Целулозни етар на морфологији раног етрингита

Утицаји хидроксиетил метил целулозног етра и метил целулозног етра на морфологију етрингита у раној цементној суспензији проучавани су скенирајућом електронском микроскопијом (СЕМ). Резултати показују да је однос дужине и пречника кристала етрингита у суспензији модификованој хидроксиетил метил целулозним етром мањи него у обичној суспензији, а морфологија кристала етрингита је кратка штапићаста. Однос дужине и пречника кристала етрингита у суспензији модификованој метил целулозним етром је већи него у обичној суспензији, а морфологија кристала етрингита је игличаста. Кристали етрингита у обичним цементним суспензијама имају однос ширине и висине негде између. Кроз горе наведену експерименталну студију, додатно је јасно да је разлика у молекулској тежини две врсте целулозног етра најважнији фактор који утиче на морфологију етрингита.

Кључне речи:етрингит; однос дужине и пречника; метил целулозни етар; хидроксиетил метил целулозни етар; морфологија

Етрингит, као благо проширени производ хидратације, има значајан утицај на перформансе цементног бетона и одувек је био жариште истраживања материјала на бази цемента. Етрингит је врста калцијум алуминат хидрата трисулфидног типа, његова хемијска формула је [Ca3Al (OH)6·12H2O]2·(SO4)3·2H2O, или се може написати као 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O, често скраћено AFt. У систему портланд цемента, етрингит се углавном формира реакцијом гипса са алуминатним или гвожђе-алуминатним минералима, што игра улогу у одлагању хидратације и раном стицању чврстоће цемента. На формирање и морфологију етрингита утичу многи фактори као што су температура, pH вредност и концентрација јона. Још 1976. године, Мета и др. су користили скенирајућу електронску микроскопију да би проучили морфолошке карактеристике AFt и открили да је морфологија таквих благо проширених производа хидратације била мало другачија када је простор за раст био довољно велики и када је простор био ограничен. Први су углавном били витки сферули у облику игле, док су други углавном били кратки призма у облику штапића. Јанг Венјаново истраживање је открило да су облици AFt различити у различитим срединама очвршћавања. Влажна средина би одложила стварање AFt у бетону допираном експанзијом и повећала могућност бубрења и пуцања бетона. Различита средина утиче не само на формирање и микроструктуру AFt, већ и на његову запреминску стабилност. Чен Хуксинг и др. су открили да се дугорочна стабилност AFt смањује са повећањем садржаја C3A. Кларк и Монтеиро и др. су открили да се са повећањем притиска околине кристална структура AFt мења од уређености до неуређености. Балонис и Гласер су прегледали промене густине AFm и AFt. Ренодин и др. су проучавали структурне промене AFt пре и после урањања у раствор и структурне параметре AFt у Рамановом спектру. Кунтер и др. су проучавали ефекат интеракције између односа калцијум-силицијум у CSH гелу и сулфатног јона на притисак кристализације AFt помоћу NMR. Истовремено, на основу примене AFt у материјалима на бази цемента, Венк и др. Проучавали су оријентацију кристала AFt у бетонском пресеку помоћу технологије завршне обраде тврдим синхротронским зрачењем и дифракцијом X-зрака. Истраживано је формирање AFt у мешаном цементу и жариште истраживања етрингита. На основу одложене реакције етрингита, неки научници су спровели много истраживања о узроку AFt фазе.

