Selulosa eter pada morfologi ettringit awal

Pengaruh hidroksietil metil selulosa eter dan metil selulosa eter terhadap morfologi ettringit dalam bubur semen awal dipelajari dengan mikroskop elektron pemindaian (SEM). Hasil menunjukkan bahwa rasio panjang-diameter kristal ettringit dalam bubur yang dimodifikasi dengan hidroksietil metil selulosa eter lebih kecil daripada dalam bubur biasa, dan morfologi kristal ettringit berbentuk batang pendek. Rasio panjang-diameter kristal ettringit dalam bubur yang dimodifikasi dengan metil selulosa eter lebih besar daripada dalam bubur biasa, dan morfologi kristal ettringit berbentuk jarum-batang. Kristal ettringit dalam bubur semen biasa memiliki rasio aspek di antara keduanya. Melalui studi eksperimental di atas, semakin jelas bahwa perbedaan berat molekul kedua jenis eter selulosa merupakan faktor terpenting yang memengaruhi morfologi ettringit.

Kata kunci:ettringite; Rasio panjang-diameter; Metil selulosa eter; Hidroksietil metil selulosa eter; morfologi

Ettringit, sebagai produk hidrasi yang sedikit mengembang, memiliki pengaruh signifikan terhadap kinerja beton semen, dan selalu menjadi pusat penelitian material berbasis semen. Etringit adalah sejenis kalsium aluminat hidrat tipe trisulfida, rumus kimianya adalah [Ca3Al(OH)6·12H2O]2·(SO4)3·2H2O, atau dapat ditulis sebagai 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O, sering disingkat sebagai AFt. Dalam sistem semen Portland, ettringit terutama terbentuk melalui reaksi gipsum dengan mineral aluminat atau ferri aluminat, yang berperan dalam menunda hidrasi dan kekuatan awal semen. Pembentukan dan morfologi ettringit dipengaruhi oleh banyak faktor seperti suhu, nilai pH, dan konsentrasi ion. Sejak tahun 1976, Metha dkk. Mikroskop elektron pemindaian digunakan untuk mempelajari karakteristik morfologi AFt, dan ditemukan bahwa morfologi produk hidrasi yang sedikit mengembang tersebut sedikit berbeda ketika ruang pertumbuhan cukup besar dan ketika ruang terbatas. Yang pertama sebagian besar berupa bola-bola berbentuk jarum-batang ramping, sedangkan yang terakhir sebagian besar berupa prisma berbentuk batang pendek. Penelitian Yang Wenyan menemukan bahwa bentuk AFt berbeda dengan lingkungan pengawetan yang berbeda. Lingkungan basah akan menunda pembentukan AFt dalam beton yang diberi doping ekspansi dan meningkatkan kemungkinan pembengkakan dan retak beton. Lingkungan yang berbeda tidak hanya memengaruhi pembentukan dan mikrostruktur AFt, tetapi juga stabilitas volumenya. Chen Huxing dkk. menemukan bahwa stabilitas jangka panjang AFt menurun dengan peningkatan kandungan C3A. Clark dan Monteiro dkk. menemukan bahwa dengan peningkatan tekanan lingkungan, struktur kristal AFt berubah dari teratur menjadi tidak teratur. Balonis dan Glasser meninjau perubahan densitas AFm dan AFt. Renaudin dkk. mempelajari perubahan struktural AFt sebelum dan sesudah perendaman dalam larutan dan parameter struktural AFt dalam spektrum Raman. Kunther dkk. mempelajari pengaruh interaksi antara rasio kalsium-silikon gel CSH dan ion sulfat terhadap tekanan kristalisasi AFt dengan menggunakan NMR. Pada saat yang sama, berdasarkan aplikasi AFt dalam material berbasis semen, Wenk dkk. mempelajari orientasi kristal AFt pada penampang beton melalui teknologi penyelesaian difraksi sinar-X radiasi sinkrotron keras. Pembentukan AFt dalam semen campuran dan titik fokus penelitian ettringit dieksplorasi. Berdasarkan reaksi ettringit yang tertunda, beberapa sarjana telah melakukan banyak penelitian tentang penyebab fase AFt.

