Микроструктурные изменения в портланд-известняковом цементном тесте при совместном воздействии сульфатов и хлорид-анионов: 2021 г. Этап 1

Project: Grant fulfilmentGrant stage fulfilment

Project Details

Description

Основная цель проекта – систематическое экспериментальное исследование микроструктурных изменений, происходящих в портланд-известняковом цементном тесте при воздействии комбинированной хлоридно-сульфатной коррозионной среды. Задачи проекта состоят в изучении нескольких серий образцов, в которых изменяется i) содержание известняка в цементе, ii) содержание дополнительных цементирующих материалов, улучшающих стойкость цементных систем, и (iii) содержание органических добавок, которые воздействуют на процесс гидратации цемента. Полученные данные и сделанные на их основе обобщения предоставят инженерам необходимую информацию для надлежащего регулирования состава бетонной смеси, принимая во внимание как характеристики материала при определенных условиях эксплуатации, так и воздействие окружающей коррозионной среды на цементное тесто.

Layman's description

В 2021 году выполнялись работы по исследованию начального этапа процессов гидратации цементных паст путем анализа фазового состава и твердотельных спектров ЯМР. На первом этапе был выполнен анализ исходного цемента и проведен синтез набора образцов цементного теста, которые содержали 3%-ные добавки в виде уксусной, щавелевой, лимонной или винной кислот, а также натриевых солей этих кислот. По результатам синтеза был сделан вывод, что увеличение количества карбоксильных групп у используемой органической добавки приводит к замедлению процесса связывания цементного теста. На втором этапе были проведены сравнительные ЯМР исследования процесса гидратации на начальном этапе (до 34-х дней) составов, содержащих уксусную кислоту, ее натриевую соль и образца без органических добавок. Показано, что добавление 3%-ной уксусной кислоты или ацетата натрия препятствуют процессу гидратации на начальном этапе за счет адсорбции ацетатного иона на поверхности исходных и гидратированных фаз. Кроме того, добавление ацетата натрия приводит к образованию большого количества плохо растворимых форм карбоната кальция и значительному увеличению количества полимеризованных кремний содержащих фаз. На третьем этапе были проведены экспериментальные рентгеновские исследования всех синтезированных образцов и выполнен сравнительный анализ данных, получаемых от двух основных использованных в работе методик (ЯМР и рентгеновский фазовый анализ). Показано, что одновременное использование этих методик позволяет значительно повысить информативность получаемых данных. Сделан вывод, что добавление уксусной кислоты приводит к развитию благоприятных условий для образования эттрингита; наоборот, добавление ацетата натрия немного замедляет этот процесс. В свою очередь, эттрингит, выступая в роли катализатора образования таумасита в ходе сульфатной коррозии, может приводить к ухудшению прочностных характеристик цемента.

Key findings for the stage (summarized)

