بررسی اثرات پلی آلومینیوم کلرید بر خواص سیمان معمولی

خلاصه بررسی اثرات پلی آلومینیوم کلرید بر خواص سیمان معمولی

این مطالعه به بررسی خواص مکانیکی و ریزساختاری خمیر متشکل از سیمان پرتلند معمولی (OPC) اضافه شده با پلی آلومینیوم کلرید (PACl) می‌پردازد. خواص مخلوط حاصل با استفاده از استحکام فشاری، پراش اشعه ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، تخلخل سنجی نفوذ جیوه، و تجزیه و تحلیل گرما وزنی تجزیه و تحلیل می شود. نتایج نشان می‌دهد که افزودن PACl خواص مکانیکی خمیر OPC را بهبود می‌بخشد، ژل کلسیم-(آلومینیوم)- سیلیکات-هیدرات (C-(A)-SH) و نمک فریدل محصولات اصلی حاصل از واکنش با آلومینیوم هستند. و یون های کلرید در PACl، و اینکه محتوای پورتلندیت کاهش می یابد. علاوه بر این، اندازه و تعداد ریز منافذ کاهش می یابد و مقاومت فشاری افزایش می یابد. همه این پدیده ها با افزایش محتوای PACl تقویت می شوند. تصاویر SEM این یافته ها را با آشکار کردن نمک فریدل در ریز منافذ تایید می کنند. بنابراین، این کار تأیید می کند که افزودن PACl به OPC منجر به مخلوطی با خواص مکانیکی و ریزساختاری برتر می شود.

کلید واژه ها:

پلی آلومینیوم کلرید ؛ سیمان پرتلند معمولی ; نمک فریدل ؛ یون کلرید

1. معرفی بررسی اثرات پلی آلومینیوم کلرید بر خواص سیمان معمولی

پلی آلومینیوم کلرید (PACl) یک عامل انعقادی است که اخیراً در فرآیندهای تصفیه آب استفاده شده است. از سیستم سولفات آلومینیوم موجود موثرتر است و استفاده از آن در حال گسترش است [ 1 ، 2 ، 3 ]. پلی آلومینیوم کلرید در صنعت تصفیه آب برای انعقاد کلوئیدهای آلی و معدنی قبل از ته نشینی و/یا فیلتراسیون استفاده می شود. آلومینیوم سوسپانسیون‌های کلوئیدی ریز را بی‌ثبات می‌کند و باعث تجمع این ماده در یک رسوب شیمیایی (به نام فلوک) می‌شود که می‌تواند با ته‌نشینی، شناورسازی و/یا فیلتراسیون از آب حذف شود. به طور کلی، اگر لخته‌های بزرگ‌تر و با تشکیل سریع‌تر مورد نظر باشند، PACl بر سولفات آلومینیوم ترجیح داده می‌شود، زیرا ممکن است نیاز به یک لخته‌ساز برای تسهیل رسوب‌گذاری را برطرف کند.1 ، 4 ، 5 ].

PACl در محدوده pH گسترده [ 1 ، 2 ، 3 ] قابل استفاده است. بسته به pH به گروه های مختلف آل هیدروکسید تغییر می کند. PACl در آب هیدرولیز می شود تا پلیمرهای نوع Al13 را تشکیل دهد که معمولاً به عنوان اشکال پایدار Keggin-A13 نامیده می شوند [ 2 ، 6 ]. Keggin-Al13 ذرات را جذب و جمع می کند تا لخته تشکیل دهد [ 2 ]. PACl حاوی کلرید در ترکیب با انواع مختلفی از پلیمرهای Al-group است. بنابراین انتظار می رود سیمان پرتلند معمولی (OPC) مخلوط با PACl توسط آلومینیوم و کلرید تغییر یابد. در مراحل اولیه هیدراتاسیون، اثر آلومینیوم بر روی سطح ذرات OPC و واکنش واکنش دهنده های هیدراتاسیون با کلرید بر خواص مکانیکی و ریزساختاری تأثیر می گذارد.

مطالعات قبلی گزارش کردند که نمک فریدل در OPC در معرض محیط های حاوی کلرید مشاهده شد [ 7 ، 8 ، 9 ، 10 ]. گفته می شود که نمک فریدل با مخلوط کردن مواد سیمانی غنی از یون های آلومینیوم، اثر تثبیت یون کلرید را بهبود می بخشد [ 11 ، 12 ، 13 ، 14 ، 15 ]. یون های آلومینیوم و کلرید موجود در PACl محیطی را ایجاد می کنند که می تواند به طور همزمان بر ذرات OPC تأثیر بگذارد. بنابراین تاثیر استفاده از PACl که به عنوان یک عامل انعقادی استفاده می شود به عنوان افزودنی برای OPC مورد بررسی قرار می گیرد. استفاده از PACl در سیمان نادر است. چن و همکاران [ 16] برای مخلوط کردن PACl به شکل پودر با یک چسب متشکل از 60٪ OPC + 40٪ سرباره با محتوای 1٪ و 2٪ آزمایش شد. در نتیجه، PACl اثر بهبود قدرت و کاهش حفره ها را داشت. Kim [ 17 ] همچنین مطالعه ای را با استفاده از 0-10٪ PACl مایع در سیمان فعال شده با قلیایی مبتنی بر سرباره منتشر کرد. استفاده از PACl در سیمان فعال قلیایی (AAC) منجر به تشکیل نمک فریدل می شود که مقاومت فشاری را بهبود می بخشد، قطر منافذ و تخلخل کل را کاهش می دهد و ژل کلسیم (آلومینیوم) سیلیکات هیدرات (C-(A)-SH) تشکیل می شود. در مطالعه با PACl، هیچ مطالعه ای برای OPC اعمال نشد. بنابراین می خواهیم تاثیر PACl بر OPC را بررسی کنیم. اعتقاد بر این است که این یک پایه قابل توسعه برای چسباننده هایی که OPC و مواد سیمانی مکمل مختلف را ترکیب می کنند، فراهم می کند.

