เซลลูโลสอีเธอร์บนสัณฐานวิทยาของเอททริงไจต์ยุคแรก

ผลกระทบของไฮดรอกซีเอทิลเมทิลเซลลูโลสอีเธอร์และเมทิลเซลลูโลสอีเธอร์ต่อสัณฐานวิทยาของเอตทริงไนต์ในสารละลายซีเมนต์ยุคแรกได้รับการศึกษาโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าอัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของผลึกเอตทริงไนต์ในสารละลายที่ดัดแปลงด้วยไฮดรอกซีเอทิลเมทิลเซลลูโลสอีเธอร์มีขนาดเล็กกว่าในสารละลายทั่วไป และสัณฐานวิทยาของผลึกเอตทริงไนต์มีลักษณะเป็นแท่งสั้น อัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของผลึกเอตทริงไนต์ในสารละลายที่ดัดแปลงด้วยเมทิลเซลลูโลสอีเธอร์มีขนาดใหญ่กว่าในสารละลายทั่วไป และสัณฐานวิทยาของผลึกเอตทริงไนต์มีลักษณะเป็นแท่งเข็ม ผลึกเอตทริงไนต์ในสารละลายซีเมนต์ทั่วไปมีอัตราส่วนด้านที่อยู่ระหว่างกลาง จากการศึกษาเชิงทดลองข้างต้น ชัดเจนยิ่งขึ้นว่าความแตกต่างของน้ำหนักโมเลกุลของเซลลูโลสอีเธอร์สองชนิดเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่ส่งผลต่อสัณฐานวิทยาของเอตทริงไนต์

คำสำคัญ:เอททริงไจต์; อัตราส่วนความยาว-เส้นผ่านศูนย์กลาง; เมทิลเซลลูโลสอีเธอร์; ไฮดรอกซีเอทิลเมทิลเซลลูโลสอีเธอร์; สัณฐานวิทยา

เอททริงไกต์เป็นผลิตภัณฑ์ไฮเดรชั่นที่มีการขยายตัวเล็กน้อย มีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพของคอนกรีตซีเมนต์ และเป็นจุดศูนย์กลางของการวิจัยวัสดุซีเมนต์มาโดยตลอด เอททริงไกต์เป็นแคลเซียมอะลูมิเนตไฮเดรทประเภทไตรซัลไฟด์ชนิดหนึ่ง มีสูตรเคมีคือ [Ca3Al (OH)6·12H2O]2·(SO4)3·2H2O หรืออาจเขียนเป็น 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O มักย่อเป็น AFt ในระบบซีเมนต์พอร์ตแลนด์ เอททริงไกต์เกิดขึ้นส่วนใหญ่จากปฏิกิริยาของยิปซัมกับแร่อะลูมิเนตหรือเฟอร์ริกอะลูมิเนต ซึ่งมีบทบาทในการชะลอการไฮเดรชั่นและความแข็งแรงในระยะเริ่มต้นของซีเมนต์ การก่อตัวและสัณฐานวิทยาของเอททริงไกต์ได้รับผลกระทบจากปัจจัยหลายประการ เช่น อุณหภูมิ ค่า pH และความเข้มข้นของไอออน ตั้งแต่ปี 1976 เป็นต้นมา Metha et al. ภาษาไทยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดเพื่อศึกษาลักษณะทางสัณฐานวิทยาของ AFt และพบว่าสัณฐานวิทยาของผลิตภัณฑ์ไฮเดรชั่นที่ขยายตัวเล็กน้อยดังกล่าวแตกต่างกันเล็กน้อยเมื่อพื้นที่การเจริญเติบโตมีขนาดใหญ่เพียงพอและเมื่อพื้นที่จำกัด แบบแรกเป็นทรงกลมเรียวรูปแท่งเข็มส่วนใหญ่ ในขณะที่แบบหลังเป็นปริซึมรูปแท่งสั้นส่วนใหญ่ การวิจัยของ Yang Wenyan พบว่ารูปแบบ AFt แตกต่างกันตามสภาพแวดล้อมการบ่มที่แตกต่างกัน สภาพแวดล้อมที่เปียกชื้นจะทำให้การสร้าง AFt ในคอนกรีตที่เติมสารเจือปนขยายตัวล่าช้าและเพิ่มความเป็นไปได้ของการบวมและแตกร้าวของคอนกรีต สภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันไม่เพียงส่งผลต่อการก่อตัวและโครงสร้างจุลภาคของ AFt เท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อเสถียรภาพของปริมาตรอีกด้วย Chen Huxing และคณะพบว่าเสถียรภาพในระยะยาวของ AFt ลดลงเมื่อมีปริมาณ C3A เพิ่มขึ้น Clark และ Monteiro และคณะพบว่าเมื่อแรงกดดันด้านสิ่งแวดล้อมเพิ่มขึ้น โครงสร้างผลึกของ AFt จะเปลี่ยนแปลงจากลำดับเป็นความไม่เป็นระเบียบ Balonis และ Glasser ได้ทบทวนการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของ AFm และ AFt Renaudin และคณะ ศึกษาการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของ AFt ก่อนและหลังการแช่ในสารละลายและพารามิเตอร์โครงสร้างของ AFt ในสเปกตรัมรามาน Kunther และคณะศึกษาผลกระทบของปฏิสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนแคลเซียม-ซิลิกอนของเจล CSH และไอออนซัลเฟตต่อความดันการตกผลึกของ AFt โดย NMR ในเวลาเดียวกัน โดยอิงจากการประยุกต์ใช้ AFt ในวัสดุที่ใช้ปูนซีเมนต์ Wenk และคณะศึกษาการวางแนวผลึก AFt ของหน้าตัดคอนกรีตด้วยเทคโนโลยีการตกแต่งการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ด้วยรังสีซินโครตรอนแข็ง การก่อตัวของ AFt ในปูนซีเมนต์ผสมและจุดร้อนในการวิจัยของเอททริงไจต์ได้รับการสำรวจ จากปฏิกิริยาเอททริงไจต์ที่ล่าช้า นักวิชาการบางคนได้ทำการวิจัยมากมายเกี่ยวกับสาเหตุของเฟส AFt

