Исследование кинетики твердения минерального вяжущего электрическим и оптическим методами

Твердение минеральных вяжущих (цемент, гипс, известь, глина) сопровождается растворением минералов с поверхности частиц вяжущего, химическим взаимодействием с водой (реакции гидратации и гидролиза) и образованием насыщенного по отношению к новым гидратам раствора. После достижения насыщения реакции минералов с водой продолжаются еще некоторое время, при этом происходит адсорбирование молекул воды твердой фазой самого вяжущего. В результате образуется «промежуточная» коллоидная система, характеризующаяся вязкостью или пластичностью в зависимости от содержания в ней воды. На финальном этапе перекристаллизация и сращивание частиц в коллоидном растворе приводят к его твердению и повышению прочности образовавшегося камня. В работе приведены результаты исследования кинетики твердения водного раствора минерального вяжущего с использованием электрического и оптического методов. При испытаниях определяли такие электрические параметры, как сопротивление и емкость образцов, проводили визуализацию пространственной микроструктуры раствора. Установлено, что в зависимости от минерального состава воды характер процесса твердения существенно меняется. Заметные флуктуации электрических параметров фиксировали в экспериментах с минеральной водой. Оптические измерения показали, что твердеющий раствор по своей структуре близок к дендритам, фрактальная размерность структуры практически не меняется в процессе роста. Выявлено также, что твердение на начальном этапе протекает по логистическому закону. Полученные результаты могут быть использованы при исследовании кинетических параметров твердения и диагностики структуры материалов на основе минеральных вяжущих.

1. Adamtsevich A., Shilova L. The regulation of hardening kinetics of building composites based on cement binders / IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 2017. Vol. 90. P. 012152. DOI: 10.1088/ 1755-1315/90/1/012152

2. Miao M., Liu Q., Zhou J., Feng J. Effects of expansive agents on the early hydration kinetics of cementitious binders / Materials (Basel). 2019. Vol. 12. N 12. P. 1 – 11. DOI: 10.3390/ ma12121900

3. Pacheco J., De Brito J., Chastre C., Evangelista L. Experimental investigation on the variability of the main mechanical properties of concrete produced with coarse recycled concrete aggregates / Constr. Build. Mater. 2019. Vol. 201. P. 110 – 120. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.12.200

4. Lu Y., Shi G., Liu Y., Ding Z., Pan J., Qin D., Dong B., Shao H. Study on the effect of chloride ion on the early age hydration process of concrete by a non-contact monitoring method / Constr. Build. Mater. 2018. Vol. 172. P. 499 – 508. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.03.206

5. Zhang H., Yang Z., Su Y. Hydration kinetics of cement-quicklime system at different temperatures / Thermochim. Acta. 2019. Vol. 673. P. 1 – 11. DOI: 10.1016/j.tca.2019.01.002

6. Bernard O., Ulm F.-J., LeMarchand E. A multiscale micromechanics-hydration model for the early-age elastic properties of cement-based materials / Cem. Concr. Res. 2003. Vol. 33. P. 1293 – 1309. DOI: 10.1016/S0008-8846(03)00039-5

7. Lin F., Meyer C. Hydration kinetics modeling of Portland cement considering the effects of curing temperature and applied pressure / Cem. Concr. Res. 2009. Vol. 39. P. 255 – 265. DOI: 10.1016/j.cemconres.2009.01.014

8. Winnefeld F., Martin L., Müller C., Lothenbach B. Using gypsum to control hydration kinetics of CSA cements / Constr. Build. Mater. 2017. Vol. 155. P. 154 – 163. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.07.217

9. Thomas J., Biernacki J., Bullard J., Bishnoi S., Dolado J., Scherer G., Luttge A. Modeling and simulation of cement hydration kinetics and microstucture development / Cem. Concr. Res. 2011. Vol. 41. P. 1257 – 1278. DOI: 10.1016/j.cemconres.2010.10.004

10. Singh N., Middendorf B. Calcium sulphate hemihydrate hydration leading to gypsum crystallization / Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 2007. Vol. 53. P. 57 – 77. DOI: 10.1016/j.pcrysgrow.2007.01.002

11. Clifton J. R. Some aspects of the setting and hardening of gypsum plaster / Nat. Bur. Stand (US). Tech. Note 755. 1973. P. 1 – 33.

