Etere di cellulosa sulla morfologia dell'ettringite precoce

Gli effetti dell'idrossietilmetilcellulosa etere e della metilcellulosa etere sulla morfologia dell'ettringite nella malta cementizia iniziale sono stati studiati mediante microscopia elettronica a scansione (SEM). I risultati mostrano che il rapporto lunghezza-diametro dei cristalli di ettringite nella malta modificata con idrossietilmetilcellulosa etere è inferiore a quello nella malta ordinaria, e la morfologia dei cristalli di ettringite è a bastoncino corto. Il rapporto lunghezza-diametro dei cristalli di ettringite nella malta modificata con metilcellulosa etere è maggiore di quello nella malta ordinaria, e la morfologia dei cristalli di ettringite è aghiforme. I cristalli di ettringite nelle malte cementizie ordinarie presentano un rapporto d'aspetto intermedio. Attraverso lo studio sperimentale sopra descritto, risulta inoltre chiaro che la differenza di peso molecolare dei due tipi di etere di cellulosa è il fattore più importante che influenza la morfologia dell'ettringite.

Parole chiave:ettringite; Rapporto lunghezza-diametro; Etere di metilcellulosa; Etere di idrossietilmetilcellulosa; morfologia

L'ettringite, come prodotto di idratazione leggermente espanso, ha un effetto significativo sulle prestazioni del calcestruzzo cementizio ed è sempre stata un punto focale della ricerca sui materiali a base di cemento. L'ettringite è un tipo di idrato di alluminato di calcio di tipo trisolfuro, la cui formula chimica è [Ca3Al (OH)6·12H2O]2·(SO4)3·2H2O, o può essere scritta come 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O, spesso abbreviata come AFt. Nel sistema del cemento Portland, l'ettringite si forma principalmente dalla reazione del gesso con minerali di alluminato o alluminato ferrico, che svolge il ruolo di ritardare l'idratazione e la resistenza iniziale del cemento. La formazione e la morfologia dell'ettringite sono influenzate da molti fattori come la temperatura, il valore del pH e la concentrazione ionica. Già nel 1976, Metha et al. hanno utilizzato la microscopia elettronica a scansione per studiare le caratteristiche morfologiche dell'AFt e hanno scoperto che la morfologia di tali prodotti di idratazione leggermente espansi era leggermente diversa quando lo spazio di crescita era sufficientemente ampio e quando lo spazio era limitato. Il primo era costituito principalmente da sferule sottili a forma di ago-bastoncino, mentre il secondo era costituito principalmente da prismi corti a forma di bastoncino. La ricerca di Yang Wenyan ha scoperto che le forme di AFt erano diverse con diversi ambienti di stagionatura. Gli ambienti umidi ritarderebbero la generazione di AFt nel calcestruzzo dopato con espandibili e aumenterebbero la possibilità di rigonfiamento e fessurazione del calcestruzzo. Diversi ambienti influenzano non solo la formazione e la microstruttura dell'AFt, ma anche la sua stabilità volumetrica. Chen Huxing et al. hanno scoperto che la stabilità a lungo termine dell'AFt diminuiva con l'aumento del contenuto di C3A. Clark e Monteiro et al. hanno scoperto che con l'aumento della pressione ambientale, la struttura cristallina dell'AFt cambiava da ordinata a disordinata. Balonis e Glasser hanno esaminato i cambiamenti di densità di AFm e AFt. Renaudin et al. hanno studiato i cambiamenti strutturali dell'AFt prima e dopo l'immersione in soluzione e i parametri strutturali dell'AFt nello spettro Raman. Kunther et al. hanno studiato l'effetto dell'interazione tra il rapporto calcio-silicio del gel CSH e lo ione solfato sulla pressione di cristallizzazione dell'AFt tramite NMR. Allo stesso tempo, basandosi sull'applicazione dell'AFt nei materiali a base di cemento, Wenk et al. hanno studiato l'orientamento cristallino dell'AFt nella sezione di calcestruzzo attraverso la tecnologia di finitura di diffrazione dei raggi X con radiazione di sincrotrone dura. Sono stati esplorati la formazione di AFt nel cemento misto e il punto caldo di ricerca dell'ettringite. Basandosi sulla reazione ritardata dell'ettringite, alcuni studiosi hanno condotto molte ricerche sulla causa della fase AFt.

