เซลลูโลสอีเทอร์ต่อสัณฐานวิทยาของเอตทริงไทต์ในยุคแรก

ศึกษาผลของไฮดรอกซีเอทิลเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์และเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ต่อลักษณะทางสัณฐานวิทยาของเอตทริงไทต์ในสารละลายซีเมนต์ช่วงแรกโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ผลการวิจัยพบว่าอัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของผลึกเอตทริงไทต์ในสารละลายไฮดรอกซีเอทิลเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ที่ดัดแปลงนั้นมีขนาดเล็กกว่าอัตราส่วนในสารละลายธรรมดา และสัณฐานวิทยาของผลึกเอตทริงไทต์นั้นมีลักษณะคล้ายแท่งสั้น อัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของผลึกเอตทริงไทต์ในสารละลายดัดแปลงเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์มีขนาดใหญ่กว่าอัตราส่วนในสารละลายธรรมดา และสัณฐานวิทยาของผลึกเอตทริงไทต์เป็นแบบแท่งเข็ม ผลึกเอตทริงไทต์ในสารละลายซีเมนต์ธรรมดาจะมีอัตราส่วนอยู่ระหว่างนั้น จากการศึกษาเชิงทดลองข้างต้น ยังแสดงให้เห็นชัดเจนว่าความแตกต่างของน้ำหนักโมเลกุลของเซลลูโลสอีเทอร์สองชนิดเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่ส่งผลต่อสัณฐานวิทยาของเอตทริงไทต์

คำสำคัญ:เอตทริงไทต์; อัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลาง เมทิลเซลลูโลสอีเทอร์; ไฮดรอกซีเอทิลเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์; สัณฐานวิทยา

Ettringite เป็นผลิตภัณฑ์เพิ่มความชุ่มชื้นเล็กน้อย มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพของคอนกรีตซีเมนต์ และเป็นจุดสนใจในการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุที่ทำจากซีเมนต์มาโดยตลอด Ettringite เป็นแคลเซียมอะลูมิเนตไฮเดรตชนิดไตรซัลไฟด์ มีสูตรทางเคมีคือ [Ca3Al (OH)6·12H2O]2·(SO4)3·2H2O หรือเขียนเป็น 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O มักเรียกสั้น ๆ ว่า AFt . ในระบบซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ เอทริงไทต์ส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาของยิปซั่มกับแร่ธาตุอะลูมิเนตหรือเฟอร์ริกอะลูมิเนต ซึ่งมีบทบาทในการชะลอความชุ่มชื้นและความแข็งแรงของซีเมนต์ในระยะเริ่มต้น การก่อตัวและสัณฐานวิทยาของเอตทริงไทต์ได้รับผลกระทบจากหลายปัจจัย เช่น อุณหภูมิ ค่า pH และความเข้มข้นของไอออน ในช่วงต้นปี 1976 เมธาและคณะ ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดเพื่อศึกษาลักษณะทางสัณฐานวิทยาของ AFt และพบว่าสัณฐานวิทยาของผลิตภัณฑ์ที่ให้ความชุ่มชื้นที่ขยายตัวเล็กน้อยดังกล่าวจะแตกต่างกันเล็กน้อยเมื่อพื้นที่การเจริญเติบโตมีขนาดใหญ่เพียงพอและเมื่อพื้นที่มีจำกัด แบบแรกส่วนใหญ่เป็นทรงกลมคล้ายแท่งเข็มเรียว ในขณะที่แบบหลังส่วนใหญ่เป็นปริซึมทรงแท่งสั้น การวิจัยของ Yang Wenyan พบว่ารูปแบบ AFt แตกต่างกันไปตามสภาพแวดล้อมในการบ่มที่แตกต่างกัน สภาพแวดล้อมที่เปียกจะชะลอการสร้าง AFt ในคอนกรีตที่เจือด้วยส่วนขยาย และเพิ่มความเป็นไปได้ที่คอนกรีตจะบวมและแตกร้าว สภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันไม่เพียงส่งผลต่อการก่อตัวและโครงสร้างจุลภาคของ AFt เท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อความเสถียรของปริมาตรด้วย เฉิน Huxing และคณะ พบว่าความเสถียรในระยะยาวของ AFt ลดลงเมื่อมีปริมาณ C3A เพิ่มขึ้น คลาร์กและมอนเตโร และคณะ พบว่าด้วยความกดดันด้านสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มขึ้น โครงสร้างผลึก AFt จึงเปลี่ยนจากลำดับไปสู่ความผิดปกติ Balonis และ Glasser ตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของ AFm และ AFt เรอโนดิน และคณะ ศึกษาการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของ AFt ก่อนและหลังแช่ในสารละลายและพารามิเตอร์โครงสร้างของ AFt ในสเปกตรัมรามัน คุนเธอร์ และคณะ ศึกษาผลของอันตรกิริยาระหว่างอัตราส่วนแคลเซียม-ซิลิกอนของเจล CSH และซัลเฟตไอออนต่อความดันการตกผลึก AFt โดย NMR ในเวลาเดียวกัน จากการใช้ AFt ในวัสดุที่มีซีเมนต์เป็นหลัก Wenk และคณะ ศึกษาการวางแนวผลึก AFt ของหน้าตัดคอนกรีตโดยใช้เทคโนโลยีการเลี้ยวเบนรังสีเอ็กซ์เรย์ด้วยรังสีซินโครตรอนแบบแข็ง สำรวจการก่อตัวของ AFt ในปูนซีเมนต์ผสมและจุดสำคัญในการวิจัยของเอตทริงไทต์ จากปฏิกิริยาเอตริงไทต์ที่ล่าช้า นักวิชาการบางคนได้ทำการวิจัยมากมายเกี่ยวกับสาเหตุของระยะ AFt

