تأثیر اتر سلولز بر گرمای هیدراتاسیون سیمان های مختلف و سنگ معدنی

اثرات اتر سلولز بر گرمای هیدراتاسیون سیمان پرتلند، سیمان سولفوآلومینات، سیلیکات تری کلسیم و آلومینات تری کلسیم در 72 ساعت با آزمون کالریمتری همدما مقایسه شد. نتایج نشان می‌دهد که اتر سلولز می‌تواند به طور قابل‌توجهی میزان هیدراتاسیون و رهاسازی حرارت سیمان پرتلند و سیلیکات تری کلسیم را کاهش دهد و اثر کاهشی بر هیدراتاسیون و سرعت آزادسازی حرارت تری کلسیم سیلیکات بیشتر است. اثر اتر سلولز بر کاهش سرعت آزاد شدن حرارت هیدراتاسیون سیمان سولفوآلومینات بسیار ضعیف است، اما تأثیر ضعیفی بر بهبود سرعت آزادسازی حرارت هیدراتاسیون تری کلسیم آلومینات دارد. اتر سلولزی توسط برخی از محصولات هیدراتاسیون جذب می شود، بنابراین کریستالیزاسیون محصولات هیدراتاسیون را به تأخیر می اندازد و سپس بر سرعت انتشار گرمای هیدراتاسیون سیمان و سنگ معدن تأثیر می گذارد.

کلمات کلیدی:اتر سلولز؛ سیمان؛ تک سنگ معدن؛ گرمای هیدراتاسیون؛ جذب

1. مقدمه

اتر سلولزی یک عامل غلیظ کننده مهم و عامل نگهدارنده آب در ملات مخلوط خشک، بتن خود متراکم و سایر مواد جدید مبتنی بر سیمان است. با این حال، اتر سلولز هیدراتاسیون سیمان را نیز به تاخیر می اندازد، که منجر به بهبود زمان عملیاتی مواد مبتنی بر سیمان، بهبود قوام ملات و کاهش زمان اسلامپ بتن می شود، اما همچنین ممکن است پیشرفت ساخت و ساز را به تاخیر بیندازد. به ویژه اثرات نامطلوبی بر ملات و بتن مورد استفاده در شرایط محیطی با دمای پایین خواهد داشت. بنابراین، درک قانون اتر سلولز بر سینتیک هیدراتاسیون سیمان بسیار مهم است.

OU و پورچز به طور سیستماتیک اثرات پارامترهای مولکولی مانند وزن مولکولی اتر سلولز، نوع جایگزین یا درجه جانشینی را بر سینتیک هیدراتاسیون سیمان مورد مطالعه قرار دادند و به نتایج مهم بسیاری رسیدند: توانایی اتر هیدروکسی اتیل سلولز (HEC) در به تاخیر انداختن هیدراتاسیون سیمان. سیمان معمولاً از اتر متیل سلولز (HPMC)، اتر هیدروکسی متیل اتیل سلولز (HEMC) و متیل سلولز اتر (MC) قوی تر است. در اتر سلولز حاوی متیل، هرچه محتوای متیل کمتر باشد، توانایی به تاخیر انداختن هیدراتاسیون سیمان قوی‌تر است. هرچه وزن مولکولی اتر سلولز کمتر باشد، توانایی به تاخیر انداختن هیدراتاسیون سیمان قوی تر است. این نتایج مبنای علمی برای انتخاب صحیح اتر سلولز فراهم می کند.

برای اجزای مختلف سیمان، تأثیر اتر سلولز بر سینتیک هیدراتاسیون سیمان نیز یک مشکل بسیار نگران کننده در کاربردهای مهندسی است. با این حال، هیچ تحقیقی در این زمینه وجود ندارد. در این مقاله، تأثیر اتر سلولز بر سینتیک هیدراتاسیون سیمان پرتلند معمولی، C3S (سیلیکات تری کلسیم)، C3A (آلومینات تری کلسیم) و سیمان سولفوآلومینات (SAC) از طریق آزمون کالریمتری همدما مورد بررسی قرار گرفت تا به درک بیشتر برهمکنش و مکانیسم داخلی بین اتر سلولز و محصولات هیدراتاسیون سیمان این پایه علمی بیشتر برای استفاده منطقی از اتر سلولز در مواد مبتنی بر سیمان و همچنین مبنای تحقیقاتی برای تعامل بین سایر افزودنی ها و محصولات هیدراتاسیون سیمان فراهم می کند.

