Lianţii anorganici – materiale de construcţii Lianţii sunt materiale naturale sau artificiale care au proprietatea de a trece, în condiţii specifice, prin fiecare dintre stările lichidă, fluidă sau plastică, în masă vâscoasă sau rigidă. Lianţii pot lega într-un tot unitar şi coeziv materialele granulare de regulă cele din categoria pietrei naturale dar şi elementele prelucrate (cărămizi, blocuri ceramice şi înlocuitori), formând astfel conglomerate artificiale (beton, mortar, etc). Această transformare a lianţilor implică două faze: priza şi întărirea: priza reprezintă transformarea dintr-o masă plastică într-o masă rigidă dar friabilă; întărirea marchează momentul când masa solidă începe să capete rezistenţe mecanice. Un liant mineral trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: să se întărească într-un timp relativ scurt; să adere bine la materialele granulare; să nu prezinte variaţii mari de volum în timpul întăririi şi după îceea; să prezinte stabilitate la acţiunea factorilor fizici şi chimici cu care e în contact. 1
36
Embed
G Determinarea gradului de hidratare al cimentului Portland prin analiz-â roentgenografic-â Gloria
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Lianţii anorganici – materiale de construcţii
Lianţii sunt materiale naturale sau artificiale care au proprietatea de a trece, în condiţii
specifice, prin fiecare dintre stările lichidă, fluidă sau plastică, în masă vâscoasă sau rigidă.
Lianţii pot lega într-un tot unitar şi coeziv materialele granulare de regulă cele din categoria
pietrei naturale dar şi elementele prelucrate (cărămizi, blocuri ceramice şi înlocuitori), formând
astfel conglomerate artificiale (beton, mortar, etc).
Această transformare a lianţilor implică două faze: priza şi întărirea:
priza reprezintă transformarea dintr-o masă plastică într-o masă rigidă dar friabilă;
întărirea marchează momentul când masa solidă începe să capete rezistenţe mecanice.
Un liant mineral trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:
să se întărească într-un timp relativ scurt;
să adere bine la materialele granulare;
să nu prezinte variaţii mari de volum în timpul întăririi şi după îceea;
să prezinte stabilitate la acţiunea factorilor fizici şi chimici cu care e în contact.
Lianţii anorganici se pot clasifica în funcţie de compoziţia lor chimică şi de natura
proceselor care au loc la întărirea lor. Procesul de întărire a lianţilor uzuali poate avea loc:
fără a fi însoţit de interacţii chimice între cei 2 componenţi ai sistemului (solid-
lichid), sau ca urmare a unor interacţii chimice între cei 2 componenţi.
cu formare de hidrocompuşi ca urmare a unor procese de hidratare-hidroliză.
Lianţii anorganici se pot clasifica în funţie de natura liantului, de modul de obţinere şi
modul de întărire, în mai multe produse, cum ar fi: argilele, varul, ipsosul, cimentul Portland şi
cimentul aluminos, cimentul magnezian tip Sorel şi cimentul fosfatic.
Cimentul reprezintă cel mai important material de construcţie folosit la fabricarea
betonului. Cimentul este un liant anorganic hidraulic care, în amestec cu apa, formează o pastă ce
face priză şi se întăreste. După întărire, îşi menţine rezistenţa şi stabilitatea, chiar şi sub apă.
Cimentul Portland şi cimentul aluminos sunt substanţe poliminerale. La amestecarea
acestora cu apa, au loc procese de hidratare-hidroliză cu formarea unor structure de noi
formaţiuni hidratate, rezistente-silicatice (în cazul cimentului Portland), şi aluminatice (în cazul
Hidrosilicatul C2SnH2O format în urma primelor două reacţii trece cu timpul în:
CaO · SiO2 · n H2O · 2CaO · SiO2 nH 2O → CaO · SiO2 · nH2O + CaO.