L'espansione di volume causata dalla formazione di ettringite è talvolta favorevole e può agire come un "espansore" simile all'agente espansivo dell'ossido di magnesio per mantenere la stabilità di volume dei materiali a base di cemento. L'aggiunta di emulsione polimerica e polvere di emulsione ridispersibile modifica le proprietà macroscopiche dei materiali a base di cemento a causa dei loro effetti significativi sulla microstruttura dei materiali a base di cemento. Tuttavia, a differenza della polvere di emulsione ridispersibile che migliora principalmente la proprietà di legame della malta indurita, l'etere di cellulosa polimerico idrosolubile (CE) conferisce alla malta appena miscelata una buona ritenzione idrica e un effetto addensante, migliorando così le prestazioni lavorative. Il CE non ionico è comunemente utilizzato, tra cui metilcellulosa (MC), idrossietilcellulosa (HEC), idrossipropilmetilcellulosa (HPMC),idrossietilmetilcellulosa (HEMC), ecc., e CE svolge un ruolo nella malta appena miscelata ma influenza anche il processo di idratazione della malta cementizia. Studi hanno dimostrato che HEMC modifica la quantità di AFt prodotta come prodotto di idratazione. Tuttavia, nessuno studio ha confrontato sistematicamente l'effetto di CE sulla morfologia microscopica di AFt, quindi questo articolo esplora la differenza dell'effetto di HEMC e MC sulla morfologia microscopica di ettringham nella malta cementizia precoce (1 giorno) attraverso l'analisi e il confronto delle immagini.

1. Esperimento

1.1 Materie prime

Il cemento Portland P·II 52.5R prodotto da Anhui Conch Cement Co., LTD è stato selezionato come cemento per l'esperimento. I due eteri di cellulosa sono rispettivamente idrossietilmetilcellulosa (HEMC) e metilcellulosa (metilcellulosa, Shanghai Sinopath Group). MC); L'acqua di miscelazione è acqua di rubinetto.

1.2 Metodi sperimentali

Il rapporto acqua-cemento del campione di pasta di cemento era di 0,4 (rapporto in massa tra acqua e cemento) e il contenuto di etere di cellulosa era dell'1% della massa di cemento. La preparazione del campione è stata effettuata secondo la norma GB1346-2011 "Metodo di prova per il consumo di acqua, il tempo di presa e la stabilità della consistenza standard del cemento". Dopo la formazione del campione, una pellicola di plastica è stata applicata sulla superficie dello stampo per prevenire l'evaporazione dell'acqua superficiale e la carbonizzazione, e il campione è stato posto in una camera di stagionatura con una temperatura di (20±2)℃ e un'umidità relativa del (60±5) %. Dopo 1 giorno, lo stampo è stato rimosso e il campione è stato rotto, quindi un piccolo campione è stato prelevato dal centro e immerso in etanolo anidro per interrompere l'idratazione, e il campione è stato estratto e asciugato prima della prova. I campioni essiccati sono stati incollati al supporto con un adesivo conduttivo biadesivo e uno strato di pellicola d'oro è stato spruzzato sulla superficie mediante uno strumento di sputtering ionico automatico Cressington 108auto. La corrente di sputtering era di 20 mA e il tempo di sputtering di 60 s. Un microscopio elettronico a scansione ambientale (ESEM) FEI QUANTAFEG 650 è stato utilizzato per osservare le caratteristiche morfologiche dell'AFt sulla sezione del campione. Per osservare l'AFT è stata utilizzata la modalità di elettroni secondari ad alto vuoto. La tensione di accelerazione era di 15 kV, il diametro del fascio era di 3,0 nm e la distanza di lavoro era controllata a circa 10 mm.

2. Risultati e discussione

Le immagini SEM dell'ettringite nella malta cementizia modificata con HEMC indurita hanno mostrato che la crescita orientata del Ca(OH)2(CH) stratificato era evidente e l'AFt mostrava un accumulo irregolare di AFt a forma di bastoncino corto, e alcuni AFt a forma di bastoncino corto erano ricoperti dalla struttura della membrana HEMC. Anche Zhang Dongfang et al. hanno trovato AFt a forma di bastoncino corto osservando i cambiamenti della microstruttura della malta cementizia modificata con HEMC tramite ESEM. Hanno ritenuto che la normale malta cementizia reagisse rapidamente dopo il contatto con l'acqua, quindi il cristallo di AFt era sottile e l'estensione dell'età di idratazione portava all'aumento continuo del rapporto lunghezza-diametro. Tuttavia, l'HEMC aumentava la viscosità della soluzione, riduceva il tasso di legame degli ioni nella soluzione e ritardava l'arrivo dell'acqua sulla superficie delle particelle di clinker, quindi il rapporto lunghezza-diametro dell'AFt aumentava con una tendenza debole e le sue caratteristiche morfologiche mostravano una forma a bastoncino corto. Rispetto all'AFt nella normale malta cementizia della stessa età, questa teoria è stata parzialmente verificata, ma non è applicabile per spiegare i cambiamenti morfologici dell'AFt nella malta cementizia modificata con MC. Le immagini SEM dell'ettridite nella malta cementizia modificata con MC indurita per 1 giorno hanno mostrato anche una crescita orientata di Ca(OH)2 stratificato, alcune superfici di AFt erano anche ricoperte da una struttura a film di MC e l'AFt ha mostrato caratteristiche morfologiche di crescita a grappolo. Tuttavia, per confronto, il cristallo di AFt nella malta cementizia modificata con MC ha un rapporto lunghezza-diametro maggiore e una morfologia più snella, mostrando una tipica morfologia aghiforme.