2. تست کنید

2.1 مواد خام

(1) سیمان پرتلند معمولی (P·0). تولید شده توسط Wuhan Huaxin Cement Co., LTD.، مشخصات P·042.5 (GB 175-2007) است که توسط طیف سنج فلورسانس پرتو ایکس از نوع پراکندگی طول موج تعیین می شود (AXIOS advanced, PANalytical Co., LTD.). بر اساس تحلیل نرم افزار JADE 5.0، علاوه بر مواد معدنی کلینکر سیمانی C3S، C2s، C3A، C4AF و گچ، مواد اولیه سیمان شامل کربنات کلسیم نیز می باشد.

(2) سیمان سولفوآلومینات (SAC). سیمان سولفوآلومینات سخت سریع تولید شده توسط شرکت صنعت سیمان Zhengzhou Wang Lou، R.Star 42.5 (GB 20472-2006) است. گروه های اصلی آن سولفوآلومینات کلسیم و سیلیکات دی کلسیم است.

(3) سیلیکات تری کلسیم (C3S). فشار Ca(OH)2، SiO2، Co2O3 و H2O در 3:1:0.08: نسبت جرمی 10 به طور مساوی مخلوط شده و تحت فشار ثابت 60MPa فشرده شد تا بیلت سبز استوانه ای شکل بگیرد. بیلت در دمای 1400 درجه سانتیگراد به مدت 1.5 تا 2 ساعت در یک کوره الکتریکی با دمای بالا با میله سیلیکون مولیبدن کلسینه شد و سپس برای گرم کردن مایکروویو بیشتر به مدت 40 دقیقه به داخل اجاق مایکروویو منتقل شد. پس از بیرون آوردن بیلت، آن را به طور ناگهانی سرد کرده و به طور مکرر شکسته و کلسینه کردند تا اینکه محتوای CaO آزاد در محصول نهایی کمتر از 1.0 درصد شود.

(4) آلومینات تری کلسیم (c3A). CaO و A12O3 به طور یکنواخت مخلوط شدند، در دمای 1450 درجه سانتیگراد به مدت 4 ساعت در یک کوره الکتریکی میله سیلیکون مولیبدن کلسینه شدند، به پودر تبدیل شدند و به طور مکرر کلسینه شدند تا اینکه محتوای CaO آزاد کمتر از 1.0٪ شود و پیک های C12A7 و CA به دست آمد. نادیده گرفته شده است.

(5) اتر سلولز. کار قبلی اثرات 16 نوع اتر سلولز را بر هیدراتاسیون و سرعت آزادسازی گرما سیمان پرتلند معمولی مقایسه کرد و دریافت که انواع مختلف اترهای سلولز تفاوت های قابل توجهی بر روی قانون هیدراتاسیون و رهایش حرارت سیمان دارند و مکانیسم داخلی آن را تحلیل کرد. از این تفاوت قابل توجه با توجه به نتایج مطالعه قبلی، سه نوع اتر سلولزی که دارای اثر کند کنندگی آشکار بر روی سیمان پرتلند معمولی بودند، انتخاب شدند. اینها شامل اتر هیدروکسی اتیل سلولز (HEC)، هیدروکسی پروپیل متیل سلولز اتر (HPMC) و هیدروکسی اتیل متیل سلولز اتر (HEMC) است. ویسکوزیته اتر سلولز توسط ویسکومتر چرخشی با غلظت آزمایشی 2 درصد، دمای 20 درجه سانتیگراد و سرعت چرخش 12 دور در دقیقه اندازه گیری شد. ویسکوزیته اتر سلولز توسط ویسکومتر چرخشی با غلظت آزمایشی 2 درصد، دمای 20 درجه سانتیگراد و سرعت چرخش 12 دور در دقیقه اندازه گیری شد. درجه جایگزینی مولی اتر سلولز توسط سازنده ارائه می شود.

(6) آب. از آب مقطر ثانویه استفاده کنید.