În perioada a doua (coloidarea şi saturarea) în principal pe contul Ca(OH)2 şi
hirosilicatul, ce se depun sub formă de microparticule, posedă capacităţi cleioase (adevize) (mase
caloidale, care îi comunică aluatului de ciment plasticitate).
8
Perioada a treia (cristalizarea) Ca(OH)2 şi aluminitul tricalcic sedimentate încep să treacă
în stare cristalină.
Determinarea gradului de hidratare a lianţilor anorganici
Materialele de construcţie se caracterizează prin proprietăţile chimice, minerale şi de
fază. Compoziţia chimică ne permite să judecăm despre următoarele însuşiri ale materialelor:
ardere, rezistenţă la acţiunile biologice. Aşa materiale ca varul, cimentul, materialele din piatră e
mai convenabil să fie apreciat prin conţinutul lor de oxizi, acizi, baze şi săruri.
Compoziţia minerală arată ce minerale şi în ce cantitate se conţin în materialele liante ori în
materialele de piatră. Componenţa de fază a materialului şi trecerea apei dintr-o fază în alta are o
mare însemnătate la starea (lucrul) materialului în timpul exploatării acestuia. În corpurile solide
se deosebesc părţile tari, care formează pereţii porilor, ori aşa-zis “scheletul” materialului şi
porii, umpluţi cu aer sau apă. Structura materialelor se studiază la trei nivele:
primul - structura macrografică (macroporoasă), care se vede cu ochiul ne înarmat, cu
diametrul porilor de la zecimi de milimetru pînă la 1 - 2 mm;
al doilea - macrostructura materialului - materialul la care dimensiunele porilor sunt de
sutimi sau miimi de milimetri, care se văd la microscopul optic;
al treilea - structura internă a substanţei ce constituie materialul la nivelul iono-molecular
se studiază cu metodele de analiză röentgenografică cu raze de difracţie X, microscopiei
electronice, etc. Microstructura materialelor de construcţie tari poate fi conglomerată, celulară,
cu pori mărunţi, fibros grăunţos-înfoiată (pulveriform). Conglomeratele artificiale formează o
grupă imensă, care uneşte diferite feluri de betoane, unele materiale ceramice etc.
Determinarea gradului de hidratare a lianţilor permite o evaluare cantitativă a vitezei de
hidratare, respectiv a cinetici procesului de legare a apei la hidratarea liantului anhidru.
Informaţiile obţinute permit aprecieri privind reactivitatea fată de apă a liantului respectiv,
precum şi referitoare la influenţa unor factori (fineţe de măcinare, adaosuri şi aditivi,
temperatură) asupra acesteia.
Pentru determinarea gradului de hidratare se pot folosi mai multe metode, dintre care pot
fi amintite următoarele:
Determinrea apei legate chimic
Analiza röentgenografică (difracţie de raze X)
9
Analiza termică complexă
Determinarea gradului de hidratare prin
analiza röentgenografică (difracţie de raze X)
Metodele difractometrice sunt folosite pentru determinările calitative şi cantitative ale
compoziţiei mineralogice, dar şi în studiul structurii substanţelor.
Cu ajutorul razelor X se pot determina elemente de simetrie cristalină şi tipul structurii,
faze cristaline, distanţe interplanare (dhkl), constantele reţelei, orientarea cristalelor, gradul de
cristalitate.
Studiul substanţelor cristaline cu ajutorul difracţiei cu raze X se poate realizte utilizând
diferite metode. Metodele difractometrice se pot grupa după tipul de radiaţie X utilizat în:
Metode cu radiaţii X policromatice
Metode cu radiaţii X monocromatice
În funcţie de probele investigate metodele röentgenografice se pot grupa în:
Metode specifice monocristalelor
Metode specifice policristalelor
Metode specifice policristalelor au cele mai largi aplicaţii tehnice, pentru că marea majoritate a
probelor investigate prin difracţie de raze X o reprezintă cele policristaline. O substanţă
policristalină este formată din fragmente cristaline de dimensiuni de 1- 10µm, distribuite izotrop
în spaţiu. Un fragment de cristal este alcătuit din reţeaua monocristalului corespunzător, având
toate caracteristicile structurale ale acestuia, cu deosebirea că orientarea lui faţă de o direcţie dată
nu poate fi pusă în evidenţă din cauza prezenţei celorlalte fragmente de cristale, împreună cu care
formează distribuţia spaţială izotropă.