این تحقیق یک مطالعه تجربی از اثر PACl بر روی خمیر با OPC به عنوان بایندر اصلی است. PACl در نظر گرفته شده بود که به طور همگن در خمیر با استفاده از نوع مایع توزیع شود. افزودن PACl محیطی را ایجاد می کند که در آن یون های کلرید و آلومینیوم به طور همزمان در مرحله اولیه هیدراتاسیون OPC وجود دارند. بنابراین، این تحقیق با هدف بررسی اثر PACl بر واکنش هیدراتاسیون و خواص مکانیکی OPC انجام شده است. اثرات خواص مکانیکی و ریزساختاری نیز با انجام استحکام فشاری، پراش اشعه ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، تخلخل‌سنجی نفوذ جیوه (MIP) و آنالیز حرارتی (ترموگراویمتری (TG) / آنالیز حرارتی تفاضلی (DTG) مورد بررسی قرار گرفت. )). یون کلرید موجود در PACl باید با احتیاط استفاده شود زیرا باعث خوردگی میلگرد می شود. اگر نتایج تجربی این مطالعه، بهبود عملکرد مکانیکی OPC توسط PACl را تایید کند، مطالعات بیشتری در مورد خوردگی و دوام میلگرد انجام خواهد شد. تحقیقات بعدی یک گام تحقیقاتی در مورد خواص بتن مسلح مخلوط با PACl خواهد بود. این آزمایش اولین گام برای بررسی اثر PACl بر OPC است.

2. مواد و روشهای بررسی اثرات پلی آلومینیوم کلرید بر خواص سیمان معمولی

2.1. مواد

جدول 1 اجزاء و خواص فیزیکی سیمان پرتلند معمولی (OPC) مورد استفاده در این آزمایش ها را فهرست می کند. برای به دست آوردن این داده ها از آنالیز فلورسانس اشعه ایکس (XRF، SHIMADZU XRF-1800، توکیو، ژاپن) استفاده شد. جدول 2 اجزاء و خواص فیزیکی پلی آلومینیوم کلرید (PACl، نوع مایع) را فهرست می کند. PACl یک محصول تجاری برای تصفیه آب آشامیدنی است. PACl به صورت محلول مایع مصرف می شود.

جدول 1. خواص سیمان پرتلند معمولی (OPC).

جدول 2. خواص پلی آلومینیم کلرید نوع مایع (PACl) (ارائه شده توسط سازنده).

2.2. روش های آزمایش

نسبت آب به چسب خمیر 0.45 بود. PACl 0٪، 2٪، 4٪، 6٪، 8٪ و 10٪ از جرم آب مخلوط را اضافه کرد و قبل از اختلاط با OPC با آب اختلاط ترکیب شد. این مطالعه از PACl فاز مایع برای افزودن جرم معینی از آب اختلاط استفاده کرد، زیرا تجمع سریع حاصل از مخلوط شدن چنین محلولی با یک چسب پودری به دست می‌آید.

خمیر به روش ASTM C305 مخلوط شد [ 18]. PACl در آب مخلوط از قبل مخلوط شد. خمیر مخلوط شده در قالب مکعبی 50 × 50 × 50 میلی متر برای اندازه گیری مقاومت فشاری قرار می گیرد. سپس با روش پخت مرطوب، دمای 2 ± 23 درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی 5 ± 90 درصد به مدت 24 ساعت در یک محفظه ثابت نگهداری می شود. پس از 24 ساعت، قالب برداشته شده و نمونه های خمیر تا تاریخ اندازه گیری در یک محفظه دما و رطوبت ثابت (2 ± 23 درجه سانتیگراد، 5 ± 90 درصد) نگهداری می شوند. مقاومت فشاری در سنین 3، 7 و 28 روزه اندازه گیری شد. از میانگین اندازه گیری سه نمونه استفاده شد. پس از اندازه گیری مقاومت فشاری، قطعات نمونه شکسته به مدت 24 ساعت در استون غوطه ور می شوند تا هیدراتاسیون متوقف شود. سپس در یک خشک کن خلاء به مدت 24 ساعت برای حذف استون خشک شد، به پودر ریز تبدیل شد و تحت آنالیز پراش اشعه ایکس (XRD، PANalytical Empyrean، Almelo، هلند) قرار گرفت. آنالیز XRD توسط Empyrean of PANalytical انجام شد. شرایط تجزیه و تحلیل XRD از 5 درجه تا 60 درجه (محدوده 2θ)، 40 میلی آمپر، 45 کیلوولت، تابش Cu-Kα (λ = 1.54443 Å) و اندازه گام 0.017º (2θ) است. آنالیز XRD در نمونه های 3 روزه و 28 روزه انجام شد.

نمونه 28 روزه توسط تخلخل سنجی نفوذ جیوه (MIP، micromeritics AutoPore IV9500، Norcross، GA، USA) برای تجزیه و تحلیل ساختار منافذ اندازه گیری شد. MIP در مرکز نمونه مکعبی به قطعات بریده شد، در 24 ساعت استون غوطه ور شد و در یک خشک کن خلاء 24 ساعته خشک شد. MIP برای منافذ با قطرهای 0.003 تا 337 میکرومتر مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. شرایط تجزیه و تحلیل زاویه تماس 130 درجه، کشش سطحی 485 dyn/cm و چگالی جیوه (Hg) 13.534 گرم در میلی لیتر است.

