אתר תאית על המורפולוגיה של אטרינגיט מוקדם

ההשפעות של הידרוקסי-אתיל מתיל תאית אתר ואתר מתיל תאית על המורפולוגיה של אטרינגיט בתרחיף צמנט מוקדם נחקרו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM). התוצאות מראות כי יחס האורך-קוטר של גבישי אטרינגיט בתרחיף שעבר שינוי הידרוקסי-אתיל מתיל תאית אתר קטן יותר מזה בתרחיף רגיל, והמורפולוגיה של גבישי אטרינגיט היא קצרה דמוית מוט. יחס האורך-קוטר של גבישי אטרינגיט בתרחיף שעבר שינוי מתיל תאית אתר גדול יותר מזה בתרחיף רגיל, והמורפולוגיה של גבישי אטרינגיט היא דמוית מחט-מוט. לגבישי אטרינגיט בתרחיף צמנט רגיל יש יחס גובה-רוחב איפשהו באמצע. באמצעות המחקר הניסויי לעיל, ברור עוד יותר כי ההבדל במשקל המולקולרי של שני סוגי אתר תאית הוא הגורם החשוב ביותר המשפיע על המורפולוגיה של אטרינגיט.

מילות מפתח:אטרינגיט; יחס אורך-קוטר; אתר מתיל תאית; אתר הידרוקסיאתיל מתיל תאית; מורפולוגיה

לאטרינגיט, כתוצר הידרציה מעט מורחב, יש השפעה משמעותית על ביצועי בטון צמנט, והוא תמיד היה מוקד המחקר של חומרים מבוססי צמנט. אטרינגיט הוא סוג של הידרציה של סידן אלומינט מסוג טריסולפיד, הנוסחה הכימית שלו היא [Ca3Al(OH)6·12H2O]2·(SO4)3·2H2O, או שניתן לכתוב אותה כ-3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O, לעתים קרובות מקוצר כ-AFt. במערכת צמנט פורטלנד, אטרינגיט נוצר בעיקר על ידי תגובה של גבס עם מינרלים של אלומינט או ברזל אלומינט, אשר ממלאים את התפקיד של עיכוב ההידרציה וחוזק מוקדם של צמנט. היווצרותו והמורפולוגיה של אטרינגיט מושפעות מגורמים רבים כמו טמפרטורה, ערך pH וריכוז יונים. כבר בשנת 1976, מת'ה ועמיתיו השתמשו במיקרוסקופ אלקטרונים סורק כדי לחקור את המאפיינים המורפולוגיים של AFt, ומצאו שהמורפולוגיה של תוצרי הידרציה מעט מורחב כאלה הייתה שונה במקצת כאשר מרחב הגידול היה גדול מספיק וכאשר המרחב היה מוגבל. הראשון היה בעיקר כדוריות דקות בצורת מוט-מחט, בעוד שהאחרון היה בעיקר פריזמה קצרה בצורת מוט. מחקרו של יאנג וניאן מצא שצורות AFt היו שונות עם סביבות התקשות שונות. סביבות רטובות יעכבו את יצירת AFt בבטון מסומם בהתפשטות ויגדילו את האפשרות להתנפחות וסדקים של הבטון. סביבות שונות משפיעות לא רק על היווצרות והמיקרו-מבנה של AFt, אלא גם על יציבות הנפח שלו. צ'ן הוקסינג ועמיתיו מצאו כי היציבות ארוכת הטווח של AFt ירדה עם העלייה בתכולת C3A. קלארק ומונטיירו ועמיתיו מצאו שעם העלייה בלחץ הסביבתי, מבנה הגביש של AFt השתנה מסדר לאי-סדר. בלוניס וגלאסר סקרו את שינויי הצפיפות של AFm ו-AFt. רנודין ועמיתיו חקרו את השינויים המבניים של AFt לפני ואחרי טבילה בתמיסה ואת הפרמטרים המבניים של AFt בספקטרום ראמאן. קונתר ועמיתיו חקרו את השפעת האינטראקציה בין יחס הסידן-סיליקון בג'ל CSH ויון סולפט על לחץ התגבשות AFt באמצעות NMR. במקביל, בהתבסס על יישום של AFt בחומרים מבוססי צמנט, וונק ועמיתיו חקרו את אוריינטציית גבישי ה-AFt של חתך בטון באמצעות טכנולוגיית גימור עקיפת קרני רנטגן של קרינת סינכרוטרון קשה. נחקרו היווצרות AFt בצמנט מעורב ונקודות החמות המחקריות של אטרינגיט. בהתבסס על תגובת אטרינגיט מאוחרת, כמה חוקרים ערכו מחקר רב על הגורם לשלב AFt.