การขยายตัวของปริมาตรที่เกิดจากการก่อตัวของเอทริงไทต์บางครั้งก็เป็นผลดี และสามารถทำหน้าที่เป็น "การขยายตัว" ได้คล้ายกับสารขยายตัวของแมกนีเซียมออกไซด์ เพื่อรักษาความเสถียรของปริมาตรของวัสดุที่ทำจากซีเมนต์ การเติมโพลีเมอร์อิมัลชันและผงอิมัลชันที่กระจายตัวได้จะเปลี่ยนคุณสมบัติการมองเห็นด้วยตาเปล่าของวัสดุที่ใช้ซีเมนต์ เนื่องจากมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อโครงสร้างจุลภาคของวัสดุที่ใช้ซีเมนต์ อย่างไรก็ตาม แตกต่างจากผงอิมัลชันที่กระจายตัวได้ซึ่งส่วนใหญ่จะเพิ่มคุณสมบัติการยึดเกาะของปูนที่แข็งตัวแล้ว โพลีเมอร์เซลลูโลสอีเทอร์ (CE) ที่ละลายน้ำได้ช่วยให้ปูนผสมใหม่กักเก็บน้ำได้ดีและมีฤทธิ์ทำให้ข้นขึ้น ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงาน โดยทั่วไปจะใช้ CE ที่ไม่ใช่ไอออนิก รวมถึงเมทิลเซลลูโลส (MC), ไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลส (HEC), ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส (HPMC)ไฮดรอกซีเอทิลเมทิลเซลลูโลส (HEMC)ฯลฯ และ CE มีบทบาทในปูนผสมใหม่ แต่ยังส่งผลต่อกระบวนการให้ความชุ่มชื้นของสารละลายซีเมนต์ด้วย การศึกษาพบว่า HEMC เปลี่ยนแปลงปริมาณ AFt ที่ผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ให้ความชุ่มชื้น อย่างไรก็ตาม ไม่มีการศึกษาใดที่เปรียบเทียบผลของ CE ต่อสัณฐานวิทยาด้วยกล้องจุลทรรศน์ของ AFt อย่างเป็นระบบ ดังนั้นบทความนี้จึงสำรวจความแตกต่างของผลกระทบของ HEMC และ MC ต่อสัณฐานวิทยาด้วยกล้องจุลทรรศน์ของ ettringham ในสารละลายซีเมนต์ช่วงแรก (1 วัน) ผ่านการวิเคราะห์ภาพและ การเปรียบเทียบ.