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM، Zeiss SUPRA.40، Oberkochen، آلمان) برای آنالیز ریزساختاری با استفاده از طیف‌سنجی پراکنده انرژی (EDS، Elite، AMETEK، Mahwah، NJ، USA) انجام شد. SEM برای نمونه 28 روزه بلافاصله پس از اندازه گیری مقاومت فشاری اندازه گیری شد و پس از اینکه قطعات خرد شده پس از توقف 24 ساعت هیدراتاسیون در خشک کن خلاء 24 ساعته خشک شدند. اندازه گیری ها با استفاده از حالت خلاء بالا با استفاده از ولتاژ شتاب دهنده 15 کیلو ولت انجام شد.

آنالیز حرارتی (ترموگراویمتری (TG)/ آنالیز حرارتی تفاضلی (DTG)، DSC800، Perkin Elmer، MA، ایالات متحده آمریکا) برای نمونه‌های 3 روزه و 28 روزه انجام شد. شرایط تجزیه و تحلیل در محدوده دمایی 30 درجه سانتیگراد تا 850 درجه سانتیگراد در 20 درجه سانتیگراد در دقیقه در یک محیط گاز N2 است.

3. نتایج و بحث بررسی اثرات پلی آلومینیوم کلرید بر خواص سیمان معمولی

3.1. محصولات هیدراتاسیون

شکل 1 نتایج آنالیز XRD را برای نمونه های 0% و 10% PACl نشان می دهد. نمونه 0% PACl شکل 1 a شامل اترینگیت، پورتلندیت، کلسیت، بلیت و آلیت است. در 28 روز، قله پورتلندیت بزرگتر از 3 روز است، در حالی که قله های آلیت و بلیت کمی کوچکتر هستند. با این حال، پیک های ژل اترینگیت و کلسیم سیلیکات هیدرات (CSH) یک مقدار نسبتاً ثابت را حفظ می کنند. شکل 1b نتایج را برای نمونه 10% PACl نشان می دهد. محصولات اصلی واکنش عبارتند از نمک فریدل، ژل کلسیم (آلومینیوم) سیلیکات هیدرات (C-(A)-SH) و اترینگیت. پیک پورتلندیت با افزایش سن از 3 تا 28 روز کاهش می یابد و پیک های ژل اترینگیت و C-(A)-SH اندکی کاهش می یابد. در مقایسه با 0% PACl، پیک‌های اترینگیت و C-(A)-SH کوچک هستند و پیک پورتلندیت به شدت کاهش می‌یابد. علاوه بر این، نمک فریدل در نمونه 10٪ PACl ظاهر می شود.

شکل 1. آنالیز پراش اشعه ایکس (XRD): ( الف ) نمونه‌های PACl 0% در 3 و 28 روز، ( ب ) 10% نمونه‌های PACl در روز 3 و 28، ( ج ) مقایسه طیف‌های XRD در 28 روز.

تغییر در ارتفاع پیک XRD محصول واکنش با مقایسه محصولات هیدراتاسیون 28 روزه با افزایش محتوای PACl تایید می شود که از داده های نشان داده شده در شکل 1 ج به دست می آید. با افزایش محتوای PACl، پیک های پورتلندیت به وضوح کاهش می یابد و پیک های نمک فریدل به وضوح افزایش می یابد. علاوه بر این، پیک برای اترینگیت و C-(A)-SH به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

نمک های فریدل (3CaO·Al2O3 · CaCl2 · 10H2O ) از واکنش بین یون های کلرید و واکنش دهنده های هیدراتاسیون OPC تولید می شوند [ 7 ] . نظریه هایی در حال توسعه هستند که مکانیسم های واضحی را برای تولید و توصیف نمک فریدل توصیف می کنند [ 6 ، 7 ، 8 ، 9 ]. یک مکانیسم دو راه برای تشکیل نمک های فریدل برای کلریدها فراهم می کند: تبادل یونی (پیوند شیمیایی) و جذب (پیوند فیزیکی) [ 10 ، 11 ، 12 ، 13 ]. ژل CSH یک کاندید معمولی برای جذب کلرید است [ 14 ، 15]. اگر چه موثرتر از ژل CSH است، اترینگیت همچنین می تواند یون های کلرید را متصل کند [ 10 ، 11 ، 19 ].

مطالعات قبلی چندین عامل موثر بر اتصال یون کلرید توسط ژل CSH را بررسی کرده اند. عواملی که بر چسبندگی اثر می‌گذارند، نوع و ترکیب مواد سیمانی تکمیلی [ 7 ، 20 ] و خواص CSH (نسبت‌های Ca/Si و Ca/Al) است [ 14 ]. مطالعات دیگر نشان داده اند که پورتلندیت یون های کلرید را نیز جذب می کند، اگرچه نتایج برای پورتلندیت با ژل CSH متفاوت است. الاکنسواران و همکاران [ 21 ] نشان داد که یونهای کلرید ممکن است بر روی سطح پورتلندیت جذب شوند، اما این پیشنهاد توسط هیراو و همکاران مورد اعتراض قرار گرفت. [ 22]. بنابراین، بیشترین چیزی که در حال حاضر می توانیم بگوییم این است که ظرفیت پرتلندیت و اترینگیت برای جذب یون های کلرید در مقایسه با ژل CSH نسبتا کم است. در مطالعه شی و همکاران. [ 23 ]، محققان گزارش می دهند که یون های کلسیم نقش مهمی در اتصال کلرید دارند. بنابراین می توان فرض کرد که کاهش پرتلندیت با نقش جذب یون کلرید یا تغییر نمک فریدل مصرف می شود.

