Vizualizacija i proučavanje kinetike vode super-apsorbirajućih polimera tokom cementne hidratacije i unutrašnjeg stvrdnjavanja uz pomoć NMR (nuklearna magnetna rezonanca)

Super-apsorbirajući polimeri (SAP) su nova obećavajuća smjesa koja se dodaje cementnim materijalima. Oni su u stanju apsorbirati nekoliko stotina puta vlastite težine u tekućinama zbog osmotskog pritiska i zadržati ih unutar njihove strukture.

Pišu: D. Snoeck, L. Pel & N. De Belie

Super-apsorbirajući polimeri (SAP) mogu se primijeniti kao aditiv u cementu. Budući da polimeri mogu nabubriti, apsorbiraju dio vode za miješanje i mogu zatim otpustiti vodu nazad u cementnu smjesu za unutrašnje stvrdnjavanje. To je bitno u smislu automatskog smanjenja sakupljanja, budući da se održava unutrašnja relativna vlažnost. Mehanizam se zasniva na teoriji Powers-a i Brownyard-a, ali kinetika i ispuštanje vode i dalje su predmet detaljne istrage. Ovaj naučni rad koristi nuklearnu magnetnu rezonancu (NMR) za proučavanje otpuštanja vode iz superapsorbirajućih polimera (SAP-a) u cementu tokom cementne hidratacije. Otpuštanje vode pomoću SAP-a prati se kao funkcija vremena i stepena hidratacije. Unutrašnja vlažnost se također nadzire u vremenu pomoću osjetljivih senzora relativne vlažnosti.

Uvod

Super-apsorbirajući polimeri (SAP) su nova obećavajuća smjesa koja se dodaje cementnim materijalima. Oni su u stanju apsorbirati nekoliko stotina puta vlastite težine u tekućinama zbog osmotskog pritiska i zadržati ih unutar njihove strukture. Koriste se kao kontrolisani sistemi isporuke sa pametnim procesom bubrenja koji zavisi od osobina polimera i karakteristika vanjske otopine, kao što su na primjer koncentracije iona. Važnost zadržavanja vode je također bitna za cement. SAP-ovi se mogu koristiti za povećanje otpornosti na smrzavanje i odmrzavanje radi promjene reološkog ponašanja, te između ostalog i za samoobnovu.

Teorija Powers-a i Brownyard-a se koristi za opisivanje teorijskog principa unutrašnjeg stvrdnjavanja. U sistemu sa visokim omjerom vode i cementa (veći od 0,42), kapilarna voda zadržava potpunu hidrataciju. Nisu zapaženi autogeni problemi skupljanja. U sistemu s niskim udjelom vode i cementa (niži od 0,42), tokom hidratacije se potpuno koristi kapilarna voda. Hidracija se nastavlja sa dijelom jače veze vodenog gela, jer se cementna hidratacija ne može nastaviti kada se postigne određena minimalna poroznost cementnog gela (26-28%). Kada koristite SAP za unutrašnje stvrdnjavanje, nema potrebe za vodenim gelom. U takvim idealnim uslovima unutašnjeg stvrdnjavanja ne postoji autogeno skupljanje. U poređenju sa sistemom sa istim ukupnim omjerom vode i cementa, ali bez stvrdnjavanja, maksimalni stepenhidratacije je isti.

Otpuštanje vode i kinetika iz SAP-a tokom hidratacije važan su parametar za istraživanje. Kako SAP čestica oslobađa svoju vodu, ona će promijeniti okolnu matricu cementa i uzrokovati pomak prema finim porama. SAP čestica se smanjuje i ostaje prazna makropora kako je prikazano pomoću mjerenja neutronske tomografije. Čini se da se ispuštanje vode podudara s prvim padom relativne vlažnosti. Schröfl i suradnici pokazali su oslobađanje vode putem mjerenja neutronske radiografije tokom hidratacije cementnog materijala.