Експанзија запремине изазвана формирањем етрингита је понекад повољна и може деловати као „експанзија“ слично експанзионом средству магнезијум оксида како би се одржала стабилност запремине материјала на бази цемента. Додавање полимерне емулзије и редиспергујућег емулзионог праха мења макроскопска својства материјала на бази цемента због њиховог значајног утицаја на микроструктуру материјала на бази цемента. Међутим, за разлику од редиспергујућег емулзионог праха који углавном побољшава својство везивања очврслог малтера, водорастворљиви полимерни целулозни етар (CE) даје новомешаном малтеру добар ефекат задржавања воде и згушњавања, чиме се побољшавају радне перформансе. Нејонски CE се често користи, укључујући метил целулозу (MC), хидроксиетил целулозу (HEC), хидроксипропил метил целулозу (HPMC),хидроксиетил метил целулоза (HEMC)итд., а CE игра улогу у новопомешаном малтеру, али такође утиче на процес хидратације цементне каше. Студије су показале да HEMC мења количину AFt произведене као производ хидратације. Међутим, ниједна студија није систематски упоредила ефекат CE на микроскопску морфологију AFt, тако да овај рад истражује разлику између ефекта HEMC и MC на микроскопску морфологију Етрингема у раној (1 дан) цементној каши кроз анализу слике и поређење.

1. Експеримент

1.1 Сировине

Портланд цемент P·II 52.5R, произвођача Anhui Conch Cement Co., LTD, изабран је као цемент у експерименту. Два целулозна етра су хидроксиетил метилцелулоза (HEMC) и метилцелулоза (метилцелулоза, Shanghai Sinopath Group), респективно. MC); Вода за мешање је вода из славине.

1.2 Експерименталне методе

Водоцементни однос узорка цементне пасте био је 0,4 (масени однос воде и цемента), а садржај целулозног етра био је 1% масе цемента. Припрема узорка је спроведена у складу са GB1346-2011 „Метода испитивања потрошње воде, времена везивања и стабилности стандардне конзистенције цемента“. Након формирања узорка, пластична фолија је капсулирана на површини калупа како би се спречило испаравање површинске воде и карбонизација, а узорак је стављен у просторију за сушење са температуром од (20±2)℃ и релативном влажношћу од (60±5)%. Након 1 дана, калуп је уклоњен, а узорак је поломљен, затим је мали узорак узет из средине и натопљен безводним етанолом да би се прекинула хидратација, а узорак је извађен и осушен пре испитивања. Осушени узорци су залепљени на сто за узорке проводљивим двостраним лепком, а слој златног филма је прскан на површину помоћу Cressington 108auto аутоматског инструмента за јонско распршивање. Струја распршивања је била 20 mA, а време распршивања 60 s. За посматрање морфолошких карактеристика AFt на пресеку узорка коришћен је FEI QUANTAFEG 650 еколошки скенирајући електронски микроскоп (ESEM). За посматрање AFT-а коришћен је режим секундарних електрона високог вакуума. Напон убрзања је био 15 kV, пречник тачке снопа 3,0 nm, а радно растојање је контролисано на око 10 mm.

2. Резултати и дискусија

СЕМ снимци етрингита у очврслој HEMC-модификованој цементној суспензији показали су да је раст оријентације слојевитог Ca (OH)2(CH) био очигледан, а AFt је показао неправилну акумулацију кратког штапићастог AFt-а, а неки кратки штапићасти AFT је био прекривен HEMC мембранском структуром. Жанг Донгфанг и др. су такође пронашли кратак штапићасти AFt када су посматрали промене микроструктуре HEMC модификованог цементног суспензије путем ESEM-а. Веровали су да обична цементна суспензија брзо реагује након сусрета са водом, па је кристал AFt-а танак, а продужење старости хидратације доводи до континуираног повећања односа дужине и пречника. Међутим, HEMC је повећао вискозност раствора, смањио брзину везивања јона у раствору и одложио долазак воде на површину честица клинкера, па се однос дужине и пречника AFt-а повећавао у слабом тренду, а његове морфолошке карактеристике су показале облик кратког штапића. У поређењу са AFt-ом у обичној цементној суспензији исте старости, ова теорија је делимично потврђена, али није применљива за објашњење морфолошких промена AFt-а у MC модификованом цементном суспензији. СЕМ снимци етиридита у једнодневном очврслом цементном раствору модификованом МЦ такође су показали оријентисани раст слојевитог Ca(OH)2, неке површине AFt-а су такође биле прекривене филмском структуром МЦ-а, а AFt је показао морфолошке карактеристике раста кластера. Међутим, поређења ради, кристал AFt-а у цементном раствору модификованом МЦ-ом има већи однос дужине и пречника и виткију морфологију, показујући типичну ацикуларну морфологију.

