Cellulose ether trên hình thái của ettringite sớm

Tác động của hydroxyethyl methyl cellulose ether và methyl cellulose ether lên hình thái của ettringite trong bùn xi măng sớm đã được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Kết quả cho thấy tỷ lệ chiều dài-đường kính của tinh thể ettringite trong bùn biến tính bằng hydroxyethyl methyl cellulose ether nhỏ hơn trong bùn thông thường và hình thái của tinh thể ettringite giống như thanh ngắn. Tỷ lệ chiều dài-đường kính của tinh thể ettringite trong bùn biến tính bằng methyl cellulose ether lớn hơn trong bùn thông thường và hình thái của tinh thể ettringite là thanh kim. Các tinh thể ettringite trong bùn xi măng thông thường có tỷ lệ khía cạnh nằm ở đâu đó ở giữa. Thông qua nghiên cứu thực nghiệm trên, rõ ràng hơn nữa rằng sự khác biệt về trọng lượng phân tử của hai loại ether cellulose là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hình thái của ettringite.

Từ khóa:ettringite; Tỷ lệ chiều dài-đường kính; Methyl cellulose ether; Hydroxyethyl methyl cellulose ether; hình thái

Ettringite, là một sản phẩm thủy hóa nở ra một chút, có tác động đáng kể đến hiệu suất của bê tông xi măng và luôn là điểm nóng nghiên cứu về vật liệu gốc xi măng. Ettringite là một loại canxi aluminat hydrat loại trisulfide, công thức hóa học của nó là [Ca3Al (OH)6·12H2O]2·(SO4)3·2H2O, hoặc có thể được viết là 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O, thường được viết tắt là AFt. Trong hệ thống xi măng Portland, ettringite chủ yếu được hình thành do phản ứng của thạch cao với khoáng chất aluminat hoặc aluminat sắt (III), đóng vai trò làm chậm quá trình thủy hóa và cường độ sớm của xi măng. Sự hình thành và hình thái của ettringite bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nhiệt độ, giá trị pH và nồng độ ion. Ngay từ năm 1976, Metha et al. sử dụng kính hiển vi điện tử quét để nghiên cứu các đặc điểm hình thái của AFt và phát hiện ra rằng hình thái của các sản phẩm hydrat hóa giãn nở nhẹ như vậy hơi khác nhau khi không gian phát triển đủ lớn và khi không gian bị hạn chế. Trước đây chủ yếu là các cầu hình kim thanh mảnh, trong khi sau này chủ yếu là lăng trụ hình que ngắn. Nghiên cứu của Yang Wenyan phát hiện ra rằng các dạng AFt khác nhau tùy theo môi trường bảo dưỡng khác nhau. Môi trường ẩm ướt sẽ làm chậm quá trình tạo ra AFt trong bê tông pha tạp giãn nở và làm tăng khả năng bê tông nở ra và nứt. Các môi trường khác nhau không chỉ ảnh hưởng đến sự hình thành và cấu trúc vi mô của AFt mà còn ảnh hưởng đến độ ổn định thể tích của nó. Chen Huxing và cộng sự phát hiện ra rằng độ ổn định lâu dài của AFt giảm khi hàm lượng C3A tăng. Clark và Monteiro và cộng sự phát hiện ra rằng khi áp suất môi trường tăng, cấu trúc tinh thể AFt thay đổi từ trật tự sang hỗn loạn. Balonis và Glasser đã xem xét các thay đổi về mật độ của AFm và AFt. Renaudin và cộng sự đã nghiên cứu các thay đổi về cấu trúc của AFt trước và sau khi ngâm trong dung dịch và các thông số cấu trúc của AFt trong phổ Raman. Kunther và cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác giữa tỷ lệ canxi-silicon gel CSH và ion sunfat lên áp suất kết tinh AFt bằng NMR. Đồng thời, dựa trên ứng dụng của AFt trong vật liệu gốc xi măng, Wenk và cộng sự đã nghiên cứu định hướng tinh thể AFt của mặt cắt bê tông thông qua công nghệ hoàn thiện nhiễu xạ tia X bức xạ synchrotron cứng. Sự hình thành AFt trong xi măng hỗn hợp và điểm nóng nghiên cứu của ettringite đã được khám phá. Dựa trên phản ứng ettringite bị trì hoãn, một số học giả đã tiến hành nhiều nghiên cứu về nguyên nhân của pha AFt.