Nuklearna magnetna rezonanca (NMR) je moćna tehnika za proučavanje količine vode (1H) u materijalu. Čak se i drugi elementi mogu proučavati, kao što su Na i Cl. Može se primijeniti za proučavanje cementne hidratacije i prijenosa tekućina u poroznim materijalima, pri čemu će vodikov atom imati interakciju sa zidovima pora i kao rezultat toga signal će se smanjivati. Dobivena brzina relaksacije je proporcionalna strukturi pora i također se može kvantificirati. Mogu se proučiti profili vlage poroznih materijala tokom zagrijavanja. Profili se mogu koristiti za proučavanje sušenja ili zasićenosti uzorka maltera oslobađanjem vode iz cementne paste u porozni materijal.

U ovom naučnom istraživanju, ispuštanje vode SAP-om i promjena stanja vode prate se pomoću NMR ispitivanja kao funkcije vremena i stepena hidratacije. Rezultati su uspoređeni s teorijskim modelom Powers-a i Brownyard-a i podržani mjerenjem unutrašnje relativne vlage.

Ispitivani kompoziti smjese

Napravljene su dvije referentne cementne paste sa omjerom voda / veza od 0.3 (R0.30) i 0.354 (R0.354). Superplastifikator je dodan u količini od 0,5 i 0,3% (zapreminski udio cementa) kako bi se osigurala praktična obradivost za smjesu R0.30 i R0.354. Primijenjeni superplastifikator bio je tip polikarboksilata (Glenium 51, konc. 35%, BASF).

Smjesa R0.30 ima nizak omjer vode i cementa i sklona je autogenom skupljanju. Na temelju modela Powers i Brownyard, količina potrebne vode u SAP-u za unutarnje stvrdnjavanje može se teoretski izračunati i iznosi dodatni omjer vode i cementa od 0,054. Na taj način ukupni omjer vode i cementa (w / c) tot iznosi 0,354, ali uz omjer vode i cementa (w / c) e dovodi do učinkovitog odnosa vode i cementa (w / c) efekt od 0,30.

Ispitivane su dvije različite smjese koje sadrže različite SAP-ove. To su SAP A (cementna pasta Ae) i SAP B (cementna pasta Be). Svi SAP-ovi su pohranjeni u suhim i zatvorenim uslovima prije ispitivanja ili miješanja u smjesi cementne paste. SAP čestice su dodane na vrh cementa i prvo su suho miješane kako bi se osigurala homogena disperzija u cementu. Nakon suhog miješanja dodana je ukupna voda zajedno s superplastifikatorom koji je otopljen u vodi prije dodavanja. Količina superplastifikata u SAP smjesama bila je jednaka kao za smjesu R0.30, kako bi se smanjio utjecaj na svojstva postavljanja odgovarajućih smjesa. Količina SAP koji se dodaje, nakon provođenja gore spomenutih testova temeljenih na apsorpciji vode za miješanje u odjeljku 2.1 bio je 0,22 m% (maseni udio težine veziva) SAP A (Ae) i 0,45 m% SAP B (Be) , respektivno. Nije zabilježen gubitak u obradivosti.

Postavke nuklearne magnetne rezonance (NMR)

Zatvorene posude (cilindri ∅ 27 mm × 100 mm) ispunjene cementnim pastama u NMR postavljene su kao što je prikazano na slici 1. Vanjsko magnetsko polje B0 primijenjeno je od 0,8 T koja odgovara frekvenciji od 34 MHz. Ovo polje je osigurano željeznim elektromagnetom, s polovima postavljenim na međusobnoj udaljenosti od 50 mm. Na uzorku je postavljena zavojnica za stvaranje i primanje radiofrekvencijskih polja tokom NMR mjerenja. Dodan je Faraday-ov  štit izmedu zavojnice i uzorka kako bi se smanjio učinak promjena dielektrične permitivnosti uslijed varijacija vlage. Na taj su način napravljena kvantitativna NMR mjerenja. Sva NMR mjerenja provedena su na sobnoj temperaturi (23 ± 1 ° C).

Slika 1.

