Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Микрофотография цементного камня, затворенного на Н2O;
Микрофотография цементного камня, затворенного на D2O;

Гидратация цемента в тяжелой воде

Ключевые слова:  гидратация, ИК-спектроскопия, мнение, периодика, силикатные материалы

Автор(ы): Фанина Е.А.

Опубликовал(а):  Фанина Евгения Александровна

11 марта 2009

Установление закономерностей гидратации силикатных материалов - важная задача, так как позволяет реализовать новые технологические решения в строительном материаловедении и получать композиты с заранее заданными, улучшенными функциональными свойствами. Перспективными в этом направлении являются применение современных методов исследований кинетики гидратации силикатных материалов, таких как радиоспектроскопия, спектроскопия, микроскопия. Изучение кинетики химических реакций, протекающих при гидратации силикатных материалов с водой, осложняется многими факторами. Так, в процессе химических реакций состав и строение взаимодействующих фаз изменяется. Водный раствор в процессе взаимодействия с минералами постоянно меняет ионный состав, поэтому активность ионов в дисперсионной среде влияет на качественный и количественный состав гидратных новообразований дисперсной фазы. Как правило, на начальной стадии гидратации на границе раздела фаз образуется гелеобразная пленка толщиной в несколько ангстрем, химический состав и строение которой зависит от физико-химических свойств воды. Существенно, что в процессе гидратации маршрут и дальнейшее течение химических реакций зависит от начальной стадии разрыва химических связей взаимодействующих компонентов, поэтому исследования кинетики процесса гидратации являются актуальными.
Важным фактором, влияющим на морфологический состав силикатов, является разрыв химических связей в молекуле воды и последующий перенос протона или гидроксила из жидкости на твердую фазу. Методом радиоспектроскопии обнаружено образование радикалов водорода, гидроксила, трехкальциевого и двухкальциевого силикатов - ●OH, H●, 3CaO●.HSiO2, 2CaO●H SiO2, следовательно, распад молекул воды в начальный период гидратации происходит по смешанным маршрутам - ионному и радикальному.
Для выяснения кинетики гидратации силикатов были проведены исследования морфологической структуры цементного камня методом ИК-Фурье спектроскопии в растворах на основе тяжелой воды D2O. В ИК-спектре воды происходит смещение полос поглощения в низкочастотную область спектра при замещении атома водорода на дейтерий, обладающего большей массой. Вследствие изотопного эффекта происходит смещение частот валентных колебаний с 3266 см-1 до 2463 см-1, а деформационных - с 1636 до 1203 см-1.
Смещение частотных составляющих валентных колебаний дейтрона в тяжелой воде обуславливает ее низкую активность в процессах гидратации. В ИК-спектрах наблюдали снижение концентрации фаз, отвечающих за набор прочности цементного камня. Более того, возможно нарушение оптимальных соотношений коллоидных и кристаллических составляющих цементного камня, что приводит к дополнительному снижению прочностных характеристик. Коллоидные составляющие, в основном, образуются при разрыве молекул воды по радикальному маршруту. Уменьшение интенсивности полос с максимумом 1480 см-1 связано со снижением активности ОН-групп, связанных с ионом кремния в тетраэдре SiO4.
Проведено исследование микроструктуры образцов цементных композитов проводилось в возрасте 28 суток твердения. Для исследования структуры образцов использовали цифровой сканирующий электронный микроскоп TESCAN VEGA TS5130 MM с энергодисперсионным спектрометром Oxford INCA Energy 350.
На микрофотографии цементного камня, затворенного на D2O, четко видна конфигурация кристаллов – мелких и несовершенных. Преобладают призматические кристаллы, а микроструктура поверхности является однородной. На микрофотографиях цементного камня, гидратировавшего на обычной воде, преобладают волокнистые кристаллы, которые обволакиваются гелеобразной силикатной фазой. Также видны кристаллические новообразования, микропоры, в которых видны игольчатые кристаллы гидросиликатов кальция.
Можно предположить, что существенное снижение прочности цементного камня при использовании тяжелой воды вызвано несколькими факторами, основными из которых являются изменение составляющих распада тяжелой воды на дейтрон и гидроксил по радикальному и ионному маршрутам. Соответственно изменяются активность воды и соотношение коллоидных и кристаллических составляющих цементного камня. Детальное рассмотрение механизма гидратации силикатов может оказать существенное влияние на совершенствование технологии получения новых композиционных вяжущих материалов с заранее заданными свойствами.