Ekspansi volume yang disebabkan oleh pembentukan ettringit terkadang menguntungkan, dan dapat bertindak sebagai "ekspansi" yang mirip dengan agen ekspansi magnesium oksida untuk menjaga stabilitas volume material berbasis semen. Penambahan emulsi polimer dan bubuk emulsi yang dapat didispersikan kembali mengubah sifat makroskopis material berbasis semen karena pengaruhnya yang signifikan terhadap mikrostruktur material berbasis semen. Namun, tidak seperti bubuk emulsi yang dapat didispersikan kembali yang terutama meningkatkan sifat ikatan mortar yang mengeras, polimer selulosa eter (CE) yang larut dalam air memberikan retensi air dan efek pengentalan yang baik pada mortar yang baru dicampur, sehingga meningkatkan kinerja kerja. CE non-ionik umumnya digunakan, termasuk metil selulosa (MC), hidroksietil selulosa (HEC), hidroksipropil metil selulosa (HPMC),hidroksietil metil selulosa (HEMC), dll., dan CE berperan dalam mortar yang baru dicampur tetapi juga memengaruhi proses hidrasi bubur semen. Studi telah menunjukkan bahwa HEMC mengubah jumlah AFt yang dihasilkan sebagai produk hidrasi. Namun, belum ada studi yang secara sistematis membandingkan pengaruh CE pada morfologi mikroskopis AFt, sehingga makalah ini mengeksplorasi perbedaan pengaruh HEMC dan MC pada morfologi mikroskopis ettringham pada bubur semen awal (1 hari) melalui analisis dan perbandingan gambar.

1. Percobaan

1.1 Bahan Baku

Semen Portland P·II 52.5R yang diproduksi oleh Anhui Conch Cement Co., LTD dipilih sebagai semen dalam percobaan. Dua eter selulosa yang digunakan adalah hidroksietil metilselulosa (HEMC) dan metilselulosa (metilselulosa, Shanghai Sinopath Group). Air yang digunakan untuk pencampuran adalah air keran.

1.2 Metode eksperimental

Rasio air-semen sampel pasta semen adalah 0,4 (rasio massa air terhadap semen), dan kandungan eter selulosa adalah 1% dari massa semen. Pembuatan spesimen dilakukan sesuai dengan GB1346-2011 “Metode Pengujian Konsumsi Air, Waktu Pengerasan dan Stabilitas Konsistensi Standar Semen”. Setelah membentuk spesimen, film plastik diselubungi pada permukaan cetakan untuk mencegah penguapan air permukaan dan karbonisasi, dan spesimen ditempatkan di ruang pengeringan dengan suhu (20±2)℃ dan kelembaban relatif (60±5) %. Setelah 1 hari, cetakan dilepas, dan spesimen dipatahkan, kemudian sampel kecil diambil dari bagian tengah dan direndam dalam etanol anhidrat untuk menghentikan hidrasi, dan sampel dikeluarkan dan dikeringkan sebelum pengujian. Sampel kering direkatkan ke meja sampel dengan perekat dua sisi konduktif, dan lapisan film emas disemprotkan ke permukaan menggunakan instrumen sputtering ion otomatis Cressington 108auto. Arus sputtering adalah 20 mA dan waktu sputtering adalah 60 s. Mikroskop elektron pemindaian lingkungan (ESEM) FEI QUANTAFEG 650 digunakan untuk mengamati karakteristik morfologi AFt pada bagian sampel. Mode elektron sekunder vakum tinggi digunakan untuk mengamati AFT. Tegangan akselerasi adalah 15 kV, diameter titik berkas adalah 3,0 nm, dan jarak kerja dikontrol sekitar 10 mm.

2. Hasil dan pembahasan

Citra SEM dari ettringite dalam bubur semen yang dimodifikasi HEMC yang telah mengeras menunjukkan bahwa pertumbuhan orientasi lapisan Ca(OH)2(CH) sangat jelas, dan AFt menunjukkan akumulasi tidak beraturan dari AFt berbentuk batang pendek, dan beberapa AFt berbentuk batang pendek tertutup oleh struktur membran HEMC. Zhang Dongfang dkk. juga menemukan AFt berbentuk batang pendek ketika mengamati perubahan mikrostruktur bubur semen yang dimodifikasi HEMC melalui ESEM. Mereka percaya bahwa bubur semen biasa bereaksi cepat setelah bertemu air, sehingga kristal AFt ramping, dan perpanjangan usia hidrasi menyebabkan peningkatan rasio panjang-diameter secara terus menerus. Namun, HEMC meningkatkan viskositas larutan, mengurangi laju pengikatan ion dalam larutan dan menunda kedatangan air pada permukaan partikel klinker, sehingga rasio panjang-diameter AFt meningkat secara lemah dan karakteristik morfologinya menunjukkan bentuk seperti batang pendek. Dibandingkan dengan AFt dalam bubur semen biasa pada usia yang sama, teori ini telah terverifikasi sebagian, tetapi tidak dapat diterapkan untuk menjelaskan perubahan morfologi AFt dalam bubur semen yang dimodifikasi MC. Gambar SEM ettridit dalam bubur semen yang dimodifikasi MC yang telah mengeras selama 1 hari juga menunjukkan pertumbuhan terorientasi dari lapisan Ca(OH)2, beberapa permukaan AFt juga tertutup oleh struktur film MC, dan AFt menunjukkan karakteristik morfologi pertumbuhan gugus. Namun, sebagai perbandingan, kristal AFt dalam bubur semen yang dimodifikasi MC memiliki rasio panjang-diameter yang lebih besar dan morfologi yang lebih ramping, menunjukkan morfologi jarum yang khas.