התפשטות הנפח הנגרמת על ידי היווצרות אטרינגיט היא לעיתים חיובית, והיא יכולה לשמש כ"התפשטות" בדומה לחומר התפשטות מגנזיום אוקסיד כדי לשמור על יציבות הנפח של חומרים מבוססי צמנט. תוספת של אמולסיה פולימרית ואבקת אמולסיה מתפזרת מחדש משנה את התכונות המקרוסקופיות של חומרים מבוססי צמנט עקב השפעותיהם המשמעותיות על המיקרו-מבנה של חומרים מבוססי צמנט. עם זאת, בניגוד לאבקת אמולסיה מתפזרת מחדש אשר משפרת בעיקר את תכונות ההדבקה של טיט מוקשה, אתר תאית פולימרי מסיס במים (CE) מעניק לטיט המעורבב החדש אפקט שמירה טובה של מים ועיבוי, ובכך משפר את ביצועי העבודה. CE לא יוני נמצא בשימוש נפוץ, כולל מתיל תאית (MC), הידרוקסיאתיל תאית (HEC), הידרוקסיפרופיל מתיל תאית (HPMC),הידרוקסיאתיל מתיל תאית (HEMC)וכו', ו-CE משחק תפקיד בטיט מעורבב לאחרונה אך משפיע גם על תהליך ההידרציה של תרחיף צמנט. מחקרים הראו כי HEMC משנה את כמות ה-AFt המיוצרת כתוצר הידרציה. עם זאת, לא נמצאו מחקרים שהשוו באופן שיטתי את השפעת CE על המורפולוגיה המיקרוסקופית של AFt, ולכן מאמר זה בוחן את ההבדל בהשפעת HEMC ו-MC על המורפולוגיה המיקרוסקופית של אטרינגהם בתרחיף צמנט מוקדם (יום אחד) באמצעות ניתוח תמונות והשוואה.

1. ניסוי

1.1 חומרי גלם

צמנט פורטלנד P·II 52.5R המיוצר על ידי חברת Anhui Conch Cement Co., LTD נבחר כצמנט בניסוי. שני אתרי התאית הם הידרוקסיאתיל מתילצלולוז (HEMC) ומתילצלולוז (מתילצלולוז, קבוצת Shanghai Sinopath) בהתאמה. MC); מי הערבוב הם מי ברז.

1.2 שיטות ניסיוניות

יחס המים-צמנט של דגימת משחת הצמנט היה 0.4 (יחס המסה של מים לצמנט), ותכולת אתר התאית הייתה 1% ממסת הצמנט. הכנת הדגימה בוצעה בהתאם לתקן GB1346-2011 "שיטת בדיקה לצריכת מים, זמן התקשות ויציבות של עקביות סטנדרטית של צמנט". לאחר יצירת הדגימה, סרט פלסטיק נכרה על פני התבנית כדי למנוע אידוי ופחמן של מי השטח, והדגימה הונחה בחדר ייבוש בטמפרטורה של (20±2) מעלות צלזיוס ולחות יחסית של (60±5). לאחר יום אחד, התבנית הוסרה, והדגימה נשברה, לאחר מכן נלקחה דגימה קטנה מהאמצע והושרה באתנול נטול מים כדי לסיים את ההידרציה, והדגימה הוצאה ויובשה לפני הבדיקה. הדגימות היבשות הודבקו לשולחן הדגימות בעזרת דבק דו-צדדי מוליך, ושכבת סרט זהב רוססה על פני השטח באמצעות מכשיר ריסוס יונים אוטומטי Cressington 108auto. זרם ההתזה היה 20 מיליאמפר וזמן ההתזה היה 60 שניות. מיקרוסקופ אלקטרונים סורק סביבתי מדגם FEI QUANTAFEG 650 (ESEM) שימש לצפייה במאפיינים המורפולוגיים של AFt על חתך הדגימה. מצב אלקטרונים משני בוואקום גבוה שימש לצפייה ב-AFT. מתח התאוצה היה 15 קילו-וולט, קוטר נקודת הקרן היה 3.0 ננומטר, ומרחק העבודה נשלט על כ-10 מ"מ.

