L'éther de cellulose sur la morphologie de l'ettringite précoce

Les effets de l'éther d'hydroxyéthylméthylcellulose et de l'éther de méthylcellulose sur la morphologie de l'ettringite dans les coulis de ciment ont été étudiés par microscopie électronique à balayage (MEB). Les résultats montrent que le rapport longueur/diamètre des cristaux d'ettringite dans les coulis modifiés par l'éther d'hydroxyéthylméthylcellulose est inférieur à celui des coulis ordinaires, et que leur morphologie est en forme de bâtonnet court. Le rapport longueur/diamètre des cristaux d'ettringite dans les coulis modifiés par l'éther de méthylcellulose est supérieur à celui des coulis ordinaires, et que leur morphologie est en forme d'aiguille-bâtonnet. Les cristaux d'ettringite dans les coulis de ciment ordinaires ont un rapport d'aspect intermédiaire. L'étude expérimentale ci-dessus démontre clairement que la différence de masse moléculaire entre deux types d'éther de cellulose est le facteur le plus important affectant la morphologie de l'ettringite.

Mots clés:ettringite; rapport longueur-diamètre; éther de méthylcellulose; éther d'hydroxyéthylméthylcellulose; morphologie

L'ettringite, en tant que produit d'hydratation légèrement expansé, a un effet significatif sur les performances du béton de ciment et a toujours été le point de mire de la recherche sur les matériaux à base de ciment. L'ettringite est un type d'hydrate d'aluminate de calcium de type trisulfure, dont la formule chimique est [Ca3Al(OH)6·12H2O]2·(SO4)3·2H2O, ou peut être écrite sous la forme 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O, souvent abrégée en AFt. Dans le système de ciment Portland, l'ettringite se forme principalement par la réaction du gypse avec des minéraux d'aluminate ou d'aluminate ferrique, ce qui joue un rôle dans le retardement de l'hydratation et la résistance initiale du ciment. La formation et la morphologie de l'ettringite sont affectées par de nombreux facteurs tels que la température, le pH et la concentration ionique. Dès 1976, Metha et al. ont utilisé la microscopie électronique à balayage pour étudier les caractéristiques morphologiques de l'AFt et ont constaté que la morphologie de ces produits d'hydratation légèrement expansés était légèrement différente lorsque l'espace de croissance était suffisamment grand et lorsque l'espace était limité. Les premiers étaient principalement des sphérules fines en forme d'aiguille-tige, tandis que les seconds étaient principalement des prismes courts en forme de tige. Les recherches de Yang Wenyan ont révélé que les formes d'AFt étaient différentes selon l'environnement de durcissement. Les environnements humides retarderaient la génération d'AFt dans le béton dopé à l'expansion et augmenteraient le risque de gonflement et de fissuration du béton. Différents environnements affectent non seulement la formation et la microstructure de l'AFt, mais aussi sa stabilité volumique. Chen Huxing et al. ont constaté que la stabilité à long terme de l'AFt diminuait avec l'augmentation de la teneur en C3A. Clark et Monteiro et al. ont constaté qu'avec l'augmentation de la pression environnementale, la structure cristalline de l'AFt passait de l'ordre au désordre. Balonis et Glasser ont examiné les changements de densité de l'AFm et de l'AFt. Renaudin et al. ont étudié les changements structurels de l'AFt avant et après immersion en solution et les paramètres structurels de l'AFt dans le spectre Raman. Kunther et al. ont étudié l'effet de l'interaction entre le rapport calcium-silicium du gel CSH et l'ion sulfate sur la pression de cristallisation de l'AFt par RMN. Parallèlement, en se basant sur l'application de l'AFt dans les matériaux à base de ciment, Wenk et al. ont étudié l'orientation cristalline de l'AFt d'une section de béton grâce à la technologie de finition par diffraction des rayons X par rayonnement synchrotron dur. La formation de l'AFt dans le ciment mixte et le point chaud de recherche de l'ettringite ont été explorés. Sur la base de la réaction retardée de l'ettringite, certains chercheurs ont mené de nombreuses recherches sur la cause de la phase AFt.

