Αιθέρας κυτταρίνης στη μορφολογία του πρώιμου ετρινγκίτη

Οι επιδράσεις του αιθέρα υδροξυαιθυλομεθυλοκυτταρίνης και του αιθέρα μεθυλοκυτταρίνης στη μορφολογία του ετρινγκίτη σε πρώιμο πολτό τσιμέντου μελετήθηκαν με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM). Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η αναλογία μήκους-διαμέτρου των κρυστάλλων ετρινγκίτη σε τροποποιημένο πολτό με αιθέρα υδροξυαιθυλομεθυλοκυτταρίνης είναι μικρότερη από αυτή στο συνηθισμένο πολτό και η μορφολογία των κρυστάλλων ετρινγκίτη είναι βραχείας ράβδου. Η αναλογία μήκους-διαμέτρου των κρυστάλλων ετρινγκίτη σε τροποποιημένο πολτό με αιθέρα μεθυλοκυτταρίνης είναι μεγαλύτερη από αυτή στο συνηθισμένο πολτό και η μορφολογία των κρυστάλλων ετρινγκίτη είναι βελονοειδής. Οι κρύσταλλοι ετρινγκίτη σε συνηθισμένους πολτούς τσιμέντου έχουν μια αναλογία διαστάσεων κάπου ενδιάμεσα. Μέσω της παραπάνω πειραματικής μελέτης, είναι περαιτέρω σαφές ότι η διαφορά μοριακού βάρους δύο ειδών αιθέρα κυτταρίνης είναι ο σημαντικότερος παράγοντας που επηρεάζει τη μορφολογία του ετρινγκίτη.

Λέξεις-κλειδιά:ετρινγκίτης· λόγος μήκους-διαμέτρου· αιθέρας μεθυλοκυτταρίνης· αιθέρας υδροξυαιθυλομεθυλοκυτταρίνης· μορφολογία

Ο ετρινγκίτης, ως ελαφρώς διογκωμένο προϊόν ενυδάτωσης, έχει σημαντική επίδραση στην απόδοση του τσιμεντοειδούς σκυροδέματος και ανέκαθεν αποτελούσε το επίκεντρο της έρευνας για τα υλικά με βάση το τσιμέντο. Ο ετρινγκίτης είναι ένα είδος ένυδρου αργιλικού ασβεστίου τρισουλφιδίου, με χημικό τύπο [Ca3Al (OH)6·12H2O]2·(SO4)3·2H2O, ή μπορεί να γραφτεί ως 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O, συχνά συντομογραφούμενο ως AFt. Στο σύστημα τσιμέντου Portland, ο ετρινγκίτης σχηματίζεται κυρίως από την αντίδραση γύψου με αργιλικά ή σιδηρούχα αργιλικά ορυκτά, τα οποία παίζουν ρόλο στην καθυστέρηση της ενυδάτωσης και της πρώιμης αντοχής του τσιμέντου. Ο σχηματισμός και η μορφολογία του ετρινγκίτη επηρεάζονται από πολλούς παράγοντες όπως η θερμοκρασία, η τιμή pH και η συγκέντρωση ιόντων. Ήδη από το 1976, οι Metha et al. χρησιμοποίησαν ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης για να μελετήσουν τα μορφολογικά χαρακτηριστικά του AFt και διαπίστωσαν ότι η μορφολογία τέτοιων ελαφρώς διογκωμένων προϊόντων ενυδάτωσης ήταν ελαφρώς διαφορετική όταν ο χώρος ανάπτυξης ήταν αρκετά μεγάλος και όταν ο χώρος ήταν περιορισμένος. Το πρώτο ήταν κυρίως λεπτά σφαιρίδια σε σχήμα βελόνας-ράβδου, ενώ το δεύτερο ήταν κυρίως κοντό πρίσμα σε σχήμα ράβδου. Η έρευνα του Yang Wenyan διαπίστωσε ότι οι μορφές του AFt ήταν διαφορετικές με διαφορετικά περιβάλλοντα σκλήρυνσης. Τα υγρά περιβάλλοντα θα καθυστερούσαν την παραγωγή AFt σε σκυρόδεμα με πρόσμιξη διαστολής και θα αύξαναν την πιθανότητα διόγκωσης και ρωγμών στο σκυρόδεμα. Τα διαφορετικά περιβάλλοντα επηρεάζουν όχι μόνο τον σχηματισμό και τη μικροδομή του AFt, αλλά και τη σταθερότητα του όγκου του. Οι Chen Huxing et al. διαπίστωσαν ότι η μακροπρόθεσμη σταθερότητα του AFt μειώθηκε με την αύξηση της περιεκτικότητας σε C3A. Οι Clark και Monteiro et al. διαπίστωσαν ότι με την αύξηση της περιβαλλοντικής πίεσης, η κρυσταλλική δομή του AFt άλλαξε από τάξη σε αταξία. Οι Balonis και Glasser εξέτασαν τις αλλαγές πυκνότητας του AFm και του AFt. Οι Renaudin et al. μελέτησαν τις δομικές αλλαγές του AFt πριν και μετά την εμβάπτιση σε διάλυμα και τις δομικές παραμέτρους του AFt στο φάσμα Raman. Οι Kunther et al. μελέτησαν την επίδραση της αλληλεπίδρασης μεταξύ της αναλογίας ασβεστίου-πυριτίου σε πήκτωμα CSH και του θειικού ιόντος στην πίεση κρυστάλλωσης AFt μέσω NMR. Ταυτόχρονα, με βάση την εφαρμογή του AFt σε υλικά με βάση το τσιμέντο, οι Wenk et al. μελέτησαν τον προσανατολισμό των κρυστάλλων AFt σε διατομή σκυροδέματος μέσω τεχνολογίας φινιρίσματος με περίθλαση ακτίνων Χ με σκληρή ακτινοβολία σύγχροτρον. Διερευνήθηκε ο σχηματισμός AFt σε μικτό τσιμέντο και το ερευνητικό hotspot του ετρινγκίτη. Με βάση την καθυστερημένη αντίδραση του ετρινγκίτη, ορισμένοι μελετητές έχουν διεξάγει πολλές έρευνες σχετικά με την αιτία της φάσης AFt.