2.2 روش تست

گرمای هیدراتاسیون. گرماسنج همدما 8 کانال TAM Air تولید شده توسط شرکت TA Instrument به تصویب رسید. تمام مواد خام قبل از آزمایش در دمای آزمایش (مانند (0.5±20) درجه سانتیگراد) در دمای ثابت نگه داشته شدند. ابتدا 3 گرم سیمان و 18 میلی گرم پودر سلولز اتر به کالری سنج اضافه شد (نسبت جرمی اتر سلولز به ماده سملیتی 6/0 درصد بود). پس از اختلاط کامل، آب مخلوط (آب مقطر ثانویه) با توجه به نسبت آب به سیمان مشخص شده اضافه شد و به طور یکنواخت هم زد. سپس به سرعت برای آزمایش در کالری سنج قرار داده شد. نسبت آب به اتصال دهنده c3A 1.1 و نسبت آب به اتصال دهنده سه ماده سیمانی دیگر 0.45 است.

3. نتایج و بحث

3.1 نتایج آزمون

اثرات HEC، HPMC و HEMC بر سرعت انتشار گرمای هیدراتاسیون و سرعت آزادسازی حرارت تجمعی سیمان پرتلند معمولی، C3S و C3A در طی 72 ساعت، و اثرات HEC بر سرعت آزادسازی گرمای هیدراتاسیون و سرعت آزادسازی حرارت تجمعی سیمان سولفوآلومینات در عرض 72 ساعت، HEC اتر سلولزی است که بیشترین اثر تاخیری را در هیدراتاسیون سایر سیمان و سنگ معدنی دارد. با ترکیب این دو اثر، می توان دریافت که با تغییر ترکیب مواد سیمانی، اتر سلولز اثرات متفاوتی بر سرعت رهاسازی گرمای هیدراتاسیون و انتشار گرمای تجمعی دارد. اتر سلولز انتخاب شده می تواند به طور قابل توجهی میزان هیدراتاسیون و انتشار حرارت سیمان پرتلند معمولی و C، S را کاهش دهد، عمدتاً زمان دوره القاء را طولانی می کند، ظهور هیدراتاسیون و پیک انتشار گرما را به تاخیر می اندازد، از جمله اتر سلولز به هیدراتاسیون C، S و تاخیر سرعت انتشار گرما از هیدراتاسیون سیمان پرتلند معمولی و تاخیر سرعت انتشار گرما واضح تر است. اتر سلولز همچنین می تواند سرعت انتشار حرارت هیدراتاسیون سیمان سولفوآلومینات را به تاخیر بیندازد، اما توانایی تاخیر بسیار ضعیف است و عمدتا هیدراتاسیون را پس از 2 ساعت به تاخیر می اندازد. برای سرعت انتشار حرارت هیدراتاسیون C3A، اتر سلولز توانایی شتاب دهی ضعیفی دارد.

3.2 تجزیه و تحلیل و بحث

مکانیسم اتر سلولزی هیدراتاسیون سیمان را به تاخیر می اندازد. سیلوا و همکاران فرضیه این است که اتر سلولزی ویسکوزیته محلول منفذی را افزایش داده و از سرعت حرکت یونی جلوگیری می کند، بنابراین هیدراتاسیون سیمان را به تاخیر می اندازد. با این حال، بسیاری از ادبیات این فرض را مورد تردید قرار داده اند، زیرا آزمایشات آنها نشان داده است که اترهای سلولزی با ویسکوزیته پایین تر، توانایی قوی تری در به تاخیر انداختن هیدراتاسیون سیمان دارند. در واقع، زمان جابجایی یا مهاجرت یون به قدری کوتاه است که به وضوح قابل مقایسه با زمان تاخیر هیدراتاسیون سیمان نیست. جذب بین اتر سلولز و محصولات هیدراتاسیون سیمان دلیل واقعی تاخیر در هیدراتاسیون سیمان توسط اتر سلولزی در نظر گرفته می شود. اتر سلولز به راحتی به سطح محصولات هیدراتاسیون مانند هیدروکسید کلسیم، ژل CSH و هیدرات آلومینات کلسیم جذب می شود، اما جذب اترینگیت و فاز هیدراته نشده آسان نیست و ظرفیت جذب اتر سلولز بر روی هیدروکسید کلسیم بیشتر از آن است. ژل CSH بنابراین، برای محصولات معمولی هیدراتاسیون سیمان پرتلند، اتر سلولز دارای بیشترین تاخیر در هیدروکسید کلسیم، قوی ترین تاخیر در کلسیم، دومین تاخیر در ژل CSH و ضعیف ترین تاخیر در اترینگیت است.