การขยายตัวของปริมาตรที่เกิดจากการก่อตัวของเอททริงไจต์นั้นบางครั้งก็เป็นผลดี และสามารถทำหน้าที่เป็น "การขยายตัว" คล้ายกับตัวแทนการขยายตัวของแมกนีเซียมออกไซด์เพื่อรักษาเสถียรภาพของปริมาตรของวัสดุที่ใช้ปูนซีเมนต์ การเติมอิมัลชันโพลิเมอร์และผงอิมัลชันที่กระจายตัวได้อีกครั้งจะเปลี่ยนคุณสมบัติเชิงมหภาคของวัสดุที่ใช้ปูนซีเมนต์เนื่องจากมีผลอย่างมากต่อโครงสร้างจุลภาคของวัสดุที่ใช้ปูนซีเมนต์ อย่างไรก็ตาม แตกต่างจากผงอิมัลชันที่กระจายตัวได้อีกครั้งซึ่งช่วยเพิ่มคุณสมบัติการยึดเกาะของปูนที่แข็งตัวเป็นหลัก โพลิเมอร์เซลลูโลสอีเธอร์ที่ละลายน้ำได้ (CE) ช่วยให้ปูนที่ผสมใหม่กักเก็บน้ำได้ดีและมีผลในการทำให้ข้น จึงช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงาน โดยทั่วไปแล้ว CE ที่ไม่ใช่อิออนจะใช้ ได้แก่ เมทิลเซลลูโลส (MC) ไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลส (HEC) ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส (HPMC)ไฮดรอกซีเอทิลเมทิลเซลลูโลส (HEMC)ฯลฯ และ CE มีบทบาทในปูนที่ผสมใหม่ แต่ยังส่งผลต่อกระบวนการไฮเดรชั่นของสารละลายซีเมนต์ด้วย การศึกษาวิจัยแสดงให้เห็นว่า HEMC เปลี่ยนแปลงปริมาณ AFt ที่ผลิตขึ้นเป็นผลิตภัณฑ์ไฮเดรชั่น อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีการศึกษาวิจัยใดที่เปรียบเทียบผลกระทบของ CE ต่อสัณฐานวิทยาจุลภาคของ AFt อย่างเป็นระบบ ดังนั้น เอกสารฉบับนี้จึงสำรวจความแตกต่างของผลกระทบของ HEMC และ MC ต่อสัณฐานวิทยาจุลภาคของเอตริงแฮมในสารละลายซีเมนต์ระยะเริ่มต้น (1 วัน) ผ่านการวิเคราะห์ภาพและการเปรียบเทียบ