Singurele mărimi ce caracterizează policristalul din punct de vedere a geometriei reţelei
şi care pot fi extrase din imaginile de difracţie sunt distanţele reticulare dhkl ale familiilor de plane
respective.
În vederea realizării unei analize difractometrice se aplică pulberea cristalină pe o placă
plană fixate pe un support rotativ. Radiaţia incident trece printr-o fantă şi ajunge pe suprafaţa
probei. Radiaţia difractată este înregistrată de un contor Geiger-Müller, care se roteşte pe un
10
cerc, în centru căruia se găseşte proba. Impulsurile contorului Geiger-Müller sunt amplificate şi
înregistrate, obţinându-se următoarele spectre de difracţie:
Figura nr.3 Spectru de difracţie al cimentului anhidru
11
Figura nr.4 Spectru de difracţie al cimentrului hidratat 7 zile
Figura nr. 5 Spectru de difracţie al cimentului hidratat la 28 zile
12
Fiecărui maxim de difractogramă îi corespunde un unghi caracteristic, legat prin relaţia
lui Bragg (2dhkl sinθ = nλ unde n = 1, 2, 3, …) de o familie de planuri reticulare cu
echidistanţa :
În timpul studierii difractogramelor prezentate în figurile nr.3-5 s-a urmărit atribuirea
unghiurilot θcaracteristice maximelor de interferenţă, astfel s-a trasat o perpendiculară din vârful
maximului pe axa orizontală a unghuilui 2θ şi i s-a atribuit valoarea respectivă, aceasta s-a
împărţit la 2 pentru aflarea unghiului θ, În funcţie de valoarea unghiului θ,se stabileşte valoarea
lui d, din tabelele de convertire a unghiurilor în distanţe d, folosind relaţia Bragg-Wulff.
Valoarea unghilui θpoate varia considerabil între 15-55 de unităţi. Jumătatea acestei
valori este reprezentată de un număr cu trei cifre reprezentative, care se aleg din tabele pe
verticală (1-35), pentru valori unitare şi pe orizontală (0-9), pentru valori subunit
Tabelul nr.1
Convertirea a unghiurilor θîn distanţe d folosind relaţia Bragg-Wulff.
13
Fiecare valoare a distanţelor interplanare d, se identifică, în funcţie de intensitatea picului, câte unui constituent mineralogic. Aceşti constituenţi mineralogici cât şi produşii de hidratare au anumite caracteristici röentgenografice care sunt prezentate în tabele nr.2-4.
Tabelul nr. 2 Caracteristici röentgenografice ale constituenţilor cimentului Portland.
Tabelul nr.3 Caracteristici röentgenografice ale produşilor de hidratare ai cimentului
Portland. Produşi de hidratare ai silicaţilor de calciu.
14
Tabelul nr.4 Caracteristici röentgenografice ale produşilor de hidratare ai cimentului
Portland. Produşi de hidratare ai aluminaţilor de calciu.
În urma studiului tuturor maximelor de intensitate, s-a urmărit direct diminuarea
intensităţii interferenţelor caracteristice compusului anhidru, dar şi a compuşilor hidrataţi
rezultaţi ca urmare a evoluţiei procesului de hidratare – hidroliză, pe măsură ce acesta
reacţionează cu apa.
Considerând un anumit compus mineralogic al cimentului Portland, determinarea
röentgenografică a gradului de hidratare se bazează pe determinarea cantităţii acelui compus
nereacţionat după anumite interval de hidratare, respectiv după 7 zile şi 28 de zile.