Работа выполнена при финансировании проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области индустрии наносистем и материалов по критической технологии «Технологии создания и обработки композиционных и керамических материалов» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы по теме «Теоретические основы синтеза функциональных токопроводящих силикатных композиционных материалов»».



Средний балл: 4.3 (голосов 4)

 


Комментарии
С тяжелым сердцем утвердил эту заметку. Ряд... мест... в ней у меня, как у химика, вызвал большие вопросы, однако поскольку предыдущая заметка вызвала оживленную дискуссию, вероятно, стоит обсудить и ее продолжение....
Владимир Владимирович, 12 марта 2009 05:19 
В категории "без рецензии" на мой взгляд очень уместно и пользительно.
Вопрос к автору РЕФРЕНОМ: приведите, пожалуйста, научные доказательства следующего утверждения:
"Методом радиоспектроскопии обнаружено образование радикалов водорода, гидроксила, трехкальциевого и двухкальциевого силикатов", приведенных выше.
Безумно интересно про все эти радикалы, и особенно водорода!
----
Вроде, это сделали, чтобы проследить за всякими процессами в цементе. Но оказалось, что тяжелая вода имеет другие химические свойства, чем обычная?
----

ДА!

Причём капитально другие. Даже физические свойства заметно отличаются.
Просто на тяжёлой воде изотопный эффект дейтерия проявляется в максимальной мере.

Так что использовать её для гидратации цемента и делать на основе этого сильно далеко идущие выводы... э-э... нелогично. Не считая безумной цены самой тяжёлой воды.
И не считая спецнадзора за изотопами водорода.

Ещё есть сверхтяжёлая вода
Комментарии Евгения Алексеевича и Владимира Владимировича весьма уместны. Но... следует обратить внимание на оригинальность исследования и новизну полученных данных. Вероятно, при достаточно серьезной критике работы можно существенно повысить ее качество. Эх, как тяжела эта вода!
1. Как можно себе представить "гелеобразную пленку толщиной несколько ангстрем"? Буде такая пленка образуется, как узнать, что она гелеобразна?
2. Как можно представить себе исследование морфологии методом ИК-спектроскопии?
3. Каким именно образом изменение частоты колебаний в ИК-области сказывается на химических свойствах воды?
4. Каким способом был проведен количественный ИК-анализ (определены концентрации)?
Граждане (можно авторы) подскажите пожалуйста, что такое (с т.з. структуры) радикалы трех- и двухкальциевых силикатов?
Владимир Константинович,
насчёт "гелеобразной плёнки" - даже великие ошибались!
Вот, глубоко мною уважаемый Б.В Дерягин открыл "новое состояние воды" (гелеобразное или полимерное, именно в субмикронной плёнке и капиллярах). Потом проявил мужество и " закрыл" сие открытие - за что ему респект!

Впрочем, действительно явление наблюдается (особенно на поверхностях, содержащих диоксид кремния). И плёнка "гелеобразной воды" - ни что иное, как раствор полимерной кремниевой кислоты.
Согласна с Александром Николаевичем...есть только предположения об образовании радикалов. Снижение концентрации спиновой метки в цементном камне дает возможность такого предположения .

Владимир Владимирович, 13 марта 2009 10:36 
Евгения Александровна,
А можно тогда задать простой вопрос: как производилось удаление кислорода из "теста"/"камня"??
(Ведь и из растворов порой его трудно полностью удалить, а из "дисперсионных фаз" и подавно...)
Попробуйте ловушки радикалов.

Это хоть даст химический ответ, есть они там или нету.

А спектры... Мало ли из-за чего та метка исчезает.
Владимир Владимирович, 13 марта 2009 11:55 
Попробуйте ловушки радикалов.
Александр Ринатович,
А можно попросить привести конкретный химический пример?
----
[I]Попробуйте ловушки радикалов.
Александр Ринатович,
А можно попросить привести конкретный химический пример?[/I]
----

Обычно их называют антиоксиданты . Например, БГТ.

