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Time-resolved in situ investigation of Portland cement hydration influenced by chemical admixtures
(2016)
Numerous admixtures are used in the building practice to customize the properties of the cement paste during application. The influences of admixtures on the course of cement hydration and formation of hydrate phases have to be considered. Polycarboxylate ether (PCE) based polymeric superplasticizers (SPs) are known to retard the setting of the cement paste. The extent of the retardation differs depending on the molecular structure of the SP. Additionally, the presence of a stabilizing agent (SA) in the cement paste has a retarding side effect on the setting. The initial cement hydration processes and the detailed mechanisms of the retardation influenced by PCEs, as well as their interactions with particular SAs, are insufficiently understood. Up to now, only the results of phenomenological studies were taken into account to describe this retardation process. A detailed structure analysis monitoring the change of the phase composition during the hydration was never applied. Both SP and SA affect the adsorption of the sulphate ions on the clinker particles, causing changes in the formation of ettringite during the initial hydration, and are therefore a crucial part of the setting process itself. Here, the initial hydration of cement influenced by the interaction of SP and SA was monitored in situ by synchrotron X-ray diffraction. The high time resolution of the measurements allowed a continuous detection of the hydrates formed. The hydration was followed from the starting point of water addition and for couple of hours afterwards. The hydration of the levitated cement pellets containing starch as SA was initialized by adding aqueous solutions of different commercial SPs. Changes in the ettringite formation were detected in comparison to the reference hydration of pure cement.
UHPC (engl. ultra-high-performance concrete) bietet außergewöhnliche Eigenschaften, die sich durch eine optimierte Wärmebehandlung weiter verbessern lassen. Wie bei normalen Beton beschleunigt eine Wärmebehandlung den Aushärteprozess und reduziert das Schrumpfen. Durch Ausbildung eines dichteren Gefüges wird weiterhin die Druckfestigkeit und die Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen erhöht.
Die Art der Wärmebehandlung wird durch die Parameter: Temperatur, Druck, Wasserdampfsättigung und Dauer definiert und hat einen entscheiden Einfluss auf die Phasenentwicklung und damit auf die makro- und mikroskopischen Eigenschaften des UHPCs. Auch die Dauer und Art der Vorlagerung des UHPCs vor der thermischen Behandlung sind von Bedeutung.
Ziel der vorgestellten Untersuchung war der Vergleich und die Optimierung verschiedener Wärmebehandlungsarten mit Blick auf die Druckfestigkeits- und Phasenentwicklung. Dafür wurden UHPC-Zylinder und Prismen hergestellt und ungeschützt bzw. in Folie eingeschweißt bei 90 °C im Ofen, im Heißwasserbad, sowie alternativ bei 185 °C und 1.1 MPa im Autoklaven wärmebehandelt. Zusätzlich wurde die Vorlagerungs- und die Behandlungszeit systematisch variiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine praxisnahe Wärmebehandlung im Ofen (kurze Vorlagerungs- und Behandlungszeit, Verdunstungsschutz durch Einschweißen in Folie) zwar zu einer stark erhöhten Frühfestigkeit führt, aber die Langzeitfestigkeit wird nicht signifikant erhöht. Erst längere Behandlungszeiten verbunden mit intensiviertem Schutz gegen das Austrocknen führen darüber hinaus zu deutlich erhöhten Langzeitfestigkeiten. Nach der Autoklavierung dagegen wurden Festigkeitszuwächse von bis zu 30 % gemessen.
Die röntgenographisch nachgewiesene Phasenentwicklung wird in beiden Behandlungsarten durch die Limitierung des zur Verfügung stehenden Wassers bestimmt. Bei der Wärmebehandlung im Ofen wird das durch den Ettringitzerfall freigesetzte Wasser für die puzzolanische Reaktion der Mikrosilika verbraucht, reicht aber für eine weitere Reaktion der Klinkerphasen nicht aus. Bei der hydrothermalen Behandlung dagegen zeigen die Veränderungen im Phasenbestand sowohl eine Intensivierung der puzzolanischen als auch der hydraulischen Reaktion. Der für autoklavierte Baustoffe charakteristische Tobermorit konnte jedoch nicht im Probeninneren, sondern nur als Belag auf der Probenoberfläche nachgewiesen werden. Ursächlich hierfür ist vermutlich wiederum das zu geringe Wasserangebot im Gefüge des UHPC.