Η διαστολή όγκου που προκαλείται από τον σχηματισμό ετρινγκίτη είναι μερικές φορές ευνοϊκή και μπορεί να λειτουργήσει ως «διαστολή» παρόμοια με τον παράγοντα διαστολής οξειδίου του μαγνησίου για τη διατήρηση της σταθερότητας όγκου των υλικών με βάση το τσιμέντο. Η προσθήκη πολυμερούς γαλακτώματος και σκόνης επαναδιασποράς γαλακτώματος αλλάζει τις μακροσκοπικές ιδιότητες των υλικών με βάση το τσιμέντο λόγω των σημαντικών επιδράσεών τους στη μικροδομή των υλικών με βάση το τσιμέντο. Ωστόσο, σε αντίθεση με τη σκόνη επαναδιασποράς γαλακτώματος που ενισχύει κυρίως την ιδιότητα συγκόλλησης του σκληρυμένου κονιάματος, ο υδατοδιαλυτός αιθέρας πολυμερούς κυτταρίνης (CE) δίνει στο πρόσφατα αναμεμειγμένο κονίαμα καλή κατακράτηση νερού και πύκνωση, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση εργασίας. Χρησιμοποιείται συνήθως μη ιονικό CE, συμπεριλαμβανομένης της μεθυλοκυτταρίνης (MC), της υδροξυαιθυλοκυτταρίνης (HEC), της υδροξυπροπυλομεθυλοκυτταρίνης (HPMC),υδροξυαιθυλομεθυλοκυτταρίνη (HEMC), κ.λπ., και το CE παίζει ρόλο στο πρόσφατα αναμεμειγμένο κονίαμα, αλλά επηρεάζει επίσης τη διαδικασία ενυδάτωσης του τσιμεντοκονιάματος. Μελέτες έχουν δείξει ότι το HEMC αλλάζει την ποσότητα του AFt που παράγεται ως προϊόν ενυδάτωσης. Ωστόσο, καμία μελέτη δεν έχει συγκρίνει συστηματικά την επίδραση του CE στη μικροσκοπική μορφολογία του AFt, επομένως η παρούσα εργασία διερευνά τη διαφορά της επίδρασης του HEMC και του MC στη μικροσκοπική μορφολογία του ettringham σε πρώιμο (1 ημέρας) τσιμεντοκονίαμα μέσω ανάλυσης και σύγκρισης εικόνας.