Sia HEMC che MC hanno ritardato il processo di idratazione iniziale del cemento e aumentato la viscosità della soluzione, ma le differenze nelle caratteristiche morfologiche dell'AFt causate da questi erano comunque significative. I fenomeni sopra descritti possono essere ulteriormente elaborati dal punto di vista della struttura molecolare dell'etere di cellulosa e della struttura cristallina dell'AFt. Renaudin et al. hanno immerso l'AFt sintetizzato nella soluzione alcalina preparata per ottenere "AFt umido", e lo hanno parzialmente rimosso e asciugato sulla superficie di una soluzione satura di CaCl2 (35% di umidità relativa) per ottenere "AFt secco". Dopo lo studio di affinamento della struttura mediante spettroscopia Raman e diffrazione di raggi X su polveri, è stato scoperto che non c'era alcuna differenza tra le due strutture, solo la direzione di formazione dei cristalli delle celle cambiava nel processo di essiccazione, ovvero, nel processo di cambiamento ambientale da "umido" a "secco", i cristalli di AFt che formavano celle lungo la direzione normale a aumentavano gradualmente. I cristalli di AFt lungo la direzione normale c diventavano sempre meno. L'unità più elementare dello spazio tridimensionale è composta da una linea normale a, una linea normale b e una linea normale c, perpendicolari tra loro. Nel caso in cui le normali b fossero fisse, i cristalli di AFt si raggruppavano lungo le normali a, determinando un ingrandimento della sezione trasversale della cella nel piano delle normali ab. Pertanto, se l'HEMC "immagazzina" più acqua dell'MC, si può creare un ambiente "secco" in un'area localizzata, favorendo l'aggregazione laterale e la crescita dei cristalli di AFt. Patural et al. hanno scoperto che, per quanto riguarda il CE stesso, maggiore è il grado di polimerizzazione (o maggiore è il peso molecolare), maggiore è la viscosità del CE e migliori sono le prestazioni di ritenzione idrica. La struttura molecolare degli HEMC e degli MCS supporta questa ipotesi, con il gruppo idrossietilico avente un peso molecolare molto maggiore del gruppo idrogeno.

In generale, i cristalli di AFt si formano e precipitano solo quando gli ioni rilevanti raggiungono una certa saturazione nel sistema di soluzione. Pertanto, fattori come la concentrazione ionica, la temperatura, il valore del pH e lo spazio di formazione nella soluzione di reazione possono influenzare significativamente la morfologia dei cristalli di AFt, e le variazioni nelle condizioni di sintesi artificiale possono modificarne la morfologia. Di conseguenza, il rapporto tra i cristalli di AFt nella normale malta cementizia e quelli di MC potrebbe essere causato dal singolo fattore del consumo di acqua nella fase iniziale di idratazione del cemento. Tuttavia, la differenza nella morfologia dei cristalli di AFt causata da HEMC e MC dovrebbe essere principalmente dovuta al loro particolare meccanismo di ritenzione idrica. HEMC e MCS creano un "circuito chiuso" di trasporto dell'acqua all'interno della microzona della malta cementizia fresca, consentendo un "breve periodo" in cui l'acqua è "facile da entrare e difficile da uscire". Tuttavia, durante questo periodo, anche l'ambiente della fase liquida all'interno e in prossimità della microzona subisce delle modifiche. Fattori come la concentrazione ionica, il pH, ecc., Il cambiamento dell'ambiente di crescita si riflette ulteriormente nelle caratteristiche morfologiche dei cristalli AFt. Questo "circuito chiuso" di trasporto dell'acqua è simile al meccanismo d'azione descritto da Pourchez et al. HPMC che svolge un ruolo nella ritenzione idrica.

3. Conclusion

(1) L'aggiunta di idrossietil metil cellulosa etere (HEMC) e metil cellulosa etere (MC) può modificare significativamente la morfologia dell'ettringite nella malta di cemento ordinaria iniziale (1 giorno).

(2) La lunghezza e il diametro del cristallo di ettringite nella malta cementizia modificata HEMC sono piccoli e hanno una forma a bastoncino corto; il rapporto tra lunghezza e diametro dei cristalli di ettringite nella malta cementizia modificata MC è grande, e ha una forma a bastoncino ago. I cristalli di ettringite nelle malte cementizie ordinarie hanno un rapporto d'aspetto tra questi due.

(3) I diversi effetti dei due eteri di cellulosa sulla morfologia dell'ettringite sono essenzialmente dovuti alla differenza di peso molecolare.