L'expansion volumique provoquée par la formation d'ettringite est parfois favorable et peut agir comme un agent d'expansion similaire à l'oxyde de magnésium pour maintenir la stabilité volumique des matériaux à base de ciment. L'ajout d'émulsion polymère et de poudre d'émulsion redispersable modifie les propriétés macroscopiques des matériaux à base de ciment en raison de leurs effets significatifs sur leur microstructure. Cependant, contrairement à la poudre d'émulsion redispersable, qui améliore principalement l'adhérence du mortier durci, l'éther de cellulose polymère (EC) hydrosoluble confère au mortier fraîchement mélangé une bonne rétention d'eau et un effet épaississant, améliorant ainsi ses performances. Les EC non ioniques sont couramment utilisés, notamment la méthylcellulose (MC), l'hydroxyéthylcellulose (HEC) et l'hydroxypropylméthylcellulose (HPMC).hydroxyéthylméthylcellulose (HEMC), etc., et CE joue un rôle dans le mortier fraîchement mélangé, mais affecte également le processus d'hydratation du coulis de ciment. Des études ont montré que l'HEMC modifie la quantité d'AFt produite comme produit d'hydratation. Cependant, aucune étude n'a comparé systématiquement l'effet de CE sur la morphologie microscopique de l'AFt, donc cet article explore la différence d'effet de l'HEMC et du MC sur la morphologie microscopique d'ettringham dans le coulis de ciment précoce (1 jour) par l'analyse et la comparaison d'images.

1. Expérience

1.1 Matières premières

Le ciment Portland P·II 52.5R produit par Anhui Conch Cement Co., LTD a été choisi comme ciment pour l'expérience. Les deux éthers de cellulose sont respectivement l'hydroxyéthylméthylcellulose (HEMC) et la méthylcellulose (méthylcellulose, Shanghai Sinopath Group). MC) ; L'eau de gâchage est de l'eau du robinet.

1.2 Méthodes expérimentales

Le rapport eau/ciment de l'échantillon de pâte de ciment était de 0,4 (rapport massique eau/ciment) et la teneur en éther de cellulose était de 1 % de la masse de ciment. La préparation de l'échantillon a été réalisée conformément à la norme GB1346-2011 « Méthode d'essai pour la consommation d'eau, le temps de prise et la stabilité de la consistance standard du ciment ». Après formage de l'échantillon, un film plastique a été encapsulé à la surface du moule afin d'empêcher l'évaporation de l'eau de surface et la carbonisation. L'échantillon a ensuite été placé dans une chambre de séchage à une température de (20 ± 2) °C et une humidité relative de (60 ± 5) %. Au bout d'un jour, le moule a été retiré et l'échantillon a été cassé. Un petit échantillon a ensuite été prélevé au milieu et trempé dans de l'éthanol anhydre pour stopper l'hydratation. L'échantillon a ensuite été retiré et séché avant l'essai. Les échantillons séchés ont été collés sur la table d'échantillons avec un adhésif double face conducteur, et une couche d'or a été pulvérisée sur la surface à l'aide de l'instrument de pulvérisation ionique automatique Cressington 108auto. Le courant de pulvérisation était de 20 mA et le temps de pulvérisation de 60 s. Un microscope électronique à balayage environnemental (ESEM) FEI QUANTAFEG 650 a été utilisé pour observer les caractéristiques morphologiques de l'AFt sur la section de l'échantillon. Le mode électronique secondaire sous vide poussé a été utilisé pour observer l'AFT. La tension d'accélération était de 15 kV, le diamètre du spot du faisceau était de 3,0 nm et la distance de travail était contrôlée à environ 10 mm.

2. Résultats et discussion

Français Les images SEM d'ettringite dans un coulis de ciment durci modifié par HEMC ont montré que la croissance d'orientation du Ca(OH)2(CH) en couches était évidente, et l'AFt présentait une accumulation irrégulière d'AFt en forme de bâtonnets courts, et certains AFT en forme de bâtonnets courts étaient recouverts d'une structure membranaire HEMC. Zhang Dongfang et al. ont également trouvé des AFt en forme de bâtonnets courts en observant les changements de microstructure du coulis de ciment modifié par HEMC par ESEM. Ils pensaient que le coulis de ciment ordinaire réagissait rapidement après avoir rencontré de l'eau, de sorte que les cristaux d'AFt étaient minces, et l'allongement de l'âge d'hydratation conduisait à l'augmentation continue du rapport longueur-diamètre. Cependant, l'HEMC a augmenté la viscosité de la solution, réduit le taux de liaison des ions dans la solution et retardé l'arrivée de l'eau à la surface des particules de clinker, de sorte que le rapport longueur-diamètre de l'AFt a augmenté de manière faible et ses caractéristiques morphologiques ont montré une forme de bâtonnet court. Comparée à l'AFt dans un coulis de ciment ordinaire du même âge, cette théorie a été partiellement vérifiée, mais elle n'est pas applicable pour expliquer les changements morphologiques de l'AFt dans un coulis de ciment modifié par MC. Les images SEM de l'ettridite dans un coulis de ciment modifié par MC durci en 1 jour ont également montré une croissance orientée de Ca(OH)2 en couches, certaines surfaces d'AFt étaient également recouvertes d'une structure de film de MC, et l'AFt présentait des caractéristiques morphologiques de croissance en amas. Cependant, en comparaison, le cristal d'AFt dans un coulis de ciment modifié par MC a un rapport longueur/diamètre plus grand et une morphologie plus élancée, montrant une morphologie aciculaire typique.