NMR je tehnika magnetne rezonance u kojoj se manipulišu magnetni momenti jezgre. Frekvencija stanja data je Larmor-ovom frekvencijom f1:

Gdje je B0 – vanjsko primijenjeno statičko magnetsko polje i γ je g-faktor. G-faktor zavisi od vrste jezgre i za 1H γ / 2π je jednak 42,58 MHz · T-1.

Stoga NMR može biti osjetljiva samo na vodik. Gradijent magnetskog polja postavljen je na 0,3 T / m, nudeći jednodimenzionalnu razlučivost reda veličine 1,0 mm. U tzv. Pulziranom NMR eksperimentu, magnetske momente jezgre vodika manipuliraju radiofrekventnim (RF) impulsima pri frekvenciji rezonance.

Svi su signali normalizirani na prvi signal kako bi dobili postotak. Izmjereni postotak svakog vrha zatim se pomnožio s normaliziranim signalom kako bi se dobio relativni omjer svakog ispitivanog vrha kao funkcije vremena. Ovo je također proučavano kao funkcija stuepena hidratacije i nacrtana na osnovu teorijskog modela Powers-a i Brownyard-a. Primijenjene gustoće za izračun od mase do volumnog postotka modela Powers i Brownyard bile su 3140 kg · m-3 cementa, 1000 kg · m-3 vode, 1100 kg · m-3 superplastifikator i 1400 kg · m-3 SAP.

Interno mjerenje relativne vlažnosti zraka

Unutrašnja relativna vlažnost prati se pomoću senzora osjetljivosti relativne vlažnosti. Ove vlažnosti i temperaturne sonde dobivene su uz pomoć Vaisala (HMP110). Imaju raspon mjerenja od 0% do 100% RH i od -40 ° C do + 80 ° C. Sonda ima 180 R senzor s tačnosti od ± 1,5% RH. Senzor temperature je Pt1000 RTD klasa F0.1 IEC 60751 s tačnošću od ± 0,2 ° C. Zajedno sa probama, zaštitni poklopac je korišten za zaštitu sondi i održavanje internih uslova uzorka u blizini sonde.

Cementna pasta je izlivena u mali cilindar (∅ 14 mm x 85 mm visok) i sonda je odmah postavljena lebdeći iznad paste (slika 2). Koristili su se zaštitni poklopci i veza između cilindra i sklopa, a vrh je zapečaćen parafilmom kako bi se isključila vlaga. Na taj je način dobiveno zapečaćeno okruženje, a relativna vlažnost i temperatura mogu se pratiti kao funkcija vremena. Kompletno postavljanje postavljeno je na metalnu rešetku koja je bila u vertikalnom položaju tokom čitavog mjerenja.

Slika 2.

Mali porast temperature kao što je toplina hidratacije može pomaknuti mjerenja RH na lažna očitanja – postavljanje je uronjeno u vodenu kupelj smještenu na konstantnoj temperaturi od 20 ± 1 ° C.

Zaključci

Na temelju nalaza istraživanja o unutrašnjem stvrdnjavanju pomoću SAP-a kao korištenjem NMR (nuklearne magnetne rezonance), mogu se izvesti sljedeći zaključci:

Slobodna voda i ulazna voda pomoću SAP-a mogu se jasno razlikovati u spektru T2 relaksacije. SAP-ovi se odnose na razmjenu svojih ulaznih molekula vode sa molekulama vode na sučelju cementne matrice. Signal za ulaznu vodu SAP B smanjio se brže u odnosu na SAP ulazni vodeni signal.

Količina vode za miješanje koja je apsorbirana SAP-om dobivena uporedbom ispitivanja protoka i mikroskopske analize jednaka je količini određenoj pomoću NMR.

Osnovna raspodjela veličine pora je pronađena u rasponu od 1,5-2 nm, nakon čega slijedi količina pora veličine 8-12 nm. To se može pripisati gel porama.

Proučavanje unutrašnje relativne vlage dovelo je do istih zaključaka. SAP A je idealan za unutrašnje stvrdnjavanje i time ublažavanje autogenog skupljanja.

m-Kvadrat

print