncept je známý jako balení částic.

Cementová hlína se stává hustší a odolnější vůči pronikání vody. Díky tomu je směs také pružnější a snáze se tvaruje. Metakaolin mi pomáhá. Budete muset provést svůj vlastní výzkum a experimentovat, abyste zjistili, co jiného funguje stejně. Nejsem konkrétní specialista. Vím jen to, co jsem četl a co jsem osobně použil.

Přidání: metakaolin je aktivnější než jiné podobné složky.

otázka: Je možné nahradit metacoalin vápnem?

odpověď: Mějte na paměti, že vápno NENÍ jako metakaolin. Ve skutečnosti je původně složen z oxidu vápenatého, extrémně alkalické látky, s níž je nebezpečné manipulovat a může způsobit oslepnutí, pokud se dostane do očí. Pokud se ho rozhodnete použít, buďte při manipulaci maximálně opatrní. Tím si spálíte kůži.

Nahrazení metakaolinu jím vede k úplné ztrátě balení částic. V důsledku toho se cementová hlína stává méně hustá. Beton bude mít také zpočátku menší pevnost, ale časem bude reagovat s oxidem uhličitým za vzniku uhličitanu vápenatého. Nejprve se z něj vyrábí vápno.

Vápno také způsobuje výkvěty, nepříjemně vypadající bílou křídovou hmotu, která se tvoří na povrchu. Použitím vápna ušetříte, ale vzdáte se většiny výhod metakaolinu.

otázka: jaký akrylový základ používáte?

odpověď: Závisí na obsahu pevných látek. Ten, který používám, obsahuje 50% pevných látek, takže ředím 1 díl akrylu na 3 díly vody. Mnohé z těch, které jsou k dispozici v obchodech, obsahují asi 25 % pevných látek. Dodržujte doporučení výrobce.

otázka: Metakaolin v akci nemáme, čím ho můžeme nahradit?

odpověď: Možná budete muset navštívit obchody s keramikou. Často mají metakaolin. Ale říkají tomu kalcinovaný kaolin.

otázka: tato cementová hlína je na vrchní vrstvu modeláže, ale na základ?

odpověď: Pro spodní stranu sochy zvyšte poměr 1 písku k 1 cementu jako u běžného sochařství. Pro odlévání měním směs na 2 nebo 3 písek na 1 cement. Metakaolin redukuji na 10%, přidávám 8% mikrosilika. Při použití forem můžete přidat i superplastifikátor.

Jak udělat cementovou hlínu světlou a nadýchanou?

odpověď: Záleží na tom, jakou pevnost a odolnost požadujete. Lehký beton ztrácí pevnost ve prospěch nižší hmotnosti. Obvykle používám poměr 3 písek ku 1 cementu pro základní nátěr a 1 nebo 2 písek ku 1 cementu pro horní vrstvu umělého kamene. Pokud chcete nízkou hmotnost, nahraďte část nebo všechen písek perlitem nebo vermikulitem.

Opět podle toho, jak světlý chcete mít umělecký beton. Můžete mít například 1 díl písku, 1 díl perlitu a 1 díl cementu. Mějte na paměti, že bude obtížné skrýt lehké kamenivo v konečném nátěru. Možná budete muset nanést finální tenkou vrstvu písku/cementu k pokrytí lehkého kameniva.

Nemyslím si, že bych nějaké směsi nazval „načechranými“, snad s výjimkou pěnobetonu (pěnobetonu). Ale o možnosti jejich použití bych ani neuvažoval, jelikož jsou velmi slabé. V každém případě bych ještě zařadil metakaolin, křemičitý úlet, akryl a vlákno pro zvýšení hustoty a odstranění pórovitosti.

Je velmi důležité přidávat tekutinu opatrně a pomalu. V opačném případě skončíte se směsí, která stéká nebo padá ze svislého povrchu. Technika míchání je velmi důležitá, bez ohledu na směs.

Přidání: Můžete použít izolační fasádní omítku.

otázka: Proč používáte dvě vrstvy drátěného pletiva na umělecký beton? Není jedna vrstva dostatečně stabilní?

odpověď: Jedná se o konstrukční koncept známý jako ferrocement, někdy nazývaný tenkostěnná konstrukce. Kombinace cementové směsi s několika vrstvami jemného drátu, pletiva a/nebo kovových tyčí vytváří velmi pevný konstrukční prvek. Země třetího světa používají ferrocement ke stavbě vodních nádrží již mnoho let.

Otázka: jak přidat prvky (korálky) do hlavní struktury?

Odpověď: Nejlepší je přidat prvky před úplným vytvrzením základního uměleckého betonu, protože přilnavost bude mnohem lepší, protože mezi základnou a kuličkami bude chemická vazba. Minimálně základnu před přidáním korálků namočte vodou a použijte do nich akryl. Je lepší navlhčit základnu akrylem a také použít akryl v korálcích.

Jediný problém s použitím akrylu je, pokud se chystáte použít barvivo na kyselé skvrny. Akryl narušuje chemické působení kyselé skvrny.

Cementová hlína nepraská?

odpověď: Tato směs se od mé obvyklé směsi liší tím, že eliminuje přítomnost oxidu křemičitého a zvyšuje množství metakaolinu. Chcete-li maximalizovat odolnost proti prasklinám,

Do směsi přidávám trochu CSA cementu, protože se při tuhnutí roztahuje, čímž kompenzuje tendenci portlandského cementu smršťovat se. To také urychluje tuhnutí. Proto musíme pracovat rychleji. Po dokončení počáteční vrstvy také zakryjte dílo plastem, abyste udrželi vlhkost. Tím se dále snižuje riziko praskání.

zde je základní otázky a odpovědi. Doufám, že vám pomohou ve vaší práci. Uvidíme se znovu na stránkách kamsaddeco.com.

Články na téma: