هیدراتاسیون فاز الیت سیمان پرتلند

مکانیزم­های حاکم بر هیدراتاسیون کلسیم سیلیکات­ها ( (C₃S معمولاً از طریق منحنی تکامل گرما مورد بحث قرار می گیرد. اگرچه این منحنی در بیشتر منابع به هفت ناحیه تقسیم می­شود، بحث در مورد سه قسمت آن دارای اهمیت بیشتری است ( شکل1 ): I – از ابتدا تا پایان دوره القایی، II –از دوره القا تا پایان قله اصلی هیدراتاسیون و III – هیدراتاسیون پس از قله اصلی.

دو فرضیه­ی اصلی برای دوره­ی القا هیدراتاسیون فاز الیت:شکل 1- نمودار تکامل گرمایی کلسیم سیلیکات­ها

• تئوری غشاء محافظ

یکی از قدیمی­ترین تئوری­های مربوط به هیدراتاسیون است که توجیه تقریبا قابل قبولی برای این فرآیند  به حساب می­آمد.  محاسبه­ی آنتالپی نشان می­دهد علی­ رغم انحلال پذیری بالای الیت، در دوره­ی القا، نرخ واکنش هیدراتاسیون کاهش می­یابد. براساس این تناقض، برخی از محقیقن، تشکیل یک لایه سیلیکات کلسیم هیدرات (C-S-H) با پایداری پایین، بر روی سطح ذرات در حال واکنش با عملکردی به صورت یک مانع برای ادامه­ی واکنش پذیری، پیشنهاد کردند. بنابراین فرآورده­های ناپایدار تعیین کننده میزان نرخ انحلال هستند. در انتهای دوره­ی القا،  با فرض تبدیل این فرآورده­های ناپایدار به پایدار، لایه­ی مانع هیدراتاسیون از بین می­رود.

• کنترل انحلال با شرایط غیر اشباع

نرخ انحلال C₃S خالص با کاهش سطح اشباع محلول، به صورت غیر خطی با آن کاهش می­یابد، مانند زمانی که سیستم به حالت تعادل پیش می­رود. تمامی آزمایش­های انجام شده در این زمینه در شرایطی صورت می­گیرند که به اندازه کافی رقیق شده­اند تا از رسوب هیدرات­ها جلوگیری شود. بنابراین، نرخ­های به‌دست‌آمده برای واکنش، لزوماً از نظر کمی نشان‌دهنده نرخ‌های انحلال­های صورت گرفته در خمیر سیمان در حال هیدراتاسیون که در آن هیدرات‌ها تقریباً در یک زمان رسوب می‌کنند، نیستند. اندازه‌گیری چنین نرخ‌هایی در شرایط هیدراتاسیون واقعی بسیار دشوار است، زیرا جداسازی یا تعیین تجربی سطح “آزاد” C₃S در حال انحلال، مشکل است.

در شرایط هیدراتاسیون واقعی، انحلال و رسوب هیدرات­ها به طور همزمان و با سرعت یکسان صورت می گیرد (زیرا این محلول نمی تواند مقدار قابل توجهی از مواد حل شده را ذخیره کند). وجود هیدرات­ها روی سطح واکنش دهنده­ها ممکن است در فرآیند انحلال اختلال ایجاد کند.

 تفاوت دیگری که بین آزمایش‌های انحلال خالص و هیدراتاسیون واقعی وجود دارد، توپوگرافی سطحی است. مورفولوژی حفره­های مشاهده شده در آزمایش­های انحلال خالص بسیار کم عمق و عدسی شکل است. در حالی که حفره­های مشاهده شده بر روی دانه­های C₃S در طول دوره هیدراتاسیون معمولاً بسیار عمیق و به شکل نامنظم هستند. این موضوع نشان می‌دهد که نرخ‌های انحلال به‌دست‌آمده از آزمایش‌های انحلال خالص ممکن است مستقیماً به سرعت انحلال در شرایط هیدراتاسیون منتقل نشود و هنوز برای توضیح این تفاوت‌ها لازم است تلاش­هایی صورت بگیرد. در واقع، سطح هیدراته C₃S در شرایط خمیری در معرض محلولی قرار می گیرد که در طول زمان تکامل می­یابد. بنابراین ممکن است از رژیم­های مختلف انحلال عبور کند که منجر به یک توپوگرافی وابسته به زمان شود.  در هر صورت آزمایش‌های انحلال از نظر کیفی نشان می‌دهند که نرخ‌های انحلال به طور قابل توجهی با تکامل سیستم به سمت تعادل کاهش می­یابد.

