Theoretical and Experimental Justification of the Principles of Modifying Compositions of CaO-Al2O3-SO3-H2O Systems

Abstract

Creation of new varieties of standard (common) cements and special cements is one of the main directions of modern developments in the technology of production of cementing agents. In the group of special cements a special place is occupied by alumina ones, sulfoaluminate ones etc. The main research work during the development of such cements is carried out in the direction of creating new compositions providing replacement of scarce components. Providing such a material composition, the cost of compositions with properties of alumina cements is slightly higher than that of ordinary ones, but their use improves performance characteristics of products. When summarizing the accumulated experience, we note that new effective compositions based on alumina cement, gypsum and production waste are quite effective in economic and technical terms. Purpose of the articleis to determine the dependence of formation of hydrated compounds during hydration of aluminate and sulfoaluminate cements on the surface energy ∆G=f(AMU) and the ratio ∆G=f(mCaO/nAl2O3) in the minerals of the system on the average Gibbs energy and to increase stability of the ettringite phase of the CaO-Al2O3-SO3-H2O system. The article considers possibilities of managing hydration processes by means of creating composites and the introduction of additives affecting the value of the Gibbs surface energy of the CaO-Al2O3-SO3-H2O system. As a result, the number of crystallization centers and the speed of chemical processes increase. A theoretically substantiated hypothesis of the effect caused by the ratio G=f(mСаО/nAl2О3) in the minerals of the CaO-Al2O3-H2O system on the Gibbs surface energy: СА2=0.27 -∆G=24.70, СА=0.54–51.86, С12А7=0.8–141.00, С3А=1.63–145. The theoretical position of influence of ∆G during hydration of aluminate cements in the presence of gypsum received further development -the system of chemical reactions CaO-Al2O3-SO3-H2O can be divided into two systems (parts): a) CaO-Al2O3-H2O; b) CaO-Al2O3-SO3-H2O, as a result С3AН6, СAН10, С2AН8, С4AН13, Са2(OН)2is formed in the first one, and calcium trisulfoaluminate hydrate (CMSAH) and calcium monosulfoaluminate hydrate (CMSAH) are formed in the second one. According to the first part and second part, there is a process of Al(ОН)3formation. The optimal content of calcium sulfate (within 30–40% of the composition mass) with a positive effect on the amount of ettringite formation has been theoretically determined and experimentally confirmed. Створення нових різновидів стандартних (звичайних) цементів та спеціальних цементів є одним з основних напрямків сучасних розробок у технології виробництва цементуючих речовин. У групі спеціальних цементів особливе місце займають глиноземні, сульфоалюмінатні тощо. Основні дослідницькі роботи під час розробки таких цементів проводяться в напрямку створення нових складів, що забезпечують заміщення дефіцитних компонентів. За умови такого матеріального складу вартість складів з властивостями глиноземних цементів дещо вища, ніж у звичайних, але їх використання покращує експлуатаційні характеристики виробів. Підсумовуючи накопичений досвід, зазначимо, що нові ефективні склади на основі глиноземного цементу, гіпсу та відходів виробництва є досить ефективними в економічному та технічному плані. Метою статті є визначення залежності утворення гідратованих сполук під час гідратації алюмінатних та сульфоалюмінатних цементів від поверхневої енергії ?G = f(AMU) та співвідношення ?G = f(mCaO/nAl 2 O 3 ) у мінералах системи за середньою енергією Гіббса та підвищення стабільності етрингітової фази системи CaO-Al 2 O 3 -SO 3 -H 2 O. У статті розглядаються можливості управління процесами гідратації шляхом створення композитів та введення добавок, що впливають на значення поверхневої енергії Гіббса системи CaO-Al 2 O 3 -SO 3 -H 2 O. В результаті збільшується кількість центрів кристалізації та швидкість хімічних процесів. Теоретично обґрунтована гіпотеза про вплив співвідношення G=f(mСаО/nAl 2 О 3 ) у мінералах системи CaO-Al 2 O 3 -H 2 O на поверхневу енергію Гіббса: СА 2 = 0,27 - ?G = 24,70, СА = 0,54–51,86, С 12 А 7 = 0,8–141,00, С 3 А = 1,63–145. Теоретичне положення впливу ?G під час гідратації алюмінатних цементів у присутності гіпсу отримало подальший розвиток - систему хімічних реакцій CaO-Al 2 O 3 -SO 3 -H 2 O можна розділити на дві системи (частини): а) CaO-Al 2 O 3 - H 2 O; б) CaO-Al 2 O 3 -SO 3 -H 2 O, у результаті С 3 AН 6 , СAN 10 , С 2 AН 8 , СУ першому утворюється 4AN13, Са2(OН)2, а в другому – гідрат трисульфоалюмінату кальцію (CMSAH) та гідрат моносульфоалюмінату кальцію (CMSAH). Згідно з першою та другою частинами, відбувається процес утворення Al(ОН) 3 . Теоретично визначено та експериментально підтверджено оптимальний вміст сульфату кальцію (у межах 30–40 % від маси складу), що позитивно впливає на кількість утвореного етрингіту.