Începând cu intensităţi de 100% şi terminând cu intensităţi slabe, am identificat următorii
costituenţi pentru cimentul anhidru, care sunt prezentate în tabelul nr.5.
În tabelul nr.6 sunt prezentaţi componenţii cimentului hidratat după 7 zile, iar în tabelul nr.7
sunt prezentaţi componenţii cimentului hidratat după 28 de zile.
15
Tabelul nr.5 Costituenţii cimentul anhidru.
Nr.
crt.
Constituenţi mineralogici Simbol d I1/I0 Gh
1 3CaO.Al2O3 C3A 2.778 40 60
2 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF 2.635 100 0
3 .2Ca.SiO2 C2S 2.745 80 20
4 3CaO.SiO2 C3S 2.996 40 60
5 3CaO.SiO2 C3S 2.976 40 60
6 3CaO.SiO2 C3S 2.189 80 20
7 3CaO.SiO2 C3S 2.342 60 40
8 3CaO.SiO2 C3S 1.932 60 40
9 3CaO.SiO2 C3S 1.757 80 20
10 3CaO.SiO2 C3S 1.614 80 20
Tabelul nr.6 Componenţii cimentului hidratat după 7 zile.
Nr.
crt.
Constituenţi
mineralogici
Simbol d I1/I0 Gh
1 Ca(OH)2 CH 4.9240 80 20
2 Ca(OH)2 CH 3.1400 40 60
3 Ca(OH)2 CH 1.1916 40 60
4 Ca(OH)2 CH 1.7830 60 40
5 3CaO.SiO2 C3S 3..0363 80 20
6 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF 2.6350 100 0
7 3CaO.Al2O3.6H2O C3AH6 1.6970 40 60
16
8 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF 1.7030 60 40
Tabelul nr.7 Componenţii cimentului hidratat după 28 zile.
Nr.
crt.
Constituenţi mineralogici Simbol d I1/I0 Gh
1 Ca(OH)2 CH 4.92
4
80 20
2 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF 2.63
5
100 0
3 Ca(OH)2 CH 3.14
0
40 60
4 .2Ca.SiO2 C2S 3.07
7
30 70
5 Ca(OH)2 CH 1.93
2
40 60
6 Ca(OH)2 CH 1.78
9
60 40
7 3CaO.Al2O3.6H2O C3AH6 1.69
7
40 60
Distanţele interplanare sunt utilizate pentru a identifica compusul decelat röentgenografic.
Gradul de hidratare (Gh) se calculează cu relaţia:
17
100%, în care :
I0 = intensitatea interferenţei de 2,68Å pe difractograma compusului respectiv anhidru.
I1 = intensitatea interferenţei de 2,68Å pe difractograma compusului hidratat după un anumit
interval de timp.
Urmărind evoluţia gradului de hidratare în timp pentru constituenţii anhidri şi compuşii hidrataţi,
am determinat variaţia lor, care sunt prezentate în tabelul nr.8
Tabelul nr. 8 Principalii constituenţi mineralogici
Nr.
Crt.
Constituenţi mineralogici Simbol d Gh (%)
Anhidru După 7 zile După 28 zile
1 3CaO.Al2O3 C3A 2.7780 60 0 0
2 3CaO.SiO2 C3S 2.9960 60 20 0
3 .2Ca.SiO2 C2S 2.7450 80 20 0
4 Ca(OH)2 CH 4.9240 0 20 20
5 Ca(OH)2 CH 3.1400 0 60 60
6 Ca(OH)2 CH 1.9160 0 60 60
7 Ca(OH)2 CH 1.7830 0 40 40
8 .2Ca.SiO2 C2S 3.0770 0 20 70
9 .2Ca.SiO2 C2S 3.0360 30 0 0
10 3CaO.Al2O3.6H2O C3AH6 1.6970 0 60 60
11 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF 2.6350 0 0 0
18
Urmărind evoluţia gradului de hidratare în timp pentru compuşii cu intensitatea cea mai mare,
am ajuns la următoarele concluzii:
Compusul 3CaO.Al2O3 cu simbolul C3A prezintă o scădere a gradului de hidratare de la
starea de anhidru până la 7 zile, care apoi are o evoluţie constant până la 28 de zile, ceea
ce se poate vedea în figura nr.6
Figura nr.6 Variaţia gradului de hidratere a 3CaO.Al2O3 (C3A), în timp.