1. Πειραματιστείτε

1.1 Πρώτες ύλες

Ως τσιμέντο στο πείραμα επιλέχθηκε τσιμέντο Portland P·II 52.5R που παράγεται από την Anhui Conch Cement Co., LTD. Οι δύο αιθέρες κυτταρίνης είναι η υδροξυαιθυλομεθυλοκυτταρίνη (HEMC) και η μεθυλοκυτταρίνη (μεθυλοκυτταρίνη, Shanghai Sinopath Group) αντίστοιχα. MC). Το νερό ανάμειξης είναι νερό βρύσης.

1.2 Πειραματικές μέθοδοι

Η αναλογία νερού-τσιμέντου του δείγματος τσιμεντόπαστας ήταν 0,4 (η αναλογία μάζας νερού προς τσιμέντο) και η περιεκτικότητα σε αιθέρα κυτταρίνης ήταν 1% της μάζας του τσιμέντου. Η προετοιμασία του δείγματος πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με το GB1346-2011 "Μέθοδος Δοκιμής για την Κατανάλωση Νερού, τον Χρόνο Πήξης και τη Σταθερότητα της Τυπικής Συνοχής του Τσιμέντου". Μετά τη διαμόρφωση του δείγματος, η πλαστική μεμβράνη ενθυλακώθηκε στην επιφάνεια του καλουπιού για την αποφυγή εξάτμισης και ενανθράκωσης του επιφανειακού νερού και το δείγμα τοποθετήθηκε σε θάλαμο σκλήρυνσης με θερμοκρασία (20±2)℃ και σχετική υγρασία (60±5)%. Μετά από 1 ημέρα, το καλούπι αφαιρέθηκε και το δείγμα έσπασε, στη συνέχεια ελήφθη ένα μικρό δείγμα από τη μέση και μουλιάστηκε σε άνυδρη αιθανόλη για να τερματιστεί η ενυδάτωση και το δείγμα αφαιρέθηκε και ξηράνθηκε πριν από τη δοκιμή. Τα αποξηραμένα δείγματα κολλήθηκαν στο τραπέζι του δείγματος με αγώγιμη κόλλα διπλής όψης και ένα στρώμα χρυσής μεμβράνης ψεκάστηκε στην επιφάνεια με το αυτόματο όργανο ψεκασμού ιόντων Cressington 108auto. Το ρεύμα ψεκασμού ήταν 20 mA και ο χρόνος ψεκασμού ήταν 60 s. Για την παρατήρηση των μορφολογικών χαρακτηριστικών του AFt στο τμήμα του δείγματος χρησιμοποιήθηκε το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης περιβάλλοντος (ESEM) FEI QUANTAFEG 650. Για την παρατήρηση του AFT χρησιμοποιήθηκε η λειτουργία δευτερογενών ηλεκτρονίων υψηλού κενού. Η τάση επιτάχυνσης ήταν 15 kV, η διάμετρος της κηλίδας δέσμης ήταν 3,0 nm και η απόσταση εργασίας ελέγχθηκε στα περίπου 10 mm.