Хорошо подходящий для этого исследования пример я с ходу не назову.
Владимир Владимирович, 13 марта 2009 23:42 
А как БГТ сможет помочь в исследовании ("дать химический ответ")??
Вообще-то, "ловушка" (trapping agent) свободных радикалов - вещество, образующие с радикалами стабильное хим.соединение, которое можно измерить количественно. Т.е. "поймать и зафиксировать".
Про цемент не знаю, но во многих системах "ловушкой", например, гидроксил-радикала может быть салициловая кислота (или производные). Образуется дигидроксибензойная кислота - её определяют количественно.
Владимир Владимирович, 14 марта 2009 02:23 
Здорово
Но ведь это должны быть значительные количества гидроксид-радикала в системе. Я скорее размышлял про тиолы (образование дисульфидных соединений), но мне кажется тоже вряд ли как-то поможет в данном случае.
А потом, первичный вопрос: как удаляли кислород из цементов...
Я бы предложил какой-нибудь мономер винилового ряда. Подобранный так, чтобы его полимеризация по ионному механизму не протекала, но при этом активно полимеризующийся по радикальному. Тогда даже один радикал спокойно вызовет приличную убыль кратных связей, что фиксируется химически. Прочие способы ловли радикалов, по-моему недостаточно чувствительны.
Владимир Владимирович, 16 марта 2009 15:01 
Александр Ринатович,
В реакциях радикальной полимеризации есть два основных процесса, происходящих с участием радикалов: инициирование роста полимерной цепи и ее обрыв.
Инициирование требует присоединение радикала к двойной связи и обладает некоторой энергией активации. Обрыв цепи (как рекомбинация двух радикалов) имеет значительно меньшую энергию активации. Поэтому практически любой радикал может обрывать растущую цепь, но не любой радикал ее успешно инициировать.
В связи с этим, предложенный Вами план вряд ли будет хорошо работать в большинстве случаев
Владимир Владимирович, случай у нас только один. Конкретно - гидратация цемента. Если тут сработает, то больше ничего и не надо.

При полимеризации надо рассматривать инициирование, передачу цепи на мономер или полимер, и обрыв. Для всех разные константы и вполне можно подобрать систему, где константы обрыва будут минимальны.
Владимир Владимирович, 16 марта 2009 18:07 
Александр Ринатович,
Хорошо! Давайте я Вам конкретно напишу: НЕ БУДЕТ РАБОТАТЬ и с цементом, совсем НЕ БУДЕТ! (Ну, никогда не говори никогда, конечно, но уж проще не будет однозначно...)
Обрыв будет доминировать по конкретным причинам, изложенным выше! (Да и с кислородом мы не разобрались, а Вы - "передача цепи"... как теоретик какой хитромудрый, уж извините за крепкое словцо...)
Если Вы считаете, однако, что можно "вполне подобрать систему", то просим КОНКРЕТНЫЙ пример в студию! Вы же практический химик!

P.S. Подумал, кстати, и какую-то экспериментальную систему создать может и можно, но то, что я могу представить себе будет очень опосредовано по отношению к цементу и никак не проще... (и ограничение обрыва на прямую никак не обходит...)
Так что очень хочется услышать Ваши мысли, в том числе про кислород.

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Веселый наноослик-Gd2O3
Веселый наноослик-Gd2O3

XVI Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов "Физико-химия и технология неорганических материалов"
С 1 по 4 октября 2019 года в г. Москве в Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук состоится ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов "Физико-химия и технология неорганических материалов".

Студенты кафедры РЛ-2 МГТУ им. Баумана в гостях у НТ-МДТ Спектрум Инструментс
Видеоотчет об экскурсии студентов МГТУ им. Баумана в НТ-МДТ Спектрум Инструментс

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Новые наноматериалы для восстановления костей. Непростые отношения графена и воды. Борнитридные наноленты с реконструированными краями. Термоэлектричество и азафуллерены. Борщ и блины как материалы в экстремальных условиях