2. תוצאות ודיון

תמונות SEM של אטרינגיט בתרחיף צמנט שעבר שינוי HEMC מוקשה הראו כי צמיחת האוריינטציה של Ca(OH)2(CH) שכבתי הייתה ברורה, ו-AFt הראה הצטברות לא סדירה של AFt קצר דמוי מוט, וחלק מה-AFT קצר דמוי מוט היה מכוסה במבנה קרום HEMC. ג'אנג דונגפאנג ​​ועמיתיו מצאו גם AFt קצר דמוי מוט כאשר תצפיתם על שינויים במיקרו-מבנה של תרחיף צמנט שעבר שינוי HEMC דרך ESEM. הם האמינו שתרחיף צמנט רגיל הגיב במהירות לאחר מפגש עם מים, כך שגביש ה-AFt היה דק, והארכת גיל ההידרציה הובילה לעלייה מתמשכת ביחס אורך-קוטר. עם זאת, HEMC הגביר את צמיגות התמיסה, הפחית את קצב הקישור של יונים בתמיסה ועיכב את הגעת המים על פני חלקיקי הקלינקר, כך שיחס אורך-קוטר של AFt גדל במגמה חלשה והמאפיינים המורפולוגיים שלו הראו צורה קצרה דמוית מוט. בהשוואה ל-AFt בתרחיף צמנט רגיל מאותו גיל, תיאוריה זו אומתה חלקית, אך היא אינה ישימה להסבר השינויים המורפולוגיים של AFt בתרחיף צמנט שעבר שינוי MC. תמונות SEM של אטרידיט בתרחיף צמנט שעבר שינוי MC מוקשה במשך יום אחד הראו גם צמיחה מכוונת של Ca(OH)2 שכבתית, חלק משטחי AFt היו מכוסים גם במבנה סרט של MC, ו-AFt הראה מאפיינים מורפולוגיים של גדילת אשכול. עם זאת, לשם השוואה, לגביש AFt בתרחיף צמנט שעבר שינוי MC יש יחס אורך-קוטר גדול יותר ומורפולוגיה דקה יותר, המציגה מורפולוגיה חדה אופיינית.