Основные результаты следующие:
1. Организация и оборудование специализированной лаборатории. Поскольку в группе исполнителей проекта целенаправленных исследований цементных материалов в таком объеме ранее не проводилось, потребовалось оборудовать лабораторию как специализированным оборудованием, так и общелабораторным.
2. Синтез образцов и пробоподготовка. Для проведения исследований по проекту был выбран ряд составов цементного теста с добавками в виде различных органических кислот и их натриевых солей: исходный образец без добавок, образцы с добавкой 3% уксусной, щавелевой, лимонной и винной кислот, а также с добавкой 3% натриевых солей уксусной, лимонной и винной кислот. Часть полученных образцов была помещена в коррозионные водные растворы, содержащие сульфат- и хлорид- ионы, а также их смесь при 5 °С для наблюдения процесса разрушения цементного теста. Поскольку процесс не мгновенный, то предполагается выдерживание образцов в коррозионных растворах до появления визуально наблюдаемых дефектов (трещин, сколов, набуханий и т.п.). К моменту окончания первого этапа исследований таких дефектов не возникло (срок выдерживания около 2-х месяцев), поэтому наблюдение будет продолжено в 2022-м году. Одновременно с этим такие же образцы в коррозионных растворах были приготовлены чешскими партнерами по проекту и в 2022-м году они будут проводить их прочностные испытания.
3. Рентгенофазовый анализ. В рамках выполнения работ по проекту были проведены тщательные рентгенофазовые исследования синтезированных образцов цементного теста без добавок, с добавлением 3%-ов уксусной кислоты, с добавлением щавелевой кислоты, с добавлением ацетата натрия, с добавлением цитрата натрия. Показано, что при добавлении органических кислот или их натриевых солей заметно увеличивается время гидратации исходных алита и белита. При этом сильно увеличивается содержание карбонатов кальция (кальцита, арагонита и ватерита). В свою очередь, количества исходных гипса, алюмината кальция, алюмоферрита кальция и оксида магния изменяются незначительно. Исходная фаза доломита к концу исследованного этапа гидратации практически полностью исчезает для всех образцов. В то же время, при гидратации исходного цемента возникают фазы гидрата кальция и эттрингита. Причем для образцов с добавлением органических веществ на основе ацетатного иона эттрингит формируется как на начальном этапе, так и на более поздних этапах путем перекристаллизации. Позднее эттрингит формируется в образце без добавок и еще более поздно в образцах с добавлением органических веществ, содержащих более одной карбоксильной группы. Интересное поведение наблюдается для образца с добавлением щавелевой кислоты: при гидратации этой цементной фазы возникает гидратированная фаза кальциевой соли щавелевой кислоты.
4. ЯМР исследования. В рамках проекта были проведены сравнительные ЯМР-исследования процесса гидратации на начальном этапе (до 34-х дней) для части из образцов, исследованных методом рентгенофазового анализа, а именно для образца цементного теста, содержащего уксусную кислоту, ее натриевую соль и образца без органических добавок. Для этого регистрировалась временная зависимость спектров ЯМР на ядрах 13С, 27Al и29Si на разных этапах гидратации цементного теста. Использование такого набора ядер при ЯМР-исследовании цементного теста позволяет охватить значительное количество сосуществующих фаз как кристаллических, так и аморфных. Иными словами, мультиядерные ЯМР измерения на разных этапах гидратации позволяют получать актуальные данные в химии цементов – следить за кинетикой фазовых изменений, происходящих в цементном тесте. Был сделан вывод, что добавление уксусной кислоты и ацетата натрия влияет на кинетику изменения фазового состава цементного теста во время процесса гидратации за счет адсорбции ацетатного иона на поверхности негидратированных и гидратированных фаз. Однако, по сравнению с образцом с добавлением уксусной кислоты, в образце с добавлением ацетата натрия наличие ионов натрия слегка увеличивает щелочность гидратируемой среды, что частично снижает эффективность такой адсорбции. Также можно заключить, что в целом добавление 3%-ов уксусной кислоты или ацетата натрия в цементную массу препятствуют процессу гидратации цементной пасты на начальных этапах. При этом добавление ацетата натрия приводит к образованию большого количества плохо растворимых форм карбоната кальция и значительному увеличения количества полимеризованных кремний содержащих фаз. Относительно сульфатной коррозии цементного теста можно сделать вывод, что добавление уксусной кислоты приводит к развитию благоприятных условий для образования эттрингита; в свою очередь, добавление ацетата натрия немного замедляет этот процесс.

Academic ownership of participants (text description)

1) П.М. Толстой, профессор. Общее руководство проектом, распределение задач в коллективе исполнителей. Подготовка и написание публикаций, отчетов.
2) А.С. Мазур, специалист РЦ МРМИ Научного парка СПбГУ. Синтез образцов и пробоподготовка. Проведение измерений твердотельных спектров ЯМР.
3) М.Г. Шеляпина, профессор. Проведение рентгенофазового анализа образцов.
4) И.С. Гиба, аспирант, инженер-исследователь. Проведение измерений твердотельных спектров ЯМР.

Transfer of the full copy of the report to third parties for non-commercial use: permitted/not permitted

разрешается

Check of the report for improper borrowing in external sources (plagiarism): permitted/not permitted

разрешается

Rationale of the interdisciplinary approach

Проект находится на стыке физики и химии, так как требует как химической пробоподготовки образцов, так и применения различных физико-химических методов их исследования.
Short titleМикроструктура портландцемента
AcronymRFBR_Czech_a_2021 - 1
StatusFinished
Effective start/end date3/02/2125/12/21

Fingerprint

Explore the research topics touched on by this project. These labels are generated based on the underlying awards/grants. Together they form a unique fingerprint.