1. การทดลอง

1.1 วัตถุดิบ

ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ P·II 52.5R ที่ผลิตโดย Anhui Conch Cement Co., LTD ได้รับเลือกให้เป็นซีเมนต์ในการทดลอง เซลลูโลสอีเทอร์สองตัวคือไฮดรอกซีเอทิลเมทิลเซลลูโลส (HEMC) และเมทิลเซลลูโลส (เมทิลเซลลูโลส, กลุ่มเซี่ยงไฮ้ซิโนพาธ) ตามลำดับ เอ็มซี); น้ำผสมคือน้ำประปา

1.2 วิธีการทดลอง

อัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์ของตัวอย่างซีเมนต์เพสต์คือ 0.4 (อัตราส่วนมวลของน้ำต่อซีเมนต์) และปริมาณเซลลูโลสอีเทอร์คือ 1% ของมวลซีเมนต์ การเตรียมชิ้นงานทดสอบดำเนินการตาม GB1346-2011 “วิธีทดสอบการใช้น้ำ การตั้งค่าเวลา และความเสถียรของความสอดคล้องมาตรฐานซีเมนต์” หลังจากสร้างชิ้นงานแล้ว ฟิล์มพลาสติกจะถูกห่อหุ้มไว้บนพื้นผิวของแม่พิมพ์เพื่อป้องกันการระเหยของน้ำบนพื้นผิวและการเกิดคาร์บอน และวางชิ้นงานไว้ในห้องบ่มที่มีอุณหภูมิ (20±2)℃ และความชื้นสัมพัทธ์ (60±5) ) % หลังจากผ่านไป 1 วัน แม่พิมพ์จะถูกเอาออก และชิ้นงานก็แตกหัก จากนั้นจึงนำตัวอย่างเล็กๆ จากตรงกลางแล้วแช่ในเอทานอลแบบแอนไฮดรัสเพื่อยุติการให้ความชุ่มชื้น จากนั้นนำตัวอย่างออกมาและทำให้แห้งก่อนการทดสอบ ตัวอย่างที่แห้งจะถูกติดไว้บนโต๊ะตัวอย่างด้วยกาวสองหน้าที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า และชั้นของฟิล์มทองถูกพ่นบนพื้นผิวด้วยเครื่องสปัตเตอร์ไอออนอัตโนมัติ Cressington 108auto กระแสสปัตเตอร์คือ 20 mA และเวลาสปัตเตอร์คือ 60 วินาที กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนสิ่งแวดล้อม (ESEM) ของ FEI QUANTAFEG 650 ใช้เพื่อสังเกตลักษณะทางสัณฐานวิทยาของ AFt ในส่วนตัวอย่าง โหมดอิเล็กตรอนทุติยภูมิสุญญากาศสูงถูกใช้เพื่อสังเกต AFT แรงดันไฟฟ้าเร่งคือ 15 kV เส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงคือ 3.0 นาโนเมตร และควบคุมระยะการทำงานที่ประมาณ 10 มม.