در مطالعه حاضر، قدر پیک پرتلندیت XRD با افزودن PACl کاهش می‌یابد، در حالی که پیک اترینگیت یا C-(A)-SH افزایش نمی‌یابد. علیرغم افزایش سن و محتوای PACl، اتصال کلرید باعث افزایش اندک در پیک های XRD C-(A)-SH و اترینگیت می شود. تنوع C-(A)-SH و اترینگیت با غلظت PACl با تجزیه و تحلیل XRD مشخص نیست. بنابراین در ادامه در تحلیل حرارتی به آن اشاره خواهیم کرد.

یون آلومینیوم PACl با ژل CSH واکنش می دهد تا ژل C-(A)-SH متراکم تر را به عنوان محصول اصلی هیدراتاسیون OPC تشکیل دهد [ 16 ، 21 ، 22 ]. CSH محصول اصلی هیدراتاسیون در سیمان پرتلند است و نقش قابل توجهی در خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی آن دارد. فاز CSH کریستالی ضعیف (ژل مانند) با محتوای کلسیم، سیلیس و آب متغیر است. CSH را می توان به عنوان یک لایه اکسید کلسیم که توسط زنجیره های سیلیکا سازماندهی شده در یک ساختار “درایرکتتن” که یک زنجیره تکراری از سه چهار وجهی سیلیس است، توصیف کرد [ 24] .]. دو تا از این واحدهای سیلیس که «واحدهای چهار وجهی جفتی» نامیده می‌شوند، به لایه اکسید کلسیم متصل هستند، در حالی که واحد سوم (یعنی چهار وجهی پل زدن) دو چهار وجهی جفت شده را به هم پیوند می‌دهد. آب، کلسیم، قلیایی ها یا یون های دیگر در لایه بین لایه ها وجود دارند [ 25 ]. بنابراین، هنگامی که غلظت یون آلومینیوم در مخلوط به دلیل افزودن PACl افزایش می‌یابد، ژل CSH آلومینیوم را در لایه میانی جذب می‌کند و به ساختار ژل C-(A)-SH تغییر می‌کند. مطالعات قبلی PACl و OPC + سرباره تایید کرده اند که PACl با تامین یون های آلومینیوم، ساختار ژل CSH را به ژل C-(A)-SH تغییر می دهد [ 16 ، 26 ، 27 ].

PACl حاوی آلومینیوم و کلرید است. بنابراین، افزایش محتوای PACl باعث افزایش غلظت یون های کلرید و آلومینیوم در مخلوط می شود. بنابراین، آلومینا فعال (Al 2 O 3 r- ) پوزولان و تری کلسیم آلومینات (C 3 A) OPC منبع یون های آلومینیوم مورد نیاز برای تشکیل نمک های فریدل در OPC را فراهم می کند [ 28 ، 29 ]. قبلاً گزارش شده است که عرضه یون آلومینیوم نقش مهمی در تشکیل نمک فریدل دارد. افزایش غلظت PACl نه تنها کلرید بلکه غلظت آلومینیوم را نیز افزایش می دهد. این در نهایت بر تشکیل نمک فریدل تأثیر می گذارد [ 15 ، 23 ، 30]]. در نهایت، ژل CSH یون های کلرید بیشتری را جذب می کند. در نتیجه، همانطور که شکل 1 ج نشان می دهد ، پیک های نمک فریدل به تدریج با افزایش محتوای PACl افزایش می یابد .

3.2. ساختار منافذ بررسی اثرات پلی آلومینیوم کلرید بر خواص سیمان معمولی

شکل 2 نفوذ تجمعی را به عنوان تابعی از قطر منافذ برای نمونه 28 روزه نشان می دهد. در شکل 2 a، حجم و اندازه منافذ با افزایش محتوای PACl از 0٪ به 6٪ و به 10٪ کاهش می یابد. شکل 2 b نشان می دهد که با افزایش مقدار PACl به 0٪، 6٪ و 10٪، قطر منافذ به 0.27، 0.041 و 0.0273 میکرومتر کاهش می یابد، در حالی که نمودار به طور کلی به سمت چپ تغییر می کند و ارتفاع قله کاهش می یابد. .

شکل 2. نتایج تخلخل سنجی نفوذ جیوه، که ( الف ) نفوذ تجمعی و ( ب ) نفوذ دیفرانسیل ورود به سیستم را به عنوان تابعی از قطر منفذ نشان می دهد.

به گفته Mindess و همکاران. [ 31 ]، منافذ در خمیر سیمان ممکن است به منافذ مویرگی بزرگ (10-0.05 میکرومتر)، منافذ مویرگی متوسط (0.05-0.01 میکرومتر) و منافذ ژل (<0.01 میکرومتر) تقسیم شوند. منافذ ژل تخلخل ذاتی CSH را ایجاد می کند. جدول 3نسبت تخلخل کل و اندازه منافذ را از 0، 6، و 10 درصد نمونه‌های PACl از نتایج MIP نشان می‌دهد. با افزایش محتوای PACl، غلظت منافذ مویرگی بزرگ کاهش می یابد و منافذ مویرگی متوسط و ژل افزایش می یابد. به طور خاص، بالاترین درصد منافذ ژل 15.2٪ برای 10٪ PACl اندازه گیری می شود. افزایش تخلخل ژل ممکن است به دلیل افزایش مقدار C-(A)-SH در خمیر باشد. با افزایش محتوای PACl به 0٪، 6٪ و 10٪، تخلخل کل به 41.9٪، 30.9٪ و 23.0٪ کاهش یافت. بنابراین، افزایش محتوای PACl، اندازه منافذ و مقدار محصول واکنش را کاهش می‌دهد و در نتیجه یک ماتریس فشرده ایجاد می‌شود.

جدول 3. تجزیه و تحلیل کل تخلخل و اندازه منافذ.