И HEMC и MC су одложили рани процес хидратације цемента и повећали вискозност раствора, али су разлике у морфолошким карактеристикама AFt изазване њима и даље биле значајне. Горе наведени феномени могу се даље разрадити из перспективе молекуларне структуре целулозног етра и кристалне структуре AFt. Реноден и др. су натопили синтетисани AFt у припремљени алкални раствор да би добили „влажни AFt“, а делимично су га уклонили и осушили на површини засићеног раствора CaCl2 (35% релативне влажности) да би добили „суви AFt“. Након проучавања структуре Рамановом спектроскопијом и рендгенском дифракцијом праха, утврђено је да нема разлике између две структуре, већ се само смер формирања кристалних ћелија мењао у процесу сушења, односно, у процесу промене окружења из „влажног“ у „суво“, формиране ћелије кристала AFt дуж нормалног правца a постепено су се повећавале. AFt кристали дуж нормалног правца c су постајали све мањи и мањи. Најосновнија јединица тродимензионалног простора састоји се од нормалне линије, нормалне линије b и нормалне линије c које су једна на другу нормалне. У случају да су b нормале биле фиксиране, AFt кристали су се груписали дуж a нормала, што је резултирало увећаним попречним пресеком ћелије у равни ab нормала. Дакле, ако HEMC „складиштује“ више воде од MC, може се јавити „суво“ окружење у локализованом подручју, подстичући латералну агрегацију и раст AFt кристала. Патурал и др. су открили да за сам CE, што је већи степен полимеризације (или већа молекулска тежина), то је већи вискозитет CE и боље су перформансе задржавања воде. Молекуларна структура HEMC-а и MCS-а подржава ову хипотезу, при чему хидроксиетил група има много већу молекулску тежину од водоничне групе.

Генерално, AFt кристали ће се формирати и таложити само када релевантни јони достигну одређену засићеност у систему раствора. Стога, фактори као што су концентрација јона, температура, pH вредност и простор формирања у реакционом раствору могу значајно утицати на морфологију AFt кристала, а промене у условима вештачке синтезе могу променити морфологију AFt кристала. Стога, однос AFt кристала у обичној цементној суспензији између њих може бити узрокован једним фактором потрошње воде у раној хидратацији цемента. Међутим, разлика у морфологији AFt кристала коју изазивају HEMC и MC требало би да буде углавном последица њиховог посебног механизма задржавања воде. Hemcs и MCS стварају „затворену петљу“ транспорта воде унутар микрозоне свеже цементне суспензије, омогућавајући „кратак период“ у коме вода „лако улази, а тешко излази“. Међутим, током овог периода, течна фаза окружења у и близу микрозоне се такође мења. Фактори као што су концентрација јона, pH вредност итд., промена окружења раста се даље одражава у морфолошким карактеристикама AFt кристала. Ова „затворена петља“ транспорта воде је слична механизму деловања који су описали Pourchez и др. ХПМЦ игра улогу у задржавању воде.

3. Закључак

(1) Додавање хидроксиетил метил целулозног етра (HEMC) и метил целулозног етра (MC) може значајно променити морфологију етрингита у раној (1 дан) обичној цементној каши.

(2) Дужина и пречник кристала етрингита у HEMC модификованом цементном раствору су мали и кратког штапићастог облика; Однос дужине и пречника кристала етрингита у MC модификованом цементном раствору је велики, што значи да је облик игле у облику штапића. Кристали етрингита у обичним цементним растворима имају однос ширине и висине између ова два.

(3) Различити ефекти два целулозна етра на морфологију етрингита су у суштини последица разлике у молекулској тежини.