2. ผลลัพธ์และการอภิปราย

ภาพ SEM ของเอตริงไทต์ในสารละลายซีเมนต์ที่ดัดแปลงด้วย HEMC ที่แข็งแล้ว แสดงให้เห็นว่าการเติบโตของการวางแนวของ Ca (OH)2(CH) ในชั้นนั้นชัดเจน และ AFt แสดงการสะสมของ AFt ที่มีลักษณะคล้ายแท่งสั้นอย่างผิดปกติ และ AFT ที่มีลักษณะคล้ายแท่งสั้นบางส่วนถูกปกคลุม ด้วยโครงสร้างเมมเบรน HEMC จาง ตงฟาง และคณะ ยังพบ AFt ที่มีลักษณะคล้ายแท่งสั้นเมื่อสังเกตการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคของสารละลายซีเมนต์ดัดแปลง HEMC ผ่าน ESEM พวกเขาเชื่อว่าสารละลายซีเมนต์ธรรมดาจะเกิดปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วหลังจากสัมผัสกับน้ำ ดังนั้นผลึก AFt จึงเรียวยาว และอายุความชุ่มชื้นที่ขยายออกไปทำให้อัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม HEMC เพิ่มความหนืดของสารละลาย ลดอัตราการจับตัวของไอออนในสารละลาย และชะลอการมาถึงของน้ำบนพื้นผิวของอนุภาคของปูนเม็ด ดังนั้นอัตราส่วนความยาว-เส้นผ่านศูนย์กลางของ AFt จึงเพิ่มขึ้นในแนวโน้มที่อ่อนแอ และลักษณะทางสัณฐานวิทยาของมันแสดงให้เห็น รูปร่างคล้ายก้านสั้น เมื่อเปรียบเทียบกับ AFt ในสารละลายซีเมนต์ธรรมดาที่มีอายุเท่ากัน ทฤษฎีนี้ได้รับการยืนยันบางส่วนแล้ว แต่ไม่สามารถอธิบายการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของ AFt ในสารละลายซีเมนต์ดัดแปลง MC ได้ ภาพ SEM ของเอตทริไดต์ในสารละลายซีเมนต์ดัดแปลง MC ที่แข็งตัวใน 1 วันยังแสดงให้เห็นการเจริญเติบโตในทิศทางของชั้น Ca(OH)2 พื้นผิว AFt บางส่วนยังถูกปกคลุมด้วยโครงสร้างฟิล์มของ MC และ AFt แสดงลักษณะทางสัณฐานวิทยาของการเติบโตของคลัสเตอร์ อย่างไรก็ตาม จากการเปรียบเทียบ ผลึก AFt ในสารละลายซีเมนต์ดัดแปลง MC มีอัตราส่วนความยาว-เส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่กว่าและมีสัณฐานวิทยาที่เพรียวบางกว่า ซึ่งแสดงลักษณะทางสัณฐานวิทยาของเข็มโดยทั่วไป

ทั้ง HEMC และ MC ชะลอกระบวนการให้ความชุ่มชื้นตั้งแต่เนิ่นๆ ของซีเมนต์ และเพิ่มความหนืดของสารละลาย แต่ความแตกต่างในลักษณะทางสัณฐานวิทยา AFt ที่เกิดจากสิ่งเหล่านี้ยังคงมีนัยสำคัญ ปรากฏการณ์ข้างต้นสามารถอธิบายเพิ่มเติมได้จากมุมมองของโครงสร้างโมเลกุลของเซลลูโลสอีเทอร์และโครงสร้างผลึก AFt เรอโนดิน และคณะ แช่ AFt ที่สังเคราะห์ไว้ในสารละลายอัลคาไลที่เตรียมไว้เพื่อให้ได้ "AFt แบบเปียก" แล้วนำออกบางส่วนและทำให้แห้งบนพื้นผิวของสารละลาย CaCl2 ที่อิ่มตัว (ความชื้นสัมพัทธ์ 35%) เพื่อให้ได้ "AFt แบบแห้ง" หลังจากการศึกษาการปรับแต่งโครงสร้างด้วย Raman spectroscopy และการเลี้ยวเบนของผงรังสีเอกซ์ พบว่าไม่มีความแตกต่างระหว่างโครงสร้างทั้งสอง มีเพียงทิศทางการเกิดผลึกของเซลล์เท่านั้นที่เปลี่ยนแปลงในกระบวนการทำให้แห้ง กล่าวคือ ในกระบวนการด้านสิ่งแวดล้อม เปลี่ยนจาก “เปียก” เป็น “แห้ง” ผลึก AFt ก่อตัวเป็นเซลล์ตามทิศทางปกติค่อยๆ เพิ่มขึ้น ผลึก AFt ตามทิศทางปกติเริ่มน้อยลงเรื่อยๆ หน่วยพื้นฐานที่สุดของปริภูมิสามมิติประกอบด้วยเส้นปกติ เส้นปกติ b และเส้นปกติ c ซึ่งตั้งฉากกัน ในกรณีที่ b ค่าปกติได้รับการแก้ไข ผลึก AFt จะรวมตัวกันตามค่าปกติ ส่งผลให้ส่วนตัดขวางของเซลล์ขยายใหญ่ขึ้นในระนาบของค่าปกติของ ab ดังนั้น หาก HEMC “กักเก็บ” น้ำไว้มากกว่า MC สภาพแวดล้อม “แห้ง” สามารถเกิดขึ้นได้ในพื้นที่เฉพาะที่ ส่งเสริมการรวมตัวด้านข้างและการเติบโตของผลึก AFt Patural และคณะ พบว่าสำหรับ CE เอง ยิ่งระดับการเกิดพอลิเมอไรเซชันสูง (หรือน้ำหนักโมเลกุลมากขึ้น) ความหนืดของ CE ก็จะยิ่งมากขึ้น และประสิทธิภาพการกักเก็บน้ำก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น โครงสร้างโมเลกุลของ HEMC และ MCS สนับสนุนสมมติฐานนี้ โดยกลุ่มไฮดรอกซีเอทิลมีน้ำหนักโมเลกุลมากกว่ากลุ่มไฮโดรเจนมาก