Baik HEMC maupun MC menunda proses hidrasi awal semen dan meningkatkan viskositas larutan, tetapi perbedaan karakteristik morfologi AFt yang disebabkan oleh keduanya masih signifikan. Fenomena di atas dapat diuraikan lebih lanjut dari perspektif struktur molekul eter selulosa dan struktur kristal AFt. Renaudin dkk. merendam AFt yang disintesis dalam larutan alkali yang telah disiapkan untuk mendapatkan "AFt basah", dan sebagian menghilangkannya serta mengeringkannya di permukaan larutan CaCl2 jenuh (kelembaban relatif 35%) untuk mendapatkan "AFt kering". Setelah studi penyempurnaan struktur dengan spektroskopi Raman dan difraksi sinar-X bubuk, ditemukan bahwa tidak ada perbedaan antara kedua struktur tersebut, hanya arah pembentukan kristal sel yang berubah dalam proses pengeringan, yaitu, dalam proses perubahan lingkungan dari "basah" ke "kering", kristal AFt yang membentuk sel di sepanjang arah normal a secara bertahap meningkat. Kristal AFt di sepanjang arah normal c menjadi semakin sedikit. Unit paling dasar dari ruang tiga dimensi terdiri dari garis normal a, garis normal b, dan garis normal c yang saling tegak lurus. Dalam kasus di mana garis normal b tetap, kristal AFt mengumpul di sepanjang garis normal a, menghasilkan penampang sel yang membesar pada bidang garis normal ab. Dengan demikian, jika HEMC "menyimpan" lebih banyak air daripada MC, lingkungan "kering" dapat terjadi di area lokal, mendorong agregasi lateral dan pertumbuhan kristal AFt. Patural dkk. menemukan bahwa untuk CE itu sendiri, semakin tinggi derajat polimerisasi (atau semakin besar berat molekulnya), semakin besar viskositas CE dan semakin baik kinerja retensi airnya. Struktur molekul HEMC dan MCS mendukung hipotesis ini, dengan gugus hidroksietil memiliki berat molekul yang jauh lebih besar daripada gugus hidrogen.

Secara umum, kristal AFt akan terbentuk dan mengendap hanya ketika ion-ion yang relevan mencapai kejenuhan tertentu dalam sistem larutan. Oleh karena itu, faktor-faktor seperti konsentrasi ion, suhu, nilai pH, dan ruang pembentukan dalam larutan reaksi dapat secara signifikan memengaruhi morfologi kristal AFt, dan perubahan kondisi sintesis buatan dapat mengubah morfologi kristal AFt. Oleh karena itu, rasio kristal AFt dalam bubur semen biasa antara keduanya mungkin disebabkan oleh faktor tunggal konsumsi air pada hidrasi awal semen. Namun, perbedaan morfologi kristal AFt yang disebabkan oleh HEMC dan MC terutama disebabkan oleh mekanisme retensi air khusus mereka. HEMC dan MC menciptakan "siklus tertutup" transportasi air di dalam mikrozona bubur semen segar, memungkinkan "periode singkat" di mana air "mudah masuk dan sulit keluar." Namun, selama periode ini, lingkungan fase cair di dalam dan di dekat mikrozona juga berubah. Faktor-faktor seperti konsentrasi ion, pH, dll., perubahan lingkungan pertumbuhan lebih lanjut tercermin dalam karakteristik morfologi kristal AFt. “Siklus tertutup” transportasi air ini mirip dengan mekanisme kerja yang dijelaskan oleh Pourchez dkk. HPMC berperan dalam retensi air.

3. Kesimpulan

(1) Penambahan hidroksietil metil selulosa eter (HEMC) dan metil selulosa eter (MC) dapat secara signifikan mengubah morfologi ettringit pada bubur semen biasa awal (1 hari).

(2) Panjang dan diameter kristal ettringite dalam bubur semen modifikasi HEMC kecil dan berbentuk batang pendek; Rasio panjang dan diameter kristal ettringite dalam bubur semen modifikasi MC besar, yang berbentuk jarum-batang. Kristal ettringite dalam bubur semen biasa memiliki rasio aspek di antara keduanya.

(3) Perbedaan efek dua eter selulosa pada morfologi ettringit pada dasarnya disebabkan oleh perbedaan berat molekul.