کاهش اندازه و حجم منافذ پس از افزودن PACl به دلیل دو عمل است: اولی تغییر ساختاری ژل CSH به دلیل ادغام یون های آلومینیوم از PACl [ 24 ]. افزایش محتوای PACl غلظت یون آلومینیوم را در مخلوط افزایش می دهد که تبدیل ژل CSH را به ژل C-(A)-SH متراکم تر می کند [ 16 ، 32 ، 33 ]. علاوه بر این، یون آلومینیوم PACl پلیمریزاسیون ژل CSH را برای تشکیل محصول واکنش ژل C-(A)-SH متراکم تر [ 34 ] بهبود می بخشد، که تخلخل ژل را افزایش می دهد.

عمل دوم، تشکیل نمک فریدل از یون های کلرید PACl است. نمک های فریدل عمدتاً در منافذ تشکیل می شوند، در نتیجه منافذ موجود در ماتریس را پر می کنند [ 29 ، 35 ] و حجم کلی منافذ را کاهش می دهند. بنابراین، افزایش محتوای PACl همچنین غلظت نمک های فریدل را افزایش می دهد، همانطور که توسط نتایج XRD نشان داده شده در شکل 1 تایید شده است .

3.3. مقاومت فشاری بررسی اثرات پلی آلومینیوم کلرید بر خواص سیمان معمولی

شکل 3 نتایج اندازه گیری مقاومت فشاری نمونه های 3، 7 و 28 روزه را به عنوان تابعی از محتوای PACl نشان می دهد. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است ، با افزایش محتوای PACl از 0٪ به 10٪، مقاومت فشاری در تمام سنین نمونه افزایش می یابد. مقاومت فشاری 3 روزه 0% PACl 33.2 مگاپاسکال است. با افزایش محتوای PACl، مقاومت فشاری به تدریج به 46.4 مگاپاسکال در 10٪ PACl افزایش می یابد. بنابراین، مقاومت فشاری OPC اضافه شده با PACl به طور مداوم از 3 تا 28 روز افزایش می یابد.

شکل 3. مقاومت فشاری OPC اضافه شده با PACl به عنوان تابعی از محتوای PACl.

برای تأیید این افزایش در مقاومت فشاری، ما مقاومت فشاری را به عنوان تابعی از محتوای PACl در هر سن نمونه اندازه‌گیری کردیم. افزایش مقاومت فشاری هنگام افزودن PAC1 به دلیل واکنش پذیری بالای PAC1 مایع در مرحله هیدراتاسیون اولیه است و باعث تشکیل واکنش دهنده هایی مانند نمک فریدل و ژل C-(A)-SH می شود. علاوه بر این، بیشترین افزایش در مقاومت فشاری برای 10٪ محتوای PACl، مستقل از سن نمونه رخ می دهد. به عنوان مثال، با توجه به 0٪ PACl، افزایش استحکام برای 10٪ PACl برای نمونه های 3 روزه 139.9٪، برای نمونه های 7 روزه 139.7٪ و برای نمونه های 28 روزه 133.9٪ است.

افزایش محتوای PACl باعث افزایش غلظت یون آلومینیوم می شود که به نوبه خود باعث افزایش محتوای ژل متراکم C-(A)-SH می شود. افزایش ژل C-(A)-SH استحکام را با فشرده تر کردن ماتریس افزایش می دهد [ 32 ، 33 ، 36 ، 37 ]. به طور خاص، افزایش قطر منافذ ژل (<0.01 میکرومتر) در شکل 2 به این معنی است که تولید ژل متراکم C-(A)-SH افزایش می یابد. نمک‌های فریدل که از یون‌های کلرید PACl تشکیل شده‌اند نیز منافذ ماتریس محصول واکنش را پر می‌کنند و مقاومت فشاری را بیشتر افزایش می‌دهند [ 29 ، 35 ]. بنابراین، کاهش منافذ به دلیل پر شدن توسط نمک های فریدل (که قبلاً در رابطه با شکل 1 ذکر شده است.) و نتایج MIP در شکل 2 نشان می دهد که ماتریس متراکم شده و قوی تر می شود.

3.4. ریزساختار بررسی اثرات پلی آلومینیوم کلرید بر خواص سیمان معمولی

شکل 4 a-c تصاویر SEM را به ترتیب 0، 6، و 10 درصد نمونه های PACl نشان می دهد. نمونه 0% PACl دارای سطح شکستگی ناهموار و منافذ زیادی است. اترینگیت سوزنی بلند نیز در داخل و نزدیک منافذ ظاهر می شود. این از نتایج XRD نشان داده شده در شکل 1 در مورد پیک اترینگیت پشتیبانی می کند.

شکل 4. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از ( a ) 0% PACl، ( b ) 6% PACl، و ( c ) 10% PACl. ( د ) نتایج طیف‌سنجی پرتو ایکس پراکنده انرژی (EDS) تجزیه و تحلیل 10٪ PACl.

نمونه 6 درصد PACl فشرده و کمتر از سطح شکستگی نمونه PACl 0 درصد است. علاوه بر این، تعداد کمی از منافذ ظاهر می شود و محصولات هیدراتاسیون یک ماتریکس متراکم را تشکیل می دهند. نمونه 10٪ PACl نشان می دهد که منافذ بیشتر کاهش می یابد و ماتریس های نمونه های 6٪ و 10٪ PACl نشان داده شده در شکل 4 b,c از افزایش فوق الذکر در مقاومت فشاری پشتیبانی می کنند.

همانطور که قبلاً در رابطه با شکل 3 ذکر شد ، با افزایش محتوای PACl برای تمام سنین نمونه، مقاومت فشاری افزایش می‌یابد. شکل 4 d تجزیه و تحلیل طیف سنجی پرتو ایکس پراکنده انرژی (EDS) واکنش دهنده ها را در نقاط دلخواه درون تصویر SEM برای نمونه 10% PACl نشان داده شده در شکل 4 ج نشان می دهد. قله های مربوط به Ca-Al-Si و C نمک های فریدل آشکار است. تصویر SEM ژل C-(A)-SH و نمک های فریدل را نشان می دهد که در نتایج XRD شکل 1 شناسایی شده اند .