2. Αποτελέσματα και συζήτηση

Εικόνες SEM ετρινγκίτη σε σκληρυμένο τροποποιημένο με HEMC πολτό τσιμέντου έδειξαν ότι η ανάπτυξη προσανατολισμού του στρωματοποιημένου Ca (OH)2(CH3) ήταν εμφανής, και το AFt έδειξε ακανόνιστη συσσώρευση βραχέος ραβδοειδούς AFt, και κάποιο βραχύ ραβδοειδές AFt ήταν καλυμμένο με δομή μεμβράνης HEMC. Οι Zhang Dongfang et al. βρήκαν επίσης βραχύ ραβδοειδές AFt όταν παρατηρούσαν τις αλλαγές στη μικροδομή του τροποποιημένου με HEMC πολτού τσιμέντου μέσω ESEM. Πίστευαν ότι το συνηθισμένο τσιμεντόλιθο αντιδρούσε γρήγορα μετά την επαφή με νερό, επομένως ο κρύσταλλος AFt ήταν λεπτός, και η επέκταση της ηλικίας ενυδάτωσης οδήγησε στη συνεχή αύξηση του λόγου μήκους-διαμέτρου. Ωστόσο, το HEMC αύξησε το ιξώδες του διαλύματος, μείωσε τον ρυθμό σύνδεσης ιόντων στο διάλυμα και καθυστέρησε την άφιξη νερού στην επιφάνεια των σωματιδίων κλίνκερ, επομένως ο λόγος μήκους-διαμέτρου του AFt αυξήθηκε με ασθενή τάση και τα μορφολογικά του χαρακτηριστικά έδειξαν βραχύ ραβδοειδές σχήμα. Σε σύγκριση με το AFt σε συνηθισμένο τσιμεντόλιθο της ίδιας ηλικίας, αυτή η θεωρία έχει επαληθευτεί εν μέρει, αλλά δεν είναι εφαρμόσιμη για την εξήγηση των μορφολογικών αλλαγών του AFt σε τροποποιημένο με MC πολτό τσιμέντου. Οι εικόνες SEM του ετριδίτη σε τροποποιημένο με MC πολτό τσιμέντου σκληρυμένο 1 ημέρας έδειξαν επίσης προσανατολισμένη ανάπτυξη στρωματοποιημένου Ca(OH)2, ορισμένες επιφάνειες AFt καλύφθηκαν επίσης με δομή μεμβράνης MC, και το AFt έδειξε μορφολογικά χαρακτηριστικά ανάπτυξης συστάδων. Ωστόσο, συγκριτικά, ο κρύσταλλος AFt σε τροποποιημένο με MC πολτό τσιμέντου έχει μεγαλύτερη αναλογία μήκους-διαμέτρου και πιο λεπτή μορφολογία, παρουσιάζοντας μια τυπική βελονοειδή μορφολογία.

Τόσο το HEMC όσο και το MC καθυστέρησαν την πρώιμη διαδικασία ενυδάτωσης του τσιμέντου και αύξησαν το ιξώδες του διαλύματος, αλλά οι διαφορές στα μορφολογικά χαρακτηριστικά του AFt που προκλήθηκαν από αυτά ήταν ακόμη σημαντικές. Τα παραπάνω φαινόμενα μπορούν να αναλυθούν περαιτέρω από την οπτική γωνία της μοριακής δομής του αιθέρα κυτταρίνης και της κρυσταλλικής δομής του AFt. Οι Renaudin et al. εμβάπτισαν το συνθετικό AFt στο παρασκευασμένο αλκαλικό διάλυμα για να λάβουν «υγρό AFt» και το αφαίρεσαν μερικώς και το στέγνωσαν στην επιφάνεια κορεσμένου διαλύματος CaCl2 (35% σχετική υγρασία) για να λάβουν «ξηρό AFt». Μετά τη μελέτη βελτίωσης της δομής με φασματοσκοπία Raman και περίθλαση σκόνης ακτίνων Χ, διαπιστώθηκε ότι δεν υπήρχε διαφορά μεταξύ των δύο δομών, μόνο η κατεύθυνση σχηματισμού κρυστάλλων των κυττάρων άλλαξε κατά τη διαδικασία ξήρανσης, δηλαδή, κατά τη διαδικασία της περιβαλλοντικής αλλαγής από «υγρό» σε «ξηρό», οι κρύσταλλοι AFt σχημάτισαν κύτταρα κατά μήκος της κανονικής κατεύθυνσης του a αυξήθηκαν σταδιακά. Οι κρύσταλλοι AFt κατά μήκος της κανονικής κατεύθυνσης c έγιναν όλο και λιγότεροι. Η πιο βασική μονάδα του τρισδιάστατου χώρου αποτελείται από μια κανονική γραμμή, μια κανονική γραμμή b και μια κανονική γραμμή c, οι οποίες είναι κάθετες μεταξύ τους. Στην περίπτωση που οι b κανονικές γραμμές ήταν σταθερές, οι κρύσταλλοι AFt συσσωματώθηκαν κατά μήκος των a κανονικών, με αποτέλεσμα μια διευρυμένη διατομή κυττάρων στο επίπεδο των ab κανονικών. Έτσι, εάν το HEMC «αποθηκεύει» περισσότερο νερό από το MC, μπορεί να δημιουργηθεί ένα «ξηρό» περιβάλλον σε μια εντοπισμένη περιοχή, ενθαρρύνοντας την πλευρική συσσωμάτωση και την ανάπτυξη κρυστάλλων AFt. Οι Patural et al. διαπίστωσαν ότι για το ίδιο το CE, όσο υψηλότερος είναι ο βαθμός πολυμερισμού (ή όσο μεγαλύτερο είναι το μοριακό βάρος), τόσο μεγαλύτερο είναι το ιξώδες του CE και τόσο καλύτερη είναι η απόδοση συγκράτησης νερού. Η μοριακή δομή των HEMC και των MCS υποστηρίζει αυτή την υπόθεση, με την υδροξυαιθυλομάδα να έχει πολύ μεγαλύτερο μοριακό βάρος από την ομάδα υδρογόνου.