1. การทดลอง

1.1 วัตถุดิบ

ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ P·II 52.5R ที่ผลิตโดย Anhui Conch Cement Co., LTD ถูกเลือกเป็นปูนซีเมนต์ในการทดลอง เซลลูโลสอีเธอร์สองชนิดคือ ไฮดรอกซีเอทิลเมทิลเซลลูโลส (HEMC) และเมทิลเซลลูโลส (เมทิลเซลลูโลส Shanghai Sinopath Group) ตามลำดับ MC); น้ำที่ใช้ผสมคือน้ำประปา

1.2 วิธีการทดลอง

อัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์ของตัวอย่างซีเมนต์เพสต์คือ 0.4 (อัตราส่วนมวลของน้ำต่อซีเมนต์) และเนื้อหาของเซลลูโลสอีเธอร์คือ 1% ของมวลซีเมนต์ การเตรียมตัวอย่างดำเนินการตาม GB1346-2011 “วิธีการทดสอบการใช้น้ำ เวลาในการก่อตัว และความเสถียรของความสม่ำเสมอของมาตรฐานซีเมนต์” หลังจากขึ้นรูปตัวอย่างแล้ว ฟิล์มพลาสติกจะถูกห่อหุ้มบนพื้นผิวของแม่พิมพ์เพื่อป้องกันการระเหยของน้ำบนพื้นผิวและการคาร์บอไนเซชัน และตัวอย่างจะถูกวางไว้ในห้องบ่มที่มีอุณหภูมิ (20±2)℃ และความชื้นสัมพัทธ์ (60±5) % หลังจากผ่านไป 1 วัน ให้ถอดแม่พิมพ์ออก และทำลายตัวอย่าง จากนั้นจึงนำตัวอย่างขนาดเล็กจากตรงกลางและแช่ในเอธานอลที่ปราศจากน้ำเพื่อหยุดการไฮเดรชั่น จากนั้นจึงนำตัวอย่างออกและทำให้แห้งก่อนการทดสอบ ตัวอย่างที่แห้งแล้วถูกติดกาวเข้ากับโต๊ะตัวอย่างด้วยกาวสองหน้าที่มีสภาพเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า และชั้นฟิล์มทองถูกพ่นบนพื้นผิวด้วยเครื่องพ่นไอออนอัตโนมัติ Cressington 108auto กระแสการพ่นคือ 20 mA และเวลาในการพ่นคือ 60 วินาที ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดสิ่งแวดล้อม FEI QUANTAFEG 650 (ESEM) เพื่อสังเกตลักษณะทางสัณฐานวิทยาของ AFt บนส่วนตัวอย่าง ใช้โหมดอิเล็กตรอนทุติยภูมิสุญญากาศสูงเพื่อสังเกต AFT แรงดันไฟฟ้าเร่งความเร็วคือ 15 กิโลโวลต์ เส้นผ่านศูนย์กลางจุดลำแสงคือ 3.0 นาโนเมตร และระยะการทำงานถูกควบคุมไว้ที่ประมาณ 10 มม.

