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EL CONTROL DE LA HIDRATACIÓN DEL CEMENTO CON NANOPARTÍCULAS

RESUMEN

Las nanopartículas se han convertido recientemente en un foco en el desarrollo de nuevos aceleradores para la hidratación del cemento. Se han producido nanopartículas de diferentes materiales como Al2O3, C-S-H-fase y cuarzo mediante diferentes de arriba hacia abajo y los métodos de producción de abajo hacia arriba. El efecto de estas partículas en la hidratación del cemento, fue seguido por el flujo de calorimetría para evaluar su potencial de aceleración como una función del material de partículas, partículas de tamaño y su porcentaje en la pasta de cemento. En este trabajo se demostrará que las partículas tienen el mejor potencial como aceleradores para la hidratación del cemento y, por tanto, son los más adecuados para las posteriores investigaciones. Curiosamente, las nanopartículas que tienen un efecto retardante también se encontraron en la hidratación del cemento

1. INTRODUCCIÓN

El objetivo de la adición de nanopartículas en la hidratación de cementos, es la estimulación de los procesos de nucleación durante la hidratación del cemento temprano. Los principios de estos núcleos se forman más temprano y pueden crecer a mayor fase de hidratación y de ese modo acelerar la hidratación del cemento. Debido al pequeño tamaño de las nanopartículas, proporcionan muy grandes áreas de superficie. Al mismo tiempo, estas superficies son altamente reactivas y pueden reaccionar con componentes de la solución de poro o puede actuar como un sitio de nucleación. El modelo para describir la influencia de las nanopartículas sobre cemento hidratación se distingue entre dos métodos de estimulación de la hidratación del cemento por nanopartículas [1]. En la Fig. 1 ambos métodos (B y C) se muestran en comparación con la hidratación de cemento puro (A).

Un método para estimular la hidratación del cemento es el uso de partículas hechas de materiales como SiO2 o TiO2. Ellas proporcionan superficies reactivas grandes, que puede actuar como un sitio de nucleación y por lo tanto estimular reacciones de nucleación de fases de hidratación en su superficie. También tienen un gran potencial de reaccionar con componentes de pasta de cemento para formar núcleos adicionales, como partículas de SiO2 en un puzolánico; forma de reacción C-S-H [1-4]. Como los efectos de aceleración de estas partículas son inducidas por las reacciones de la superficie de la zona de superficie o el tamaño de las partículas, respectivamente, son los principales factores para la eficacia de partículas para controlar la cinética de hidratación de cemento [5]. La otra posibilidad para acelerar la hidratación del cemento es la adición de nanopartículas que ellos mismos son los núcleos de hidratación fases como H semillas C-S-. En este caso la composición de los núcleos tiene que ser la misma que la fase de hidratación requerida. Mediante la adición de estas partículas el tiempo de reacción de nucleación, que son necesarias para el crecimiento de los cristales, se puede evitar y el período de reposo de la hidratación del cemento se acorta [1,6-8]. Como la formación de H-C-S-durante el período de aceleración es auto catalítica, la formación de C-S-H en este período se debe aumentar significativamente debido a la presencia de las partículas de C-S-H añadido [9].

Ambos métodos de mejora de la cinética de hidratación del cemento por nanopartículas tienen en común, que los núcleos de los productos de hidratación no sólo se forman en la superficie de los granos de cemento como cemento puro, pero también se forman en las partículas de la superficie en el poro de espacio de la pasta de cemento. Los productos de la hidratación del cemento más tarde están formadas por crecimiento de cristales de estos núcleos. En el caso de nanopartículas además se llena el espacio poroso entre los granos de cemento más rápido con fases de hidratación y por lo tanto acelera la compresión desarrollo de la fuerza y la reducción de la porosidad capilar que también fue confirmado por varios estudios [4,10-14]. También la durabilidad de las pastas de cemento que contienen nano sílice se encontró que era ser mucho mayor. Esto se atribuye a un aumento de la fracción de alto rigidez C-S-H gel en las pastas, que se pudo determinar por las técnicas de nano identación, cuando se añadió nano sílice a las pastas [15,16]. Mientras que la influencia de la adición al cemento nano sílice de pasta está bien documentado [17,18] y muchas rutas para la síntesis son conocidas [19], sólo un número limitado de estudios se han llevado sobre otros óxidos como Al2O3 [14,15], TiO2 [16], ZrO2 [17] o Fe2O3 [18]. En el caso de un ligero aumento de principios de resistencia a la compresión se pudo determinar la concentración hasta a 3% de la masa de cemento [20,21]. A mayor concentración de la fuerza de compresión, disminuyó en comparación con un cemento de referencia [22] Resultados similares de aumento de resistencia a la compresión en concentraciones de nanopartículas de hasta el 3% podrían así ser encontrados por TiO2 [23,24], ZrO2 [25], Fe2O3 [26,27], Fe3O4 [28].