12. Amathieu L., Boistelle R. Crystallization kinetics of gypsum from dense suspension of hemihydrate in water / J. of Crystal Growth. 1988. Vol. 88. P. 183 – 192. DOI: 10.1016/0022-0248(88)90275-8

13. Melikhov I. V., Rudin V. N., Vorobeva L. I. Non-diffusive topochemical transformation of calcium sulphate hemihydrate into the dihydrate / Mendeleev Commun. 1991. Vol. 1. N 1. P. 33 – 34. DOI: 10.1070/MC1991v001n01ABEH000019

14. Hand R. J. The kinetics of hydration of calcium sulphate hemihydrate: A critical comparison of the models in the literature / Cement and Concrete Research. 1994. Vol. 24. N 5. P. 885 – 895. DOI: 10.1016/0008-8846(94)90008-6

15. Lewry A., Wllliamson J. The setting of gypsum plaster. Part I: The hydration of calcium sulphate hemihydrate / J. of Materials Science. 1994. Vol. 29. P. 5279 – 5284. DOI: 10.1007/BF01171536

16. Lewry A., Wllliamson J. The setting of gypsum plaster. Part II: The development of microstructure and strength / J. of Materials Science. 1994. Vol. 29. P. 5524 – 5528. DOI: 10.1007/BF00349943

17. Kontrec J., Kralj D., Ljerka Brecevic L. Transformation of anhydrous calcium sulphate into calcium sulphate dihydrate in aqueous solutions / J. of Crystal Growth. 2002. Vol. 240. P. 203 – 211. DOI: 10.1016/S0022-0248(02)00858-8

18. Farrah H. E., Lawrance G. A., Wanless E. J. Gypsum-anhydrite transformation in hot acidic manganese sulfate solution. A comparative kinetic study employing several analytical methods / Hydrometallurgy. 2004. Vol. 75. P. 91 – 98. DOI: 10.1016/j.hydromet.2004.07.002

19. Yu Q., Brouwers H., de Korte A. Gypsum hydration: a theoretical and experimental study. In H. B. Fischer, K. A. Bode (Eds.). / Proceedings of the 17th Ibausil. International conference on building materials (Internationale Baustofftagung). — Weimar (Germany): Bauhaus-Universität Weimar, 2009. P. 1-0783 – 1-0788.

20. De Korte A., Brouwers H. Ultrasonic sound speed analysis of hydrating calcium sulphate hemihydrate / J. Mater. Sci. 2011. Vol. 46. P. 7228 – 7239. DOI: 10.1007/s10853-011-5682-6

21. Petropavlovskaya V., Novichenkova T., Pustovgar A., Buryanov A., Petropavlovskii K. Mechanism of gypsum hardening / XXVII R-S-P Seminar. Theoretical Foundation of Civil Engineering. MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 196. P. 04096(1-8). DOI: 10.1051/matecconf/201819604096

22. Azarsa P., Gupta R. Electrical resistivity of concrete for durability evaluation: review / Advances in Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 2017. P. 1 – 30. DOI: 10.1155/2017/ 8453095

23. Skarbek R., Savage H., Kelemen P., Yancopoulos D. Competition between crystallization-induced expansion and creep compaction during gypsum formation, and implications for serpentinization / J. of Geophysical Research: Solid Earth. 2018. Vol. 123. P. 1 – 22. DOI: 10.1029/2017JB015369

24. Gurgul S., Seng G., Williams G. A kinetic and mechanistic study into the transformation of calcium sulfate hemihydrate to dihydrate / J. Synchrotron Rad. 2019. Vol. 26. P. 774 – 784. DOI: 10.1107/S1600577519001929

25. Kralchevsky P. A., Danov K. D., Denkov N. D. Chemical physics of colloid systems and interfaces / Handbook of Surface and Colloid Chemistry. — NY: CRC Press, 2003. — 744 p.

26. Verhulst F. Nonlinear differential equations and dynamical systems. — Springer, 1990. — 277 p.

27. Ridge M. J. Hydration of calcium sulphate hemihydrate / Nature. 1964. Vol. 204. P. 70 – 71. DOI: 10.1038/204070a0

28. Mandelbrot B. B. The fractal geometry of nature. — W. H. Freeman and Company, 1982. — 468 p.