شبیه­سازی دو تئوری لایه غیرفعال و غیرفعال سازی ناحیه :

در مجموعه‌ای از آزمایش‌های شبیه‌سازی، آقای بولارد و فلت سعی کردند راه­هایی برای تمایز بین نظریه لایه غیرفعال (یعنی نظریه غشاء محافظ) و فرضیه غیرفعال سازی ناحیه (یعنی نظریه انحلال) پیدا کنند. نتایج نشان داد که هر دو نظریه می‌توانند به شبیه‌سازی‌هایی منجر شوند که ویژگی‌های تجربی معمول، مانند تکامل گرمایی و تکامل ترکیب محلول منفذی را باز تولید کنند. با این حال، با بررسی اثر ممانعتی رسوب پرتلندایت بر سینتیک هیدراتاسیون (با یکسان لحاظ کردن موارد دیگر)، شبیه‌سازی‌های براساس دو نظریه­ی مختلف، سینتیک‌های بسیار متفاوتی را نشان می­دهد. یک تاخیر قوی در سینتیک مربوط به نظریه انحلال وجود دارد در حالی که هیچ تاخیری در مورد نظریه غشاء محافظ مشاهده نمی­شود. این موضوع در مورد نظریه انحلال با این توجیه که با عدم ترسیب کلسیم هیدروکسید، یون­های کلسیم و هیدروکسید وجود نداشته و ترکیب محلول در حالت غیر اشباع با C₃S با مقدار کم باقی می­ماند، قابل توجیه است. همچنین سرعت انحلال غشاء محافظ، متکی بر تبدیل یک C-S-H ناپایدار به یک C-S-H پایدارتر است. در این صورت، ممانعت از ترسیب پرتلندایت هیچ تاثیری بر آن تبدیل نخواهد داشت، بنابراین تاخیری نیز مشاهده نمی­شود. بولارد و فلات پیشنهاد کردند که شناسایی یک افزودنی بتن که می‌تواند به طور انتخابی از رسوب پرتلندایت جلوگیری کند در حالی که بر C₃S و C-S-H تأثیر نمی‌گذارد، می‌تواند قاطعانه بین این دو نظریه تمایز قائل شود.

در نهایت با توجه به یافته­های اخیر محققین، این ایده که واکنش توسط یک غشاء محافظ به عنوان یک مانع ­برای انتشار، محدود می­شود، باید کنار گذاشته شود. بنابراین فرضیه تئوری انحلال به عنوان مکانیزمی که مسئول دوره القاء است، معتبر باقی می ماند.

اخیراً، حین مطالعات رسوب مصنوعی C-S-H، مورفولوژی نانوکروی برای این فرآورده هیدراتاسیون در سنین اولیه سیمان هیدراته شده، مشاهده شده است. این محصول می­تواند فرآورده ناپایدار تشکیل شده در چند دقیقه اول واکنش هیدراتاسیون C₃S باشد. کومار و همکاران، پس از ساختن رسوب مصنوعی  C-S-Hدر شرایطی که مقدار pH 11 بود، با انجام تست پراش اشعه ایکس این فرآورده را با ساختار آمورف گزارش کردند. در این فرآورده نسبت Ca/Si کمتر از 1.25 بود و از ساختار زنجیره سیلیکات “dreierketten”، که به طور معمول برای C-S-H یافت می شود، پیروی نکرد.

رشد C-S-H بر روی دانه­های الیت، سیمان یا پرکننده ممکن است گاهی ظاهری تقریباً فویل مانند داشته باشد، اما معمولاً به نظر می­رسد که فویل­ها با هم ادغام می­شوند تا مورفولوژی معمولی نوک تیز یا سوزنی شکل را تشکیل دهند. با توجه به رشد شبه یک بعدی این سوزن­ها، آن­ها همچنان بر اساس ساختار لایه­ای توبرمورایت ناقص هستند.

مرحله­ی دوم: قله اصلی هیدراتاسیون

در بحث در مورد مکانیسم‌های حاکم بر قله اصلی هیدراتاسیون، این موضوع حائز اهمیت است که صرفاً توانایی برازش این منحنی، مدل مورد استفاده برای تولید منحنی را تأیید نمی‌کند. مدل‌های هیدراتاسیون باید بر اساس تطابق فیزیکی، شیمیایی و ریزساختاری آن­ها نیز ارزیابی شوند.

در گذشته، دو فرضیه رایج که برای توضیح اوج تکامل گرمایی مورد استفاده قرار می‌گرفت، فرضیه‌های لایه انتشار و برخورد بود. البته هیچ یک از این فرضیه­ها نمی­توانند شواهد تجربی را توضیح دهند.  در ادامه دو فرضیه جدیدتر، رشد محدود و محدودیت انحلال، معرفی و مورد بحث قرار می گیرند.

فرضیه لایه انتشار

تئوری لایه انتشار چنین فرض می­کند که با رسوب C-S-H روی سطح دانه­های سیمان، یک لایه ضخیم شونده تشکیل می­دهد که در نهایت به اندازه­ای ضخیم می­شود تا به عنوان یک مانع انتشار عمل کند. بسیاری از مدل­های قبل از سال 2000، به این فرضیه تکیه می­کنند.

شرکت همگرایان تولید – کپکو تولید کننده مواد و محصولات پلیمری و شیمیایی در صنعت بتن از جمله اسپیسر پلیمری ، افزودنی‌های شیمیایی بتن، مواد شیمیایی صنعت ساختمان و نوارهای آب بند واتراستاپ می باشد.