مطالعات قبلی نشان داده اند که جذب بین پلی ساکارید غیر یونی و فاز معدنی عمدتاً شامل پیوند هیدروژنی و کمپلکس شدن شیمیایی است و این دو اثر بین گروه هیدروکسیل پلی ساکارید و هیدروکسید فلز روی سطح معدنی رخ می دهد. لیو و همکاران بیشتر جذب بین پلی ساکاریدها و هیدروکسیدهای فلزی را به عنوان برهمکنش اسید-باز، با پلی ساکاریدها به عنوان اسید و هیدروکسیدهای فلزی به عنوان باز طبقه بندی کرد. برای یک پلی ساکارید معین، قلیایی بودن سطح کانی، قدرت برهمکنش بین پلی ساکاریدها و مواد معدنی را تعیین می کند. از میان چهار جزء ژل‌کننده مورد مطالعه در این مقاله، عناصر اصلی فلزی یا غیرفلزی شامل Ca، Al و Si می‌باشند. با توجه به ترتیب فعالیت فلز، قلیاییت هیدروکسیدهای آنها Ca(OH)2>Al(OH3>Si(OH)4 است.در واقع محلول Si(OH)4 اسیدی است و اتر سلولز را جذب نمی کند. محتوای Ca(OH)2 روی سطح محصولات هیدراتاسیون سیمان ظرفیت جذب محصولات هیدراتاسیون و سلولز اتر را تعیین می کند زیرا هیدروکسید کلسیم، ژل CSH (3CaO·2SiO2·3H20)، اترینگیت (3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O) و هیدرات آلومینات کلسیم (3CaO·Al2O3·6H2O) در محتوای اکسیدهای معدنی CaO 100٪، 58.33٪، 49.56٪ و 62.2٪ است، بنابراین، ترتیب ظرفیت جذب آنها با اتر سلولز، کلسیم هیدروکسید است. آلومینات > ژل CSH > اترینگیت، که با نتایج موجود در ادبیات مطابقت دارد.

محصولات هیدراتاسیون c3S عمدتاً شامل ژل Ca(OH) و csH است و اتر سلولز اثر تاخیری خوبی بر روی آنها دارد. بنابراین، اتر سلولز تاخیر بسیار آشکاری در هیدراتاسیون C3 دارد. علاوه بر c3S، سیمان پرتلند معمولی همچنین حاوی هیدراتاسیون C2s است که کندتر است، که باعث می‌شود اثر تاخیری اتر سلولز در مراحل اولیه آشکار نباشد. محصولات هیدراتاسیون سیلیکات معمولی نیز شامل اترینگیت است و اثر تاخیری اتر سلولز ضعیف است. بنابراین، توانایی تاخیر اتر سلولز به c3s قوی تر از سیمان پرتلند معمولی است که در آزمایش مشاهده شد.

C3A در هنگام برخورد با آب به سرعت حل و هیدراته می شود و محصولات هیدراتاسیون معمولاً C2AH8 و c4AH13 هستند و گرمای هیدراتاسیون آزاد می شود. هنگامی که محلول C2AH8 و c4AH13 به حد اشباع رسید، تبلور هیدرات ورقه شش ضلعی C2AH8 و C4AH13 تشکیل می شود و سرعت واکنش و گرمای هیدراتاسیون همزمان کاهش می یابد. به دلیل جذب اتر سلولز به سطح هیدرات آلومینات کلسیم (CxAHy)، وجود اتر سلولز باعث تاخیر در کریستالیزاسیون هیدرات صفحه شش ضلعی C2AH8 و C4AH13 می شود که در نتیجه سرعت واکنش و سرعت انتشار حرارت هیدراتاسیون کاهش می یابد. از C3A خالص، که نشان می دهد اتر سلولز توانایی شتاب ضعیفی برای هیدراتاسیون C3A دارد. شایان ذکر است که در این آزمایش اتر سلولز توانایی شتاب دهی ضعیفی برای هیدراتاسیون c3A خالص دارد. با این حال، در سیمان پرتلند معمولی، چون c3A با گچ واکنش می دهد و اترینگیت را تشکیل می دهد، به دلیل تاثیر تعادل ca2+ در محلول دوغاب، اتر سلولز تشکیل اترینگیت را به تاخیر می اندازد و در نتیجه هیدراتاسیون c3A را به تاخیر می اندازد.