شکل 5 میانگین نسبت اتمی بدست آمده از آنالیز EDS را در 15 نقطه دلخواه از واکنش دهنده های نشان داده شده در شکل 4 نشان می دهد . نسبت Ca/Si ژل CSH که یک محصول عمومی هیدراتاسیون OPC است، حدود 1.5-1.9 است [ 25 ، 38 ]. با افزایش محتوای PACl، نسبت Ca/Si کاهش و نسبت Al/Si افزایش می‌یابد.

شکل 5. نسبت اتمی محصولات هیدراتاسیون برای نمونه های 0%، 6% و 10% PACl.

کاهش نسبت Ca/Si با افزایش محتوای PACl به دلیل هیدراتاسیون تسریع شده ذرات سیمان توسط PACl است که با نتایج مطالعه قبلی که OPC-سرباره و PACl را ترکیب کرده بود مطابقت دارد [16 ] . افزایش نسبت Al/Si با افزایش محتوای PACl نیز تحت تأثیر یون آلومینیوم موجود در PACl است. ژل CSH یک محصول معمولی هیدراتاسیون OPC است و بر خواص مکانیکی و شیمیایی OPC تأثیر می گذارد. مطالعات قبلی نشان داده اند که نسبت های Ca/Si و Al/Si ژل CSH به عوامل مختلفی بستگی دارد [ 39 ، 40 ، 41 ]. علاوه بر این، ژل CSH یون های مختلفی مانند آلومینیوم، سدیم و پتاسیم را جذب می کند که ساختار ژل را اصلاح می کند [ 42 ، 43]]. هنگامی که ژل CSH یون های آلومینیوم را جذب می کند، ساختار آن به ژل C-(A)-SH تغییر می کند. مطالعات قبلی نشان داده است که این تغییرات ساختاری به دلیل غلظت آلومینیوم مخلوط [ 44 ، 45 ]، نسبت Ca/Si ژل CSH [ 24 ] و pH محلول [ 24 ، 25 ] است.

برای روشن شدن ساختار و عوامل موثر بر ژل CSH و C-(A)-SH، چندین گروه ساختار ژل های C-(A)-SH را به عنوان تابعی از نسبت های Ca/Si و Al/Si مطالعه کرده اند [ 37 ، 41 ، 46 ، 47 ]. افزایش نسبت Al/Si به دلیل افزایش آلومینیوم جذب شده توسط ژل CSH با افزایش غلظت آلومینیوم است [ 24 ، 25 ]. مطالعات قبلی نشان داده اند که نسبت Al/Si ژل CSH با غلظت آلومینیوم زمانی که Ca/Si ≥ 1.0 باشد، افزایش می یابد [ 48 ، 49 ، 50 ]. در مطالعه حاضر، نسبت Ca/Si برای 0% PACl 1.96 است و نسبت Al/Si با افزایش محتوای PACl افزایش می‌یابد.

دلیل کاهش نسبت Ca/Si با افزایش محتوای PACl را می توان به شرح زیر استنباط کرد: کاهش نسبت Ca/Si ژل CSH ناشی از افزایش طول زنجیره سیلیکا در ژل CSH [25] است که یک اثر قوی بر روی یون آلومینیوم PACl. به طور خاص، آلومینیوم به موقعیت پل همسایه زنجیره dreierketten ژل CSH منتقل می شود و به زنجیره سیلیس اجازه می دهد تا طولانی شود [ 25 ]. با طولانی شدن زنجیره سیلیکا ژل CSH، غلظت سیلیکون افزایش می‌یابد و غلظت کلسیم کاهش می‌یابد، بنابراین Ca/Si کاهش می‌یابد [ 26 ، 51]. افزایش غلظت آلومینیوم که با افزایش محتوای PACl رخ می دهد، غلظت سیلیکون را افزایش می دهد و غلظت کلسیم و هیدروکسید را کاهش می دهد [ 25 ] و دوباره به کاهش نسبت Ca/Si کمک می کند.

با افزایش غلظت یون آلومینیوم در مخلوط، آلومینیوم توسط ژل CSH جذب می شود

و مقداری برای تشکیل کاتویت یا استراتلینگیت استفاده می شود [ 24 ]. با این حال، نتایج XRD شکل 1 b هیچ شواهدی از کاتویت یا استراتلینگیت را نشان نمی دهد، حتی اگر محتوای PACl افزایش یافته باشد. دلیل این نتیجه مربوط به نسبت Al/Si است. L’Hôpital و همکاران. [ 24 ] گزارش داد که غلظت آلومینیوم با تشکیل کاتویت، استراتلینگیت یا Al(OH) 3 کاهش می یابد.که دومی یک ماده حاوی یون آلومینیوم با Al/Si = 0.33 است. در مطالعه حاضر، افزایش محتوای PACl غلظت یون آلومینیوم را افزایش می‌دهد، بنابراین یون‌های آلومینیوم بیشتری توسط ژل CSH جذب می‌شوند که در درجه اول منجر به تشکیل ژل C-(A)-SH می‌شود. در نتیجه، نسبت Al/Si واکنش دهنده (ژل C-(A)-SH) افزایش می یابد، اگرچه برای تشکیل کاتویت یا استراتلینگیت بسیار پایین باقی می ماند. در شکل 5 ، نسبت Al/Si 10% PACl 0.32 است که برای تشکیل کاتویت یا استراتلینگیت بسیار کم است. بنابراین، هیچ قله ای برای کاتویت یا استراتلینگیت در طیف XRD نشان داده شده در شکل 1 ظاهر نمی شود .