La nucleación de siembra de C-S-H- de partículas es un nuevo enfoque para utilizar nanopartículas como aceleradores de cemento. En C-S-H- las semillas se encontraron un acelerador de fraguado eficiente para C3S hidratación [1]. La reacción de mecanismos todavía no se conocen con exactitud, pero el C / S-relación de El C-S-H-semilla parece ser un factor importante para la eficacia en la aceleración de la hidratación del cemento y de la mecánica de la pasta de propiedades de cemento endurecida [6]. Especialmente C-S-Hseeds de baja S-ratios, que proporcionan grandes superficies C /, tienen un fuerte impacto acelerando al acortar el período de reposo de hidratación del cemento. En nuestros experimentos de dos diferentes H-partículas C-S- Se han usado composiciones comerciales disponibles, xonotlita (? H2O 6CaO? 6SiO2) y tobermorita (5CaO? 6SiO2? 5H2O). Mientras que la mayoría de los estudios sobre la adición de nanopartículas de pasta de cemento u otros materiales de cemento se centran en el aumento del desarrollo de fuerza, este estudio se centrará en la calorimetría de flujo de calor a seguir la hidratación del cemento y hacer que el efecto de los diferentes materiales comparable directamente entre sí. Además vamos a mostrar la diferencia en la cinética de hidratación del cemento entre la nucleación directa siembra con C-S-H-semillas y siembra indirecto con otras partículas que ofrecen los sitios de nucleación.

2. ESTUDIO EXPERIMENTAL

Las Partículas de óxido de aluminio fueron producidos por la molienda de c- Al2O3 en un molino de bolas agitador durante 24 h. También las nanopartículas de cuarzo y C-S-H-fase fueron producidas por la misma molienda a preparar. Se utilizaron dos variedades de C-S-H-fase, xonotlita y tobermorita. El tamaño de las nanopartículas se determinó por dispersión de luz dinámica (HPPS 5001, Malvern). Para el flujo de calor colorimétricas, el porcentaje solicitado de las nanopartículas, dispersado en agua, se añadió a 4 g de un cemento blanco CEM I (Dyckerhoff Weiß, 42,5 R) y se mezcló durante 90 s, con un vórtex (Heidolph Reaxtop). Posteriormente las muestras se mezclaron y se pusieron en el calorímetro (MC CAL, C3 Prozess- und Analysentechnik) y el flujo de calor fue seguido durante 7 días a 20? C. experimentos con 0,5-10 peso. Las nanopartículas en masa de cemento adicionalmente añadidas a la pasta de cemento se realizaron. La relación agua / sólido era 0,5 para todas las muestras. Todos los resultados fueron asegurados a la doble determinación.

Para lograr una dispersión completa de las nanopartículas en el agua de sonido ultrasónico (Hielscher UP400S) se aplicó a la dispersión durante 3 min directamente antes de añadir la dispersión al cemento. La dispersión completa de las partículas se puede asumir debido a que la misma técnica de dispersión se utiliza antes de dispersión de luz dinámica experimentos, en los que no hay aglomerados no se pudo determinar.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Puesto que el área de superficie o, respectivamente, el tamaño de partícula eran encontrados para ser un factor crucial para el efecto acelerador de nano sílice en la hidratación del cemento [5], es probable que el tamaño de partícula es también un factor importante para que las partículas que se seguirán aquí. Los resultados de los experimentos de dispersión de luz dinámica (valor medio de una determinación quíntuple) se muestran en la Tabla 1. La partícula de distribución de tamaño era mono dispersa casi para todas las muestras. Para mejor comparación del efecto de las nanopartículas en la hidratación del cemento, sería deseable tener tamaños de partículas idénticas. Desafortunadamente esto no fue posible debido a los requisitos geológicos durante el proceso de molienda. Aunque no todos los tipos de partículas cumplen con la definición de las nanopartículas (partículas tamaño de <100 nm), su área de superficie específica está en el mismo rango que las nanopartículas. Especialmente el área superficial de la xonotlita y las partículas de tipo tobermorita es muy alta en comparación con el tamaño de la partícula, que indica que tienen una estructura menos densa con alta áreas de superficie interior mientras que el efecto de la adición nano sílice en materiales de cemento han sido estudiados por varios autores (véase más arriba) Poco se sabe sobre la actividad de las nano partículas de cuarzo en los cementos.

Fig. 1. Hidratación del cemento puro (A) y con nanopartículas (B) o C-S-H-semilla (C) la adición en diferentes momentos después

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