از اثرات HEC، HPMC و HEMC بر هیدراتاسیون و سرعت آزادسازی گرما و انتشار گرمای تجمعی سیمان پرتلند معمولی، C3S و C3A در طی 72 ساعت، و اثرات HEC بر هیدراتاسیون و سرعت آزادسازی گرما و انتشار حرارت تجمعی سولفوآلومینات سیمان در 72 ساعت، مشاهده می‌شود که از بین سه اتر سلولزی انتخاب شده، توانایی هیدراتاسیون تاخیری c3s و سیمان پرتلند در HEC قوی‌ترین، پس از HEMC و در HPMC ضعیف‌ترین بود. تا آنجا که به C3A مربوط می شود، توانایی سه اتر سلولزی برای تسریع هیدراتاسیون نیز به همین ترتیب است، یعنی HEC قوی ترین، HEMC دوم، HPMC ضعیف ترین و قوی ترین است. این دو طرف تایید کرد که اتر سلولز تشکیل محصولات هیدراتاسیون مواد ژل را به تاخیر انداخته است.

محصولات اصلی هیدراتاسیون سیمان سولفوآلومینات اترینگیت و ژل Al(OH)3 می باشد. C2S در سیمان سولفوآلومینات نیز به طور جداگانه هیدراته می شود و ژل Ca(OH)2 و cSH را تشکیل می دهد. از آنجا که جذب اتر سلولز و اترینگیت را می توان نادیده گرفت و هیدراتاسیون سولفوآلومینات بسیار سریع است، بنابراین، در مراحل اولیه هیدراتاسیون، اتر سلولز تأثیر کمی بر سرعت انتشار گرمای هیدراتاسیون سیمان سولفوآلومینات دارد. اما تا زمان معینی هیدراتاسیون، چون c2s به طور جداگانه هیدراته می شوند تا ژل Ca(OH)2 و CSH تولید کنند، این دو محصول هیدراتاسیون توسط اتر سلولز به تاخیر می افتند. بنابراین مشاهده شد که اتر سلولز هیدراتاسیون سیمان سولفوآلومینات را پس از 2 ساعت به تاخیر انداخت.

4. نتیجه گیری

در این مقاله از طریق آزمون کالریمتری همدما، قانون تأثیر و مکانیسم تشکیل اتر سلولز بر گرمای هیدراتاسیون سیمان پرتلند معمولی، c3s، c3A، سیمان سولفوآلومینات و سایر اجزای مختلف و تک سنگ معدنی در 72 ساعت مقایسه شد. نتایج اصلی به شرح زیر است:

(1) سلولز اتر می تواند به طور قابل توجهی سرعت انتشار گرمای هیدراتاسیون سیمان پرتلند معمولی و سیلیکات تری کلسیم را کاهش دهد و اثر کاهش سرعت انتشار حرارت هیدراتاسیون سیلیکات تری کلسیم قابل توجه تر است. اثر اتر سلولز بر کاهش سرعت رهایش حرارت سیمان سولفوآلومینات بسیار ضعیف است، اما اثر ضعیفی بر بهبود سرعت آزادسازی حرارت آلومینات تری کلسیم دارد.

(2) اتر سلولز توسط برخی از محصولات هیدراتاسیون جذب می شود، بنابراین کریستالیزاسیون محصولات هیدراتاسیون را به تاخیر می اندازد و بر سرعت انتشار حرارت هیدراتاسیون سیمان تأثیر می گذارد. نوع و مقدار محصولات هیدراتاسیون برای اجزای مختلف سنگ معدن سیمان متفاوت است، بنابراین اثر اتر سلولز بر گرمای هیدراتاسیون آنها یکسان نیست.