شکل 6 صفحات شش ضلعی نمک فریدل را نشان می دهد که در نمونه های 6% و 10% PACl یافت شده است [ 52 ]. نمک فریدل عمدتاً در منافذ ماتریکس ظاهر می شود. در شکل 6 a از 6% PACl، اترینگیت سوزنی مانند همراه با نمک های فریدل ظاهر می شود. شکل 6 c نمک های فریدل را در نمونه 10% PACl نشان می دهد. صفحات شش ضلعی شبیه به نمونه 6٪ PACl هستند. شکل 6 b,d نتایج تجزیه و تحلیل EDS نمک های فریدل را به ترتیب در نمونه های PACl 6% و 10% نشان می دهد. وجود نمک های فریدل همانطور که توسط تصاویر SEM و تجزیه و تحلیل EDS نشان داده شده است از نتایج XRD شکل 1 پشتیبانی می کند.که نشان دهنده وجود نمک های فریدل نیز می باشد. بنابراین، سهم نمک های فریدل در کاهش اندازه و تعداد منافذ نشان داده شده توسط نتایج MIP شکل 2 اساساً با مشاهده داخل منافذ قابل توضیح است.

شکل 6. تصاویر SEM ( الف ) نمک فریدل (صفحات شش ضلعی) با 6% PACl. ( ب ) نتایج تجزیه و تحلیل طیف‌سنجی پراکنده انرژی (EDS) در “نقطه EDS 1” نشان داده شده در پانل ( a ). ( ج ) نمک فریدل با 10% PACl. ( د ) نتایج تجزیه و تحلیل EDS در “نقطه EDS 2” نشان داده شده در پانل ( c ).

3.5. آنالیز حرارتی بررسی اثرات پلی آلومینیوم کلرید بر خواص سیمان پرتلند معمولی

نمونه‌هایی با محتوای PACl متفاوت تحت آنالیز حرارتی واکنش‌دهنده‌ها قرار گرفتند. شکل 7 نتایج تجزیه و تحلیل ترموگراویمتری و تفاضلی حرارتی را نشان می دهد که در نمونه های 3 روزه و 28 روزه با 0% و 10% PACl اعمال شده است. در نمودارهای آنالیز حرارتی 0% و 10% PACl، محدوده دمایی کاهش وزن 50-140، 400-500 و 530-800 درجه سانتیگراد است (به نوارهای خاکستری در شکل 7 a,b مراجعه کنید). هر نوار کاهش وزن نشان دهنده از دست دادن آب از واکنش دهنده است.

شکل 7. نتایج تجزیه و تحلیل ترموگراویمتری و تفاضلی حرارتی: ( الف ) 0% PACl، ( ب ) 10% PACl.

اولین کاهش وزن بین 50 تا 180 درجه سانتیگراد مشاهده شده برای همه نمونه ها به دلیل تجزیه ژل CSH یا C-(A)-SH [ 53 ، 54 ، 55 ] بود. در همان زمان، آن را به آزاد شدن آب قابل تبخیر و شروع کم آبی اترینگیت نسبت دادند [ 54 ، 55 ، 56 ، 57 ]. کاهش وزن در 28 روز بیشتر از 3 روز برای 0٪ PACl ( شکل 7 الف) و 10٪ PACl ( شکل 7 ب) است، که به این معنی است که محصولات هیدراتاسیون تا 28 روز به شکل گیری ادامه می دهند و در نتیجه مقدار را افزایش می دهند. از محصولات هیدراتاسیون در طیف XRD نشان داده شده در شکل 1اوج اترینگیت و C-(A)-SH در 28 روز کوچکتر از 3 روز است. با این حال، تجزیه و تحلیل حرارتی نشان می دهد که محصولات هیدراتاسیون با افزایش سن افزایش می یابد. همچنین توجه داشته باشید که کاهش وزن 10٪ PACl از 0٪ PACl بیشتر است. افزایش محتوای PACl غلظت یون آلومینیوم را در مخلوط افزایش می دهد که باعث تشکیل ژل C-(A)-SH می شود [ 16 ، 32 ، 33 ]. بنابراین افزودن PACl باعث تسریع واکنش هیدراتاسیون ذرات سیمان و افزایش میزان محصولات واکنش می شود.

ثانیاً، کاهش وزن در محدوده دمایی 400-500 درجه سانتیگراد به دلیل هیدروکسیلاسیون پورتلندیت بود [ 53 ، 54 ، 58 ]. همانطور که شکل 7 الف نشان می دهد، کاهش وزن پورتلندیت در 0% PACl پس از 3 روز مانند 28 روز است. با این حال، همانطور که شکل 7 ب نشان می دهد، کاهش وزن 10٪ PACl بعد از 28 روز بیشتر از 3 روز است، زیرا هیدراتاسیون سیمان با افزایش سن افزایش می یابد و تولید پرتلندیت افزایش می یابد. عملکرد افزایش هیدراتاسیون PACl قبلاً در مطالعه قبلی ذکر شده بود که در آن PACl نوع پودر با بایندر OPC-GGBFS [ 16 ] مخلوط شد . نتایج مشابهی در مطالعه حاضر با استفاده از PACl مایع به دست آمده است.

سومین باند کاهش وزن مشاهده شده در محدوده دمایی 530-800 درجه سانتیگراد به احتمال زیاد به دلیل تجزیه کلسیت بود [ 53 ، 58 ]. کاهش وزن کلسیت برای 0% PACl بعد از 3 روز و بعد از 28 روز تقریباً یکسان است. با این حال، کاهش وزن کلسیت برای 10٪ PACl پس از 28 روز کمتر از کاهش وزن پس از 3 روز است، که احتمالاً به دلیل این واقعیت است که بیشتر کلسیم شسته شده توسط هیدراتاسیون سیمان برای تشکیل اترینگیت یا C-(A استفاده می شود. )-SH ژل، بنابراین کلسیت کمتری تشکیل می شود. این نتیجه با نتایج XRD برای 10% PACl مطابقت دارد ( شکل 1 ب را ببینید).