Γενικά, οι κρύσταλλοι AFt σχηματίζονται και καθιζάνουν μόνο όταν τα σχετικά ιόντα φτάσουν σε ένα ορισμένο κορεσμό στο σύστημα διαλύματος. Επομένως, παράγοντες όπως η συγκέντρωση ιόντων, η θερμοκρασία, η τιμή pH και ο χώρος σχηματισμού στο διάλυμα αντίδρασης μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά τη μορφολογία των κρυστάλλων AFt, και οι αλλαγές στις συνθήκες τεχνητής σύνθεσης μπορούν να αλλάξουν τη μορφολογία των κρυστάλλων AFt. Επομένως, η αναλογία κρυστάλλων AFt στο συνηθισμένο τσιμεντοπολτό μεταξύ των δύο μπορεί να οφείλεται στον μοναδικό παράγοντα της κατανάλωσης νερού κατά την πρώιμη ενυδάτωση του τσιμέντου. Ωστόσο, η διαφορά στη μορφολογία των κρυστάλλων AFt που προκαλείται από τα HEMC και MC θα πρέπει να οφείλεται κυρίως στον ειδικό μηχανισμό συγκράτησης νερού που διαθέτουν. Τα Hemcs και MCS δημιουργούν έναν «κλειστό βρόχο» μεταφοράς νερού εντός της μικροζώνης του φρέσκου τσιμεντοπολτού, επιτρέποντας μια «σύντομη περίοδο» κατά την οποία το νερό «είναι εύκολο να εισέλθει και δύσκολο να εξέλθει». Ωστόσο, κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, το περιβάλλον υγρής φάσης εντός και κοντά στη μικροζώνη αλλάζει επίσης. Παράγοντες όπως η συγκέντρωση ιόντων, το pH κ.λπ. Η αλλαγή του περιβάλλοντος ανάπτυξης αντικατοπτρίζεται περαιτέρω στα μορφολογικά χαρακτηριστικά των κρυστάλλων AFt. Αυτός ο «κλειστός βρόχος» μεταφοράς νερού είναι παρόμοιος με τον μηχανισμό δράσης που περιγράφεται από τους Pourchez et al. Η HPMC παίζει ρόλο στην κατακράτηση νερού.

3. Συμπέρασμα

(1) Η προσθήκη αιθέρα υδροξυαιθυλομεθυλοκυτταρίνης (HEMC) και αιθέρα μεθυλοκυτταρίνης (MC) μπορεί να αλλάξει σημαντικά τη μορφολογία του ετρινγκίτη σε πρώιμο (1 ημέρας) συνηθισμένο τσιμεντοκονίαμα.

(2) Το μήκος και η διάμετρος του κρυστάλλου ετρινγκίτη στο τροποποιημένο με HEMC τσιμεντόπηκτο είναι μικρά και έχουν σχήμα βραχείας ράβδου. Η αναλογία μήκους και διαμέτρου των κρυστάλλων ετρινγκίτη στο τροποποιημένο με MC τσιμεντόπηκτο είναι μεγάλη, δηλαδή έχει σχήμα βελονοειδούς ράβδου. Οι κρύσταλλοι ετρινγκίτη στα συνηθισμένα τσιμεντόπηκτα έχουν αναλογία διαστάσεων μεταξύ αυτών των δύο.

(3) Οι διαφορετικές επιδράσεις δύο αιθέρων κυτταρίνης στη μορφολογία του ετρινγκίτη οφείλονται ουσιαστικά στη διαφορά στο μοριακό βάρος.