CC BY
44
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
УДК 666.942
Е.А. Шошин, Ю.Г. Иващенко, А. А. Широков, П.В. Руфимский ВЛИЯНИЕ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ НА ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ ЦЕМЕНТНОЙ ПАСТЫ
Изменения электрокинетического потенциала цементной пасты являются индикатором образования наночастиц новой фазы.
Портландцемент, электрокинетический потенциал, нанофаза E.A. Shoshin, Y.G. Ivaschenko, A.A. Shirokov, P.V. Rufimsky
INFLUENCE OF PHASE TRANSITIONS ON THE ZETA POTENTIAL OF DISPERSED PHASE CEMENT PASTE
Changes in zeta potential of the cement paste as an indicator to nanoparticle formation of a new phase.
Portland cement, zeta-potential, nano-phase
На термокинетической кривой гидратации цемента можно выделить несколько стадий гидратации цемента [1-3]. На стадии прединдукционного периода наблюдается скачок интенсивности тепловыделения с последующим ее снижением в течение 15-20 мин. На второй стадии (индукционный период) скорость реакции очень низка. Длительность индукционного периода составляет несколько часов. В это время цементное тесто сохраняет свою пластичность и удобоукладываемость. Первые две стадии являются наиболее важными, при этом природа индукционного периода не до конца ясна. Последнее заставило авторов [4] предпринять тщательное исследование термических эффектов гидратации цемента методом дифференциальной сканирующей калориметрии, в результате чего было обнаружено, что окончание индукционного периода сопровождается слабозаметным экзоэффектом (рис. 1).
О 10 20 30 40 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Время, чае Время, час
Рис. 1. Термограмма гидратации рядового цемента * - тепловой эффект, связанный с окончанием индукционного периода
Сопоставление данных электронной микроскопии и калориметрических исследований обнаружило, что рассматриваемый тепловой эффект в конце индукционного периода соответствует началу интенсивного формирования на поверхности цементных частиц наноразмерных образований (рис. 2).
Рис. 2. Сканирующая электронная микроскопия поверхности клинкерного зерна: а - исходная поверхность; б - поверхность через 2,5 часа гидратации; в - поверхность через 2,7 часа гидратации; г - поверхность через 2,9 часа гидратации; д - поверхность через 4 часа гидратации
д
Согласно принятым представлениям [1, 2], в течение индукционного периода (до 4 часов) в жидкой фазе увеличивается концентрация Са(ОН)2, а в конце индукционного периода отмечается образование силикатов сложного состава. Учитывая, что еще в литературе советского периода высказывалась идея об индукционном периоде как фазе накопления зародышевой фазы [5], представляло интерес сопоставить процессы, протекающие в водном растворе, с обнаруженными поверхностными явлениями.
В качестве инструмента наблюдения, позволяющего в режиме реального времени наблюдать характер изменений электрокинетических свойств частиц в жидкой фазе, был выбран метод регистрации электрокинетического потенциала методом динамического рассеяния света (ДРС), реализованный в приборе Zetasizer Nano ZS, (Malvern, Великобритания). Измерение проводилось лазером мощностью 10 мВт/см2 угол рассеяния 173 град.
В качестве объекта исследования был выбран бездобавочный цемент Вольского завода ПЦ-400 Д0, аналогичный по свойствам исследованному авторами [4].
го
X
Ф
>5
*
и
ф
т
5
н
ш
X
5
2
О
а
н
2
ф
т
Время наблюдения, мин
Рис. 3. Изменения электрокинетического потенциала частиц дисперсной фазы цементной пасты
Препараты для измерения представляли собой 1,5% суспензии цемента в деионизированной воде Milli-Q, подвергнутые кратковременной (30 с) обработке в УЗ бане (УЗУМИ-05, Трима, Россия). Для увеличения точности измерения подготовленные препараты подвергали кратковременной изотермической выдержке (1 мин), в ходе которой происходила седиментация грубых частиц цемента, что позволило сконцентрировать в жидкой фазе частицы размерного диапазона 2-3 мкм.
Из сопоставления данных измерения электрокинетического потенциала с термокинетическими кривыми (рис. 1) видно, что термоэффект в конце индукционного периода и резкий рост дзета-потенциала совпадают по времени (2,5-2,7 часа) и отвечают процессу формирования нанообразований на поверхности цементных частиц (табл. 1).
Таким образом, изменения электрокинетического потенциала свидетельствуют о фазовых переходах, происходящих в цементной пасте. Резкое увеличение дзета-потенциала в конце индукционного периода гидратации цементной пасты соответствует лавинообразному росту числа наночастиц новой фазы.
Изменения электрокинетического потенциала дисперсной фазы цементной пасты
Таблица 1.
Время, мин Электрокинетический потенциал дисперсной фазы, мВ Время, мин Электрокинетический потенциал дисперсной фазы, мВ
0 1,17 180 5,79
30 1,41 240 5,96
60 1,73 300 4,24
90 2,18 360 4,48
120 3,09 420 4,02
150 3,87
Измерения дзэта-потенциала проводились в Центре коллективного пользования (ЦКП) научным оборудованием в области физико-химической биологии и нанобиотехнологии «Симбиоз» Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов Российской академии наук (ИБФРМ РАН) при непосредственном участии его руководителя Широкова А.А.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рамачандран В.С. Добавки в бетон: Справочное пособие / В.С. Рамачандран, Р.Ф. Фельдман, М. Коллепарди. М.: Стройиздат, 1988. 575 с.
2. Тейлор Х. Химия цемента: пер. с англ. / Х. Тейлор. М.: Мир, 1996. 560 с.
3. Ramachandran V.S. Handbook of thermal analysis of construction materials / V.S. Ramachandran, Ralph M. Paroli, James J. Beaudoin and Ana H. Delgado. Noyes publications, Norwich, New York, 2003. 702 p.
4. Macar J.M. A peak in the hydration reaction at the end of the cement induction period / J.M. Macar; G.W. Chan; K.Y. Esseghaier // Journal of materials science. V.42. № 4. Feb. 2007. P. 1388-1392.
5. Глекель Ф.Л. Физико-химические основы применения добавок к минеральным вяжущим / Ф.Л. Глекель. Ташкент: ВАН, 1974. 123 с.
Шошин Евгений Александрович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные материалы и технологии» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Evgeny A. Shoshin -
Ph. D., Assosiate Professor
Department of Building Materials and Technologies, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Иващенко Юрий Г ригорьевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Строительные материалы и технологии» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.
Yuri G. Ivaschenko -
Dr. Sc., Professor
Department of Building Materials and Technologies Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Широков Александр Александрович -
кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории иммунохимии, руководитель Центра коллективного пользования «Симбиоз» Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН
Руфимский Павел Владимирович -
студент кафедры «Строительные материалы и технологии» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Alexandеr A. Shirokov -
Ph. D., Research Fellow Laboratory of Immunochemistry Head: Multiaccess Center «Simbioz»,
Institute of Biochemistry and Physiology of Plants and Micro-organisms of the Russian Academy of Sciences
Pavel V. Rufimsky -
Undergraduate
Department of Building Materials and Technologies, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 14.01.14, принята к опубликованию 15.03.14