2. ผลการศึกษาและการอภิปราย

ภาพ SEM ของเอททริงไจต์ในสารละลายซีเมนต์ที่ดัดแปลงด้วย HEMC แข็งตัวแสดงให้เห็นว่าการเจริญเติบโตของ Ca (OH)2(CH) แบบเป็นชั้นในทิศทางนั้นชัดเจน และ AFt แสดงให้เห็นการสะสมของ AFt ที่มีลักษณะแท่งสั้นที่ไม่สม่ำเสมอ และ AFT ที่มีลักษณะแท่งสั้นบางส่วนถูกปกคลุมด้วยโครงสร้างเมมเบรนของ HEMC จางตงฟางและคณะยังพบ AFt ที่มีลักษณะแท่งสั้นเมื่อสังเกตการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคของสารละลายซีเมนต์ที่ดัดแปลงด้วย HEMC ผ่าน ESEM พวกเขาเชื่อว่าสารละลายซีเมนต์ทั่วไปมีปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วหลังจากสัมผัสกับน้ำ ดังนั้นผลึก AFt จึงเรียว และการขยายอายุไฮเดรชั่นทำให้อัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม HEMC ทำให้ความหนืดของสารละลายเพิ่มขึ้น ลดอัตราการจับตัวของไอออนในสารละลาย และทำให้การมาถึงของน้ำบนพื้นผิวของอนุภาคคลิงเกอร์ล่าช้า ดังนั้น อัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของ AFt จึงเพิ่มขึ้นในแนวโน้มที่อ่อนแอ และลักษณะทางสัณฐานวิทยาของมันแสดงให้เห็นรูปร่างคล้ายแท่งสั้น เมื่อเปรียบเทียบกับ AFt ในสารละลายซีเมนต์ธรรมดาที่มีอายุเท่ากัน ทฤษฎีนี้ได้รับการพิสูจน์บางส่วนแล้ว แต่ไม่สามารถนำไปใช้เพื่ออธิบายการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของ AFt ในสารละลายซีเมนต์ที่ดัดแปลงด้วย MC ได้ ภาพ SEM ของเอททรไดต์ในสารละลายซีเมนต์ที่ดัดแปลงด้วย MC ที่แข็งตัว 1 วันยังแสดงให้เห็นการเจริญเติบโตแบบมีทิศทางของ Ca(OH)2 ที่เป็นชั้นๆ พื้นผิว AFt บางส่วนยังถูกปกคลุมด้วยโครงสร้างฟิล์มของ MC และ AFt แสดงลักษณะทางสัณฐานวิทยาของการเจริญเติบโตแบบคลัสเตอร์ อย่างไรก็ตาม เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว ผลึก AFt ในสารละลายซีเมนต์ที่ดัดแปลงด้วย MC มีอัตราส่วนความยาว-เส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่กว่าและมีสัณฐานวิทยาที่เพรียวบางกว่า ซึ่งแสดงให้เห็นสัณฐานวิทยาของเข็มแบบทั่วไป

ทั้ง HEMC และ MC ทำให้กระบวนการไฮเดรชั่นในช่วงต้นของซีเมนต์ล่าช้าและเพิ่มความหนืดของสารละลาย แต่ความแตกต่างในลักษณะทางสัณฐานวิทยาของ AFt ที่เกิดจากทั้งสองอย่างยังคงมีความสำคัญ ปรากฏการณ์ดังกล่าวข้างต้นสามารถอธิบายเพิ่มเติมได้จากมุมมองของโครงสร้างโมเลกุลของเซลลูโลสอีเธอร์และโครงสร้างผลึก AFt Renaudin และคณะแช่ AFt ที่สังเคราะห์ในสารละลายอัลคาไลที่เตรียมไว้เพื่อให้ได้ "AFt ที่เปียก" และนำออกบางส่วนแล้วทำให้แห้งบนพื้นผิวของสารละลาย CaCl2 ที่อิ่มตัว (ความชื้นสัมพัทธ์ 35%) เพื่อให้ได้ "AFt ที่แห้ง" หลังจากการศึกษาการปรับโครงสร้างโดยใช้สเปกโตรสโคปีรามานและการเลี้ยวเบนของผงเอ็กซ์เรย์ พบว่าไม่มีความแตกต่างระหว่างโครงสร้างทั้งสอง มีเพียงทิศทางของการก่อตัวของผลึกของเซลล์ที่เปลี่ยนไปในกระบวนการอบแห้ง นั่นคือ ในกระบวนการเปลี่ยนสภาพแวดล้อมจาก "เปียก" เป็น "แห้ง" ผลึก AFt ก่อตัวเป็นเซลล์ตามทิศทางปกติของ a เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ผลึก AFt ตามทิศทางปกติของ c มีจำนวนน้อยลงเรื่อยๆ หน่วยพื้นฐานที่สุดของปริภูมิสามมิติประกอบด้วยเส้นปกติ เส้นปกติ b และเส้นปกติ c ซึ่งตั้งฉากกัน ในกรณีที่เส้นปกติ b ถูกกำหนด ผลึก AFt จะรวมกลุ่มกันตามแนวปกติ ส่งผลให้หน้าตัดเซลล์ขยายใหญ่ขึ้นในระนาบของเส้นปกติ ab ดังนั้น หาก HEMC “เก็บ” น้ำได้มากกว่า MC สภาพแวดล้อม “แห้ง” อาจเกิดขึ้นได้ในบริเวณเฉพาะที่ ซึ่งส่งเสริมการรวมตัวด้านข้างและการเติบโตของผลึก AFt Patural และคณะพบว่าสำหรับ CE เอง ยิ่งระดับของการเกิดพอลิเมอไรเซชันสูงขึ้น (หรือมีน้ำหนักโมเลกุลมากขึ้น) ความหนืดของ CE ก็จะมากขึ้น และประสิทธิภาพในการกักเก็บน้ำก็จะดีขึ้น โครงสร้างโมเลกุลของ HEMC และ MCS สนับสนุนสมมติฐานนี้ โดยกลุ่มไฮดรอกซีเอทิลมีน้ำหนักโมเลกุลมากกว่ากลุ่มไฮโดรเจนมาก