Sự giãn nở thể tích do sự hình thành ettringite đôi khi có lợi và nó có thể hoạt động như một "chất giãn nở" tương tự như tác nhân giãn nở oxit magiê để duy trì độ ổn định thể tích của vật liệu gốc xi măng. Việc bổ sung nhũ tương polyme và bột nhũ tương phân tán lại làm thay đổi các tính chất vĩ mô của vật liệu gốc xi măng do tác động đáng kể của chúng lên cấu trúc vi mô của vật liệu gốc xi măng. Tuy nhiên, không giống như bột nhũ tương phân tán lại chủ yếu làm tăng tính chất liên kết của vữa đã đông cứng, ete cellulose polyme hòa tan trong nước (CE) mang lại cho vữa mới trộn khả năng giữ nước và làm đặc tốt, do đó cải thiện hiệu suất làm việc. CE không ion thường được sử dụng, bao gồm methyl cellulose (MC), hydroxyethyl cellulose (HEC), hydroxypropyl methyl cellulose (HPMC),hydroxyethyl methylcellulose (HEMC), v.v., và CE đóng vai trò trong vữa mới trộn nhưng cũng ảnh hưởng đến quá trình hydrat hóa của vữa xi măng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng HEMC làm thay đổi lượng AFt được tạo ra dưới dạng sản phẩm hydrat hóa. Tuy nhiên, không có nghiên cứu nào so sánh một cách có hệ thống tác động của CE lên hình thái vi mô của AFt, vì vậy bài báo này khám phá sự khác biệt về tác động của HEMC và MC lên hình thái vi mô của ettringham trong vữa xi măng sớm (1 ngày) thông qua phân tích hình ảnh và so sánh.

1. Thí nghiệm

1.1 Nguyên liệu thô

Xi măng Portland P·II 52.5R do Công ty TNHH Xi măng An Huy Conch sản xuất được chọn làm xi măng trong thí nghiệm. Hai ete xenlulo lần lượt là hydroxyethyl methylcellulose (HEMC) và methylcellulose (methylcellulose, Tập đoàn Sinopath Thượng Hải). MC); Nước trộn là nước máy.

1.2 Phương pháp thực nghiệm

Tỷ lệ nước-xi măng của mẫu hồ xi măng là 0,4 (tỷ lệ khối lượng của nước với xi măng), và hàm lượng ete xenluloza là 1% khối lượng xi măng. Việc chuẩn bị mẫu được thực hiện theo GB1346-2011 “Phương pháp thử nghiệm về mức tiêu thụ nước, thời gian đông kết và độ ổn định của độ đặc tiêu chuẩn xi măng”. Sau khi tạo mẫu, màng nhựa được bao bọc trên bề mặt khuôn để ngăn nước trên bề mặt bốc hơi và cacbon hóa, và mẫu được đặt trong phòng bảo dưỡng có nhiệt độ (20 ± 2) ℃ và độ ẩm tương đối (60 ± 5) %. Sau 1 ngày, khuôn được lấy ra và mẫu được phá vỡ, sau đó một mẫu nhỏ được lấy từ giữa và ngâm trong etanol khan để chấm dứt quá trình hydrat hóa, và mẫu được lấy ra và sấy khô trước khi thử nghiệm. Các mẫu đã khô được dán vào bàn mẫu bằng keo dán hai mặt dẫn điện và một lớp màng vàng được phun lên bề mặt bằng thiết bị phun ion tự động Cressington 108auto. Dòng điện phun là 20 mA và thời gian phun là 60 giây. Kính hiển vi điện tử quét môi trường FEI QUANTAFEG 650 (ESEM) được sử dụng để quan sát các đặc điểm hình thái của AFt trên phần mẫu. Chế độ điện tử thứ cấp chân không cao được sử dụng để quan sát AFT. Điện áp tăng tốc là 15 kV, đường kính điểm chùm tia là 3,0 nm và khoảng cách làm việc được kiểm soát ở khoảng 10 mm.

2. Kết quả và thảo luận

Hình ảnh SEM của ettringite trong vữa xi măng biến tính HEMC đã đông cứng cho thấy sự phát triển định hướng của Ca(OH)2(CH) phân lớp là rõ ràng, và AFt cho thấy sự tích tụ không đều của AFt dạng thanh ngắn, và một số AFT dạng thanh ngắn được phủ bằng cấu trúc màng HEMC. Zhang Dongfang và cộng sự cũng phát hiện thấy AFt dạng thanh ngắn khi quan sát những thay đổi về cấu trúc vi mô của vữa xi măng biến tính HEMC thông qua ESEM. Họ tin rằng vữa xi măng thông thường phản ứng nhanh sau khi gặp nước, do đó tinh thể AFt mảnh và việc kéo dài tuổi hydrat hóa dẫn đến tỷ lệ chiều dài-đường kính liên tục tăng. Tuy nhiên, HEMC làm tăng độ nhớt của dung dịch, làm giảm tốc độ liên kết của các ion trong dung dịch và làm chậm sự xuất hiện của nước trên bề mặt các hạt clinker, do đó tỷ lệ chiều dài-đường kính của AFt tăng theo xu hướng yếu và các đặc điểm hình thái của nó cho thấy hình dạng giống thanh ngắn. So với AFt trong bùn xi măng thông thường cùng độ tuổi, lý thuyết này đã được xác minh một phần, nhưng không áp dụng để giải thích những thay đổi về hình thái của AFt trong bùn xi măng biến tính MC. Hình ảnh SEM của ettridite trong bùn xi măng biến tính MC đông cứng trong 1 ngày cũng cho thấy sự phát triển định hướng của Ca(OH)2 dạng lớp, một số bề mặt AFt cũng được phủ bằng cấu trúc màng của MC và AFt cho thấy đặc điểm hình thái của sự phát triển cụm. Tuy nhiên, khi so sánh, tinh thể AFt trong bùn xi măng biến tính MC có tỷ lệ chiều dài-đường kính lớn hơn và hình thái mảnh hơn, cho thấy hình thái hình kim điển hình.