L'HEMC et le MC ont tous deux retardé le processus d'hydratation précoce du ciment et augmenté la viscosité de la solution, mais les différences dans les caractéristiques morphologiques de l'AFt qu'ils induisent restent significatives. Les phénomènes ci-dessus peuvent être approfondis du point de vue de la structure moléculaire de l'éther de cellulose et de la structure cristalline de l'AFt. Renaudin et al. ont trempé l'AFt synthétisé dans la solution alcaline préparée pour obtenir un « AFt humide », puis l'ont partiellement retiré et séché à la surface d'une solution saturée de CaCl2 (35 % d'humidité relative) pour obtenir un « AFt sec ». Après une étude d'affinement de la structure par spectroscopie Raman et diffraction des rayons X sur poudre, il a été constaté qu'il n'y avait aucune différence entre les deux structures, seule la direction de formation des cristaux des cellules changeait au cours du processus de séchage. Autrement dit, lors du changement d'environnement de « humide » à « sec », les cristaux d'AFt formaient des cellules le long de la direction normale de a progressivement augmenté. Les cristaux d'AFt le long de la direction normale de c sont devenus de moins en moins nombreux. L'unité la plus élémentaire de l'espace tridimensionnel est composée d'une droite normale, d'une droite normale b et d'une droite normale c, perpendiculaires entre elles. Lorsque les normales b sont fixes, les cristaux d'AFt se regroupent le long des normales a, ce qui entraîne une section transversale cellulaire élargie dans le plan des normales ab. Ainsi, si le HEMC « stocke » plus d'eau que le MC, un environnement « sec » peut se former localement, favorisant l'agrégation latérale et la croissance des cristaux d'AFt. Patural et al. ont constaté que pour le CE lui-même, plus le degré de polymérisation est élevé (ou plus le poids moléculaire est élevé), plus la viscosité du CE est élevée et meilleure est la rétention d'eau. La structure moléculaire des HEMC et des MCS appuie cette hypothèse, le groupe hydroxyéthyle ayant un poids moléculaire bien supérieur à celui du groupe hydrogène.

En général, les cristaux d'AFt ne se forment et ne précipitent que lorsque les ions pertinents atteignent une certaine saturation dans la solution. Par conséquent, des facteurs tels que la concentration ionique, la température, le pH et l'espace de formation dans la solution réactionnelle peuvent affecter significativement la morphologie des cristaux d'AFt, et des modifications des conditions de synthèse artificielle peuvent modifier cette morphologie. Par conséquent, le rapport entre les cristaux d'AFt dans un coulis de ciment ordinaire et les cristaux d'AFt peut être dû au seul facteur de la consommation d'eau lors de l'hydratation précoce du ciment. Cependant, la différence de morphologie des cristaux d'AFt due aux HEMC et aux MC devrait être principalement due à leur mécanisme spécifique de rétention d'eau. Les HEMC et les MCS créent une « boucle fermée » de transport de l'eau dans la microzone du coulis de ciment frais, permettant une « courte période » pendant laquelle l'eau est « facile à pénétrer et difficile à extraire ». Cependant, pendant cette période, l'environnement de la phase liquide à l'intérieur et à proximité de la microzone est également modifié. Des facteurs tels que la concentration ionique, le pH, etc., modifient l'environnement de croissance et se reflètent également dans les caractéristiques morphologiques des cristaux d'AFt. Cette « boucle fermée » de transport de l'eau est similaire au mécanisme d'action décrit par Pourchez et al. L'HPMC joue un rôle dans la rétention d'eau.

3. Conclusion

(1) L'ajout d'éther d'hydroxyéthylméthylcellulose (HEMC) et d'éther de méthylcellulose (MC) peut modifier considérablement la morphologie de l'ettringite dans la boue de ciment ordinaire précoce (1 jour).

(2) La longueur et le diamètre des cristaux d'ettringite dans le coulis de ciment modifié HEMC sont petits et en forme de tige courte ; le rapport longueur/diamètre des cristaux d'ettringite dans le coulis de ciment modifié MC est important, ce qui leur donne une forme d'aiguille-tige. Les cristaux d'ettringite dans les coulis de ciment ordinaires ont un rapport d'aspect intermédiaire.

(3) Les différents effets de deux éthers de cellulose sur la morphologie de l'ettringite sont essentiellement dus à la différence de poids moléculaire.