شکل 7 ب یک نوار کاهش وزن کوچک برای 10٪ PACl در دمای 300-350 درجه سانتیگراد را نشان می دهد که برای PACl 0٪ ظاهر نمی شود. این کاهش وزن به دلیل نمک های فریدل است [ 15 ، 53 ]. همانطور که قبلاً در رابطه با شکل 1 ذکر شد ، پیک XRD برای نمک های فریدل با افزایش محتوای PACl افزایش می یابد. آنالیز حرارتی نشان می‌دهد که افزایش محتوای PACl باعث تشکیل ژل C-(A)-SH می‌شود و تشکیل محصول واکنش جدید (یعنی نمک‌های فریدل) را تایید می‌کند. این محصولات واکنش توسط یون های آلومینیوم و کلرید موجود در PACl ایجاد می شوند. بنابراین، PACl باعث هیدراتاسیون سیمان و تشکیل محصولات هیدراتاسیون می شود.

4. نتیجه گیری بررسی اثرات پلی آلومینیوم کلرید بر خواص سیمان پرتلند معمولی

نتایج حاصل از نتایج تجربی در مورد ویژگی های OPC مخلوط با PACl به شرح زیر خلاصه می شود.

PACl تشکیل نمک های فریدل را تقویت می کند و پورتلندیت را کاهش می دهد. این تغییر در واکنش دهنده هیدراتاسیون با افزایش محتویات PACl مشهود است. یون‌های کلرید و آلومینیوم موجود در PACl، همراه با کلسیم تامین‌شده از OPC، بر تشکیل نمک فریدل تأثیر می‌گذارند. نمک های فریدل توسط XRD و آنالیز حرارتی مشاهده شدند و مشاهدات SEM تشکیل صفحه شش ضلعی را نشان داد. مقداری آلومینیوم به تشکیل ژل C-(A)-SH کمک می کند. این را می توان از تجزیه و تحلیل حرارتی استنباط کرد و با تجزیه و تحلیل نسبت های Al/Si و Ca/Si در آنالیز EDS واکنش دهنده های هیدراتاسیون پشتیبانی کرد. بنابراین، تایید شد که یون‌های کلرید و یون‌های آلومینیوم PACl تأثیر زیادی بر واکنش‌دهنده هیدراتاسیون دارند.

PACl همچنین باعث تغییر در ساختار منافذ شد. با افزایش مقدار PACl، تخلخل کل از 41.9٪ از 0٪ PACl به 23.0٪ از 10٪ PACl کاهش یافت. PACl همچنین باعث کاهش منافذ مویرگی بزرگ (10-0.05 میکرومتر) و افزایش منافذ مویرگی متوسط (0.05-0.01 میکرومتر) و منافذ ژل (<0.01 میکرومتر) می شود. نتیجه کاهش قطر منافذ است. کاهش قطر منافذ به دلیل تشکیل یک ماتریکس متراکم به دلیل تشکیل ژل C-(A)-SH و اثر پر شدن منافذ توسط نمک فریدل است. این تغییر در ساختار منافذ بر بهبود مقاومت فشاری تأثیر گذاشت. PACl با تغییر واکنش دهنده هیدراتاسیون و ساختار منافذ، استحکام فشاری را بهبود بخشید. بهبود مقاومت فشاری در تمام سنین اندازه گیری در 3، 7 و 28 روز مشاهده شد، با 10٪ PACl بالاترین مقدار مقاومت فشاری را نشان داد.

مشخص شد که PACl با ایجاد تغییر در واکنش دهنده هیدراتاسیون و ساختار منافذ خمیر OPC، تأثیری بر بهبود عملکرد مکانیکی دارد. با این حال، یون های کلرید موجود در PACl یک عامل خطر برای خوردگی میلگرد یا فولاد هستند. بنابراین، مطالعات بیشتری برای بررسی اثرات خوردگی میلگرد در بتن حاوی PACl مورد نیاز است. یا، می‌توانید کاربرد آجرها و پانل‌هایی را که از میلگرد استفاده نمی‌کنند، و اعضای بتنی که از نوار پلاستیکی تقویت‌شده با الیاف (FRP) به جای میلگرد استفاده می‌کنند، بررسی کنید.

مشارکت های نویسنده بررسی اثرات پلی آلومینیوم کلرید بر خواص سیمان پرتلند معمولی

مفهوم سازی، TK; روش شناسی، TK; اعتبار سنجی، CK، تجزیه و تحلیل رسمی، TK و CK. بررسی، CK و SH. منابع، CK، SH و K.-YS. مدیریت داده، TK; نوشتن – آماده سازی پیش نویس اصلی، TK; نوشتن-بررسی و ویرایش، CK; تجسم، SH و K.-YS. نظارت، TK; مدیریت پروژه، TK و CK؛ تامین مالی، TK و CK

منابع مالی بررسی اثرات پلی آلومینیوم کلرید بر خواص سیمان پرتلند معمولی

این کار توسط بنیاد تحقیقات ملی کره (NRF) از طریق کمک مالی تأمین شده توسط دولت کره (MOE) (NRF-2015R1D1A3A01019583 و NRF-2017R1D1A1B03034470) پشتیبانی شد.

تضاد علاقه بررسی اثرات پلی آلومینیوم کلرید بر خواص سیمان پرتلند معمولی

نویسندگان هیچ تضاد منافع را اعلام نمی کنند.