cement in ternary system

15

Upload: caltra-bv

Post on 18-Feb-2017

374 views

Category:

Technology


3 download

TRANSCRIPT

Page 1: CEMENT in Ternary system

   

Page 2: CEMENT in Ternary system

So  called  ternary  systems  are  being  used  for  several  decades  by  the  construction  chemistry  predominantly  in  making  self-­‐leveling  screeds  ,  under-­‐  and  over  layments  –  non  shrink  grouts  ,  repair  mortars  etc.  

They  are  based  on  mixing  calcium  ,  alumina  and  sulphate  together  to  obtain;  

ettringite  =  C4A3Š                                  3CaAl2O3  �  3CaSO4  �  32H2O    

The  effect  on  the  binder;  

•  rapid  set  

•  high  early  strength  

•  shrinkage  compensation  

•  fast  drying  

•  low  alkali  

•  no  effluoresence  

•  improved  sulphate  resistance  

 

what  is  needed  to  form  C4A3Š  ?  

Page 3: CEMENT in Ternary system

what  is  needed  to  form  C4A3Š  ?  

 •  aluminium    •  sulphate  •  calcium    

Calumex  

Anhydrite,  hemi-­‐hydrate,  gypsum  

Portlandcement,    calcium-­‐oxide/-­‐hydroxide  

a  fibrous  needle  shaped  crystal  ,  holding  32  water  molecules  

Page 4: CEMENT in Ternary system

what  is  to  be  considered  ?  

PORTLANDCEMENT    Content  of      •  C3A    tri-­‐calcium  aluminate  •  amount  of  free  lime  (  fCaO  )  •  type  and  amount  of  sulphate  added  

CALCIUM  SULPHATE    •  hemi-­‐hydrate  •  micronized  gypsum  •  anhydrite  

Page 5: CEMENT in Ternary system

choice  of  type  of  CALUMEX  CALCIUM  SULPHO  ALUMINATE  CEMENT    Content  of      •  CALUMEX  CSA  –  ground  clinker  ;  

•  Al2O3  content    ~  46  %  •  SiO2    ~  3        %  •  fCaO    0    •  CaSO4    ~  7,5  %  •  CALUMEX  Quick    •  Al2O3  content  ~  32  %  •  SiO2    ~  3      %  •  fCaO    0  •  CaSO4    ~  20  %  

     •  BELICEM  •  Al2O3  content  ~  32  %  •  SiO2    ~  10    %  •  fCaO    0  •  CaSO4    ~  10  %  

     

Page 6: CEMENT in Ternary system

why  is  sulphate  added  to  OPC  ?  Portlandcement    mainly    forms  minerals;    

•  C3S  –  alite    •  C2S  –  belite        •  C3A  –  tri-­‐calcium  aluminate  

C3A  is  the  most  reactive  phase  –  it  forms  with  water  rapidly  C4AH  crystals  at  the  surface  of  C3S  –  causing  rapid  setting  of  the  cement    To  retard  the  quick  setting  gypsum  or  anhydrite  or  a  combination  of  both  is  added  at  the  grinding  stage  of  the  cement  clinker.    As  this  generates  heat  sometimes  part  of  the  gypsum  is  converted  to  hemi-­‐hydrate.    The  sulphate  reacts  with  the  alumina  and  enrobes  a  layer  of  ettringite  around  the  C3A  particles.    Thus  preventing  them  to  go  in  solution  quickly.  

Page 7: CEMENT in Ternary system

binary  system  CSA+OPC  

   

When  CSA  cement  is  used  most  of  the  sulphate  of  the  OPC  is  absorbed  immediately  by  the  additional  aluminates.    It  therefor  cannot  act  as  a  retarder  of  the  C3A  phase  leading  to  rapid  setting  of  the  matrix.    The  strength  development  however  is  limited  because  still  the  amount    ettringite  is  relatively  low.    Also  the  long  term  strength  is  reduced  because  C3A  is  putting  a  gel  around  the  C3S  and  C2S  phases  preventing  a  regular  hydration.    

Page 8: CEMENT in Ternary system

binary  system  CSA+OPC  

   

CSA  is  more  soluble  than  anhydrite  but  less  soluble  than  gypsum  and  hemi-­‐hydrate.    So  when  Calumex  is  mixed  with  an  OPC  that  contains  anhydrite  –  Calumex  will  dissolute  quickly  enough  to  react  with  the  sulphate  ions  released  by  anhydrite  thus  preventing  them  to  retard  the  C3A  phase  of  the  OPC,  giving  rapid  set  at  relative  low  dosage.    When  on  the  other  hand  an  OPC  is  used  containing  hemi-­‐hydrate  –  the  dissolution  is  higher,    sulphate  ions  are  released  more  quickly  and  react  with  the  C3A.    In  this  case  a  higher  dosage  is  needed  to  give  the  same  acceleration.    