โดยทั่วไป ผลึก AFt จะก่อตัวและตกตะกอนเมื่อไอออนที่เกี่ยวข้องถึงจุดอิ่มตัวในระบบสารละลายเท่านั้น ดังนั้น ปัจจัยต่างๆ เช่น ความเข้มข้นของไอออน อุณหภูมิ ค่า pH และพื้นที่ก่อตัวในสารละลายปฏิกิริยาอาจส่งผลต่อสัณฐานวิทยาของผลึก AFt ได้อย่างมีนัยสำคัญ และการเปลี่ยนแปลงในเงื่อนไขการสังเคราะห์เทียมอาจเปลี่ยนสัณฐานวิทยาของผลึก AFt ได้ ดังนั้น อัตราส่วนของผลึก AFt ในสารละลายซีเมนต์ทั่วไประหว่างทั้งสองอาจเกิดจากปัจจัยเดียวคือการใช้น้ำในช่วงเริ่มต้นของการไฮเดรชั่นของซีเมนต์ อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างในสัณฐานวิทยาของผลึก AFt ที่เกิดจาก HEMC และ MC ควรเกิดจากกลไกการกักเก็บน้ำพิเศษเป็นหลัก Hemcs และ MCS สร้าง "วงจรปิด" ของการขนส่งน้ำภายในไมโครโซนของสารละลายซีเมนต์สด ทำให้เกิด "ช่วงเวลาสั้นๆ" ที่ "น้ำเข้าได้ง่ายและออกได้ยาก" อย่างไรก็ตาม ในช่วงเวลาดังกล่าว สภาพแวดล้อมของเฟสของเหลวในและใกล้ไมโครโซนก็เปลี่ยนไปเช่นกัน ปัจจัยต่างๆ เช่น ความเข้มข้นของไอออน ค่า pH เป็นต้น การเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมการเจริญเติบโตยังสะท้อนให้เห็นเพิ่มเติมในลักษณะทางสัณฐานวิทยาของผลึก AFt การขนส่งน้ำแบบ "วงจรปิด" นี้คล้ายกับกลไกการทำงานที่อธิบายโดย Pourchez et al. HPMC มีบทบาทในการกักเก็บน้ำ

3. บทสรุป

(1) การเติมไฮดรอกซีเอทิลเมทิลเซลลูโลสอีเธอร์ (HEMC) และเมทิลเซลลูโลสอีเธอร์ (MC) สามารถเปลี่ยนสัณฐานวิทยาของเอทริงไจต์ในสารละลายซีเมนต์ธรรมดาขั้นต้น (1 วัน) ได้อย่างมีนัยสำคัญ

(2) ความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลางของผลึกเอททริงไนต์ในสารละลายซีเมนต์ที่ดัดแปลงด้วย HEMC มีขนาดเล็กและมีรูปร่างเป็นแท่งสั้น อัตราส่วนความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลางของผลึกเอททริงไนต์ในสารละลายซีเมนต์ที่ดัดแปลงด้วย MC มีขนาดใหญ่ ซึ่งมีรูปร่างเป็นแท่งเข็ม ผลึกเอททริงไนต์ในสารละลายซีเมนต์ทั่วไปมีอัตราส่วนด้านระหว่างทั้งสองนี้

(3) ผลกระทบที่แตกต่างกันของเซลลูโลสอีเธอร์สองชนิดต่อสัณฐานวิทยาของเอทริงไกต์นั้น เกิดจากความแตกต่างของน้ำหนักโมเลกุลเป็นหลัก