โดยทั่วไป ผลึก AFt จะก่อตัวและตกตะกอนเมื่อไอออนที่เกี่ยวข้องถึงจุดอิ่มตัวในระบบสารละลายเท่านั้น ดังนั้น ปัจจัยต่างๆ เช่น ความเข้มข้นของไอออน อุณหภูมิ ค่า pH และพื้นที่การก่อตัวในสารละลายปฏิกิริยาอาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อสัณฐานวิทยาของผลึก AFt และการเปลี่ยนแปลงในสภาวะการสังเคราะห์เทียมสามารถเปลี่ยนสัณฐานวิทยาของผลึก AFt ได้ ดังนั้น อัตราส่วนของผลึก AFt ในสารละลายซีเมนต์ธรรมดาระหว่างทั้งสองอาจเกิดจากปัจจัยเดียวของการใช้น้ำในการให้ความชุ่มชื้นในช่วงแรกของซีเมนต์ อย่างไรก็ตามความแตกต่างทางสัณฐานวิทยาของผลึก AFt ที่เกิดจาก HEMC และ MC ควรเป็นเพราะกลไกการกักเก็บน้ำแบบพิเศษเป็นหลัก Hemcs และ MCS สร้าง "วงปิด" ของการขนส่งทางน้ำภายในไมโครโซนของสารละลายซีเมนต์สด ทำให้เกิด "ช่วงเวลาสั้น ๆ" ซึ่งน้ำ "เข้าง่ายและออกยาก" อย่างไรก็ตาม ในช่วงเวลานี้ สภาพแวดล้อมของเฟสของเหลวในและใกล้ไมโครโซนก็เปลี่ยนไปเช่นกัน ปัจจัยต่างๆ เช่น ความเข้มข้นของไอออน pH ฯลฯ การเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมการเจริญเติบโตยังสะท้อนให้เห็นเพิ่มเติมในลักษณะทางสัณฐานวิทยาของผลึก AFt การขนส่งทางน้ำแบบ "วงปิด" นี้คล้ายคลึงกับกลไกการออกฤทธิ์ที่อธิบายโดย Pourchez และคณะ HPMC มีบทบาทในการกักเก็บน้ำ

3. บทสรุป

(1) การเติมไฮดรอกซีเอทิลเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (HEMC) และเมทิลเซลลูโลสอีเทอร์ (MC) สามารถเปลี่ยนลักษณะทางสัณฐานวิทยาของเอตทริงไทต์ในช่วงต้น (1 วัน) ของสารละลายซีเมนต์ธรรมดาได้อย่างมีนัยสำคัญ

(2) ความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลางของคริสตัลเอตทริงไทต์ในสารละลายซีเมนต์ดัดแปลง HEMC มีรูปร่างเป็นแท่งสั้นและเล็ก อัตราส่วนความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลางของผลึกเอตทริงไทต์ในสารละลายซีเมนต์ดัดแปลง MC มีขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นรูปทรงแท่งเข็ม ผลึกเอตทริงไทต์ในสารละลายซีเมนต์ธรรมดามีอัตราส่วนระหว่างทั้งสองนี้

(3) ผลกระทบที่แตกต่างกันของเซลลูโลสอีเทอร์สองตัวต่อลักษณะทางสัณฐานวิทยาของเอตทริงไทต์มีสาเหตุสำคัญมาจากความแตกต่างของน้ำหนักโมเลกุล