Page 9: CEMENT in Ternary system

binary  system  CSA+OPC  

   

In  any  case  if  an  OPC  is  used  with  a  higher  C3A  content  it  will  contribute  to  a  rapid  set.    A  higher  free  lime  content  of  the  OPC  –  and/or  an  addition  of  calcium  ions  (calcium  oxide/hydroxide)    will  accelerate  the  formation  of  ettringite.    It  is  essential  to  choose  the  right  OPC  for  the  intent  use  of  the  mortar      In  any  case  a  stable  cement  is  essential  –  any  variation  in  free  lime  content  and  amount  and  type  of  calcium  sulphate  (di-­‐hydrated)  asks  for  re-­‐establishing  the  amount  of  CSA  to  be  used.  

Page 10: CEMENT in Ternary system

ternary  system  CSA+OPC+additional  CŠ  

   

When  additional  calcium  sulphate  is  added  to  a  blend  of  CSA  and  OPC    more  ettringite  crystals  are  formed  i.e.  a  higher  initial  strength  is  obtained.    Ettringite  is  the  first    strength  found      CALUMEX  CSA  generally  releases  more  quickly  its  alumina  ions  compared  to  other  sources  of  calcium  aluminate.    Slow  soluble  anhydrite  is  by  far  the  preferred  source  of  sulphate  in  a  Calumex  system  –  aluminate  phases  go  in  solution  first  allowing  to  absorb  all  of  the  sulphate  (even  if  the  OPC  brings  hemi-­‐hydrate)  and  converts  it  into  ettringite  crystals.    

Page 11: CEMENT in Ternary system

ternary  system  CSA+OPC+additional  CŠ  

   

Calumex  gives  no  lime  nor  reactive  silicates  which  guarantees  long  storage.  The  lime  needed  to  form  ettringite  is  taken  from  the  Portlandcement.    As  lime  is  taken  out  of  the  equation  –  normally  acting  as  a  gel  preventing  silicate  and  aluminate  phases  to  go  in  solution  –  this  further  contribute  to  the  increase  of  the  strength.    In  case  more  soluble  types  of  calcium  sulphate  are  being  used  (i.e.  hemi-­‐hydrate  –α  or  β  or  gypsum)  because  of  their  higher  solubility  –  they  will  react  only  with  the  aluminate  phases.    It  will  give  acceleration  of  the  set  –  by  early  formation  of  ettringite  –  but  to  a  lesser  extend  compared  to  anhydrite    The  higher  solubility  leads  to  slower  reaction  because  it  will  prevent  the  C3A  to  react.  

Page 12: CEMENT in Ternary system

ternary  system  CSA+OPC+additional  CŠ  

   

   To  overcome  this  effect  a  higher  dosage  of  CSA  is  needed      An  ideal  binder  system  combining  all  elements  of  rapid  set,  high  early  strength  and  shrinkage  compensation  could  be  2  parts  of  OPC  CEM  I  42,5R  to  1  part  of  Calumex  Quick.  

Page 13: CEMENT in Ternary system

binary  system  ACA+CŠ  

   

An  ideal  binder  system  is  a  combination  of  amorphous  calcium  aluminate  and  calcium  sulphate  –  without  addition  of  OPC.    As  the  CaO  to  Al2O3  ratio  is  to  the  advantage  of  calcium  and  the  main  phase  formed  by  the  alumina  phase  is  C12A7  –  the  reaction  with  sulphate  is  much  faster  and  more  C4A3Š  is  formed  without  the  further  addition  of  lime  (i.e.  OPC)    The  reaction  in  short  is  ;    

     C12A7+3CŠ  C4A3Š  +  AH3        When  used  as  an  addition  to  Portlandcement  the  excess  of  lime  will  give  an  instant  setting  of  the  binder  ,  and  the  high  amount  of  ettringite  formed  gives  an  extreme  fast  strength  development.    There  is  no  risk  on  “conversion”  of  the  hydrates  in  time.    

Page 14: CEMENT in Ternary system

conclusion  

CALTRA  offers  a  wide  range  of  calcium  aluminate  ,  calcium  sulpho  aluminate  and  amorphous  calcium  aluminates  giving  formulators  the  complete  freedom  to  choose  the  correct  type  to  satisfy  their  needs.    CALTRA  continues  to  develop  binders  and  binder  systems  for  specific  applications.    Some  of  the  latest  ;    CALUMEX  WHITE  –  a  white  CSA  for  decorative  screeds  ,  terrazzo  ,  decorative  prefab  concrete  –  GRC  panels  ,  tile  grouts  –  natural  stone  adhesives  etc.    CEM-­‐FLUX  –  a  cement  designed  for  the  RMC  plants  as  a  ready  binder  for  pumpable  screeds    ULTRA-­‐FLUX  –  a  cement  for  decorative  overlayments    

Page 15: CEMENT in Ternary system

R&D  

CALTRA  has  its  own  r&d  lab  –  ready  to  answer  any  queries  you  may  have.    To  further  improve  or  optimize  existing    products  or  help  develop  new  products.      We  work  closely  together  with  our  customers  in  strict  confidentiality  –  to  mutual  benefit.