Cả HEMC và MC đều làm chậm quá trình hydrat hóa sớm của xi măng và làm tăng độ nhớt của dung dịch, nhưng sự khác biệt về đặc điểm hình thái AFt do chúng gây ra vẫn đáng kể. Các hiện tượng trên có thể được giải thích thêm từ góc độ cấu trúc phân tử của ete cellulose và cấu trúc tinh thể AFt. Renaudin và cộng sự đã ngâm AFt tổng hợp trong dung dịch kiềm đã chuẩn bị để thu được “AFt ướt”, và loại bỏ một phần và sấy khô trên bề mặt dung dịch CaCl2 bão hòa (độ ẩm tương đối 35%) để thu được “AFt khô”. Sau khi nghiên cứu tinh chỉnh cấu trúc bằng phổ Raman và nhiễu xạ bột tia X, người ta thấy rằng không có sự khác biệt giữa hai cấu trúc, chỉ có hướng hình thành tinh thể của các ô thay đổi trong quá trình sấy khô, nghĩa là trong quá trình thay đổi môi trường từ “ướt” sang “khô”, các tinh thể AFt hình thành các ô theo hướng pháp tuyến của a tăng dần. Các tinh thể AFt theo hướng pháp tuyến c ngày càng ít đi. Đơn vị cơ bản nhất của không gian ba chiều bao gồm một đường pháp tuyến, đường pháp tuyến b và đường pháp tuyến c vuông góc với nhau. Trong trường hợp b normals được cố định, các tinh thể AFt tập trung dọc theo a normals, dẫn đến mặt cắt ngang ô được mở rộng trong mặt phẳng ab normals. Do đó, nếu HEMC "lưu trữ" nhiều nước hơn MC, môi trường "khô" có thể xuất hiện ở một khu vực cục bộ, thúc đẩy sự kết tụ bên và phát triển của các tinh thể AFt. Patural và cộng sự phát hiện ra rằng đối với bản thân CE, mức độ trùng hợp càng cao (hoặc trọng lượng phân tử càng lớn), thì độ nhớt của CE càng lớn và hiệu suất giữ nước càng tốt. Cấu trúc phân tử của HEMC và MCS hỗ trợ cho giả thuyết này, với nhóm hydroxyethyl có trọng lượng phân tử lớn hơn nhiều so với nhóm hydro.

Nhìn chung, tinh thể AFt sẽ chỉ hình thành và kết tủa khi các ion liên quan đạt đến một mức bão hòa nhất định trong hệ thống dung dịch. Do đó, các yếu tố như nồng độ ion, nhiệt độ, giá trị pH và không gian hình thành trong dung dịch phản ứng có thể ảnh hưởng đáng kể đến hình thái của tinh thể AFt và những thay đổi trong điều kiện tổng hợp nhân tạo có thể thay đổi hình thái của tinh thể AFt. Do đó, tỷ lệ tinh thể AFt trong bùn xi măng thông thường giữa hai loại có thể là do yếu tố duy nhất là tiêu thụ nước trong quá trình hydrat hóa sớm của xi măng. Tuy nhiên, sự khác biệt về hình thái tinh thể AFt do HEMC và MC gây ra chủ yếu là do cơ chế giữ nước đặc biệt của chúng. Hemcs và MCS tạo ra một "vòng khép kín" vận chuyển nước trong vùng vi mô của bùn xi măng tươi, cho phép có một "khoảng thời gian ngắn" mà nước "dễ vào và khó ra". Tuy nhiên, trong khoảng thời gian này, môi trường pha lỏng trong và gần vùng vi mô cũng thay đổi. Các yếu tố như nồng độ ion, pH, v.v., Sự thay đổi của môi trường phát triển được phản ánh thêm trong các đặc điểm hình thái của tinh thể AFt. “Vòng khép kín” vận chuyển nước này tương tự như cơ chế hoạt động được mô tả bởi Pourchez và cộng sự. HPMC đóng vai trò giữ nước.

3. Kết luận

(1) Việc bổ sung ether hydroxyethyl methyl cellulose (HEMC) và ether methyl cellulose (MC) có thể làm thay đổi đáng kể hình thái của ettringite trong vữa xi măng thông thường ở giai đoạn đầu (1 ngày).

(2) Chiều dài và đường kính của tinh thể ettringite trong vữa xi măng biến tính HEMC có dạng thanh ngắn và nhỏ; Tỷ lệ chiều dài và đường kính của tinh thể ettringite trong vữa xi măng biến tính MC lớn, có dạng thanh kim. Các tinh thể ettringite trong vữa xi măng thông thường có tỷ lệ khía cạnh nằm giữa hai loại này.

(3) Các tác động khác nhau của hai ete xenluloza lên hình thái của ettringite về cơ bản là do sự khác biệt về trọng lượng phân tử.