גם HEMC וגם MC עיכבו את תהליך ההידרציה המוקדם של צמנט והגדילו את צמיגות התמיסה, אך ההבדלים במאפיינים המורפולוגיים של AFt שנגרמו כתוצאה מהם עדיין היו משמעותיים. ניתן להרחיב עוד יותר את התופעות הנ"ל מנקודת מבט של המבנה המולקולרי של אתר תאית ומבנה גבישי AFt. רנודין ועמיתיו השרו את ה-AFt המסונתז בתמיסה הבסיסית שהוכנה כדי לקבל "AFt רטוב", הסירו אותו חלקית וייבשו אותו על פני השטח של תמיסת CaCl2 רוויה (35% לחות יחסית) כדי לקבל "AFt יבש". לאחר מחקר עידון המבנה באמצעות ספקטרוסקופיית ראמאן ודיפרקציית אבקת קרני רנטגן, נמצא כי אין הבדל בין שני המבנים, רק כיוון היווצרות הגבישים של התאים השתנה בתהליך הייבוש, כלומר, בתהליך השינוי הסביבתי מ"רטוב" ל"יבש", גבישי AFt יצרו תאים לאורך כיוון הנורמלי גדל בהדרגה. גבישי ה-AFt לאורך כיוון הנורמלי c הפכו פחות ופחות. היחידה הבסיסית ביותר של מרחב תלת-ממדי מורכבת מקו נורמלי a, קו נורמלי b וקו נורמלי c הניצבים זה לזה. במקרה בו הנורמלים b נקבעו, גבישי AFt התקבצו לאורך הנורמלים a, וכתוצאה מכך נוצר חתך תאים מוגדל במישור הנורמלים ab. לכן, אם HEMC "אוגר" יותר מים מאשר MC, יכולה להיווצר סביבה "יבשה" באזור מקומי, מה שמעודד צבירה רוחבית וצמיחה של גבישי AFt. פטורל ועמיתיו מצאו שעבור CE עצמו, ככל שדרגת הפולימריזציה גבוהה יותר (או ככל שהמשקל המולקולרי גדול יותר), כך צמיגות ה-CE גבוהה יותר וביצועי אצירת המים טובים יותר. המבנה המולקולרי של HEMCs ו-MCS תומך בהשערה זו, כאשר לקבוצת הידרוקסיאתיל משקל מולקולרי גדול בהרבה מקבוצת המימן.

באופן כללי, גבישי AFt ייווצרו וישקעו רק כאשר יונים רלוונטיים מגיעים לרוויה מסוימת במערכת התמיסה. לכן, גורמים כגון ריכוז יונים, טמפרטורה, ערך pH ומרחב היווצרות בתמיסת התגובה יכולים להשפיע באופן משמעותי על המורפולוגיה של גבישי AFt, ושינויים בתנאי הסינתזה המלאכותית יכולים לשנות את המורפולוגיה של גבישי AFt. לכן, היחס בין גבישי AFt בתרחיף צמנט רגיל בין השניים עשוי להיגרם על ידי גורם יחיד של צריכת מים בהידרציה המוקדמת של צמנט. עם זאת, ההבדל במורפולוגיה של גבישי AFt הנגרם על ידי HEMC ו-MC אמור להיות בעיקר בשל מנגנון אצירת המים המיוחד שלהם. Hemcs ו-MCS יוצרים "לולאה סגורה" של הובלת מים בתוך המיקרו-אזור של תרחיף הצמנט הטרי, מה שמאפשר "תקופה קצרה" שבה מים "קלים להיכנס וקשה להוציא". עם זאת, במהלך תקופה זו, גם סביבת הפאזה הנוזלית בתוך המיקרו-אזור ובסביבתו משתנה. גורמים כגון ריכוז יונים, pH וכו', השינוי בסביבת הגידול משתקף עוד יותר במאפיינים המורפולוגיים של גבישי AFt. "לולאה סגורה" זו של הובלת מים דומה למנגנון הפעולה שתואר על ידי פורשז ואחרים. HPMC ממלא תפקיד בשימור מים.

3. סיכום

(1) הוספת הידרוקסיאתיל מתיל תאית אתר (HEMC) ומתיל תאית אתר (MC) יכולה לשנות באופן משמעותי את המורפולוגיה של האטרינגיט בתמיסת צמנט רגילה מוקדמת (יום אחד).

(2) אורך וקוטר גביש האטרינגיט בתמיסת צמנט שעברה שינוי HEMC הם קטנים וצורת מוט קצרה; יחס האורך והקוטר של גבישי האטרינגיט בתמיסת צמנט שעברה שינוי MC הוא גדול, וצורתם היא מחט-מוט. לגבישי האטרינגיט בתמיסות צמנט רגילות יש יחס גובה-רוחב בין שני אלה.

(3) ההשפעות השונות של שני אתרי תאית על המורפולוגיה של האטרינגיט נובעות בעיקר מההבדל במשקל המולקולרי.