Compusului 3CaO.SiO2 cu simbolul C3S are un grad de hidratare de 60% în prima zi,
apoi scade la 20% după 7 zile, iar la 28 de zile este nul, ceea ce se poate vedea în figura
nr.7
Figura nr.7 Variaţia gradului de hidratere a 3CaO.SiO2 (C3S), în timp,
19
Compusul 3CaO.Al2O3.6H2O cu simbolul C3AH6 suferă o scădere a gradului de hidratare
de la 80% la 20% după 7 zile şi apoi la 0% după 28 zile.
Compusul 4CaO.Al2O3.Fe2O3, cu simbolul C4AF are o evoluţie constant în timp, nu suferă
nici o modificare în urma procesului de hidratare – hidroliză ceea ce se poate vedea în
figura nr. 8
Figura nr.8 Variaţia gradului de hidratare a 3CaO.Al2O3.6H2O (C3AH6) şi a
4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF)
Compuşii Ca(OH)2 cu simbolul CH cu diferite distanţe interplanare, le creşte Gh de la
starea anhidră la respective Gh= 20, 40, 60 având diferite grade de hidratare, cu o evoluţie
constantă în timp după 7 zile până la 28 de zile, cum se poate vedea în figura nr.9
Figura nr. 9 Variaţia gradului de hidratare a Ca(OH)2 (CH), în timp.
20
Pentru a avea o imagine de ansamblu voi prezenta mai jos evoluţia gradului de hidratare a
a principalilor constituenţi mineralogici, în timp, care este ilustrat şi în figura nr.10
Figura nr. 10 Variaţia gradului de hidratere a principalilor constituenţi mineralogici, în
funcţie de timp
21
Intensităţile specifice relative rezultă prin raportarea intensităţii unor maxime de difracţie din
spectru atribuite compusului hidratat, la intensitatea liniei sale celei mai puternice, considerată ca
fiind 100, acestea fiind calculate şi prezentate în tabelul nr. 9.
Tabelul nr. 9 Evoluţia intensităţilor specifice relative compuşilor hidrataţi deceleraţi
röentgenografic
Nr.
Crt.
Constituenţi mineralogici Simbol d Intensitatea specifică relativă (%)
Anhidru După 7 zile După 28 zile
1 3CaO.Al2O3 C3A 2.7780 0,90 0 0
2 3CaO.SiO2 C3S 2.9960 0,53 0 0
3 .2Ca.SiO2 C2S 2.7450 0,56 0 0
4 Ca(OH)2 CH 4.9240 0 0,64 1
5 Ca(OH)2 CH 3.1400 0 0 0,21
6 Ca(OH)2 CH 1.916 0 25 0,35
7 Ca(OH)2 CH 1.7830 0 0 0,20
8 .2Ca.SiO2 C2S 3.0770 0 0 0,22
9 .2Ca.SiO2 C2S 3.0360 0 0,18 0
10 3CaO.Al2O3.6H2O C3AH6 1.6970 0 0 0
22
11 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF 2.6350 0,58 0,51 0,78
De asemenea se reprezintă grafic evoluţia în timp a intensităţilor specifice relative ale
compuşilor hidrataţi deceleraţi röentgenografic (I=f(t)), în figura nr.11
Figura nr.11 Evoluţia intensităţilor specifice relative ale compuşilor hidrataţi deceleraţi
röentgenografic
Concluzii
Analiza röentgenografică oferă informaţii cu privire la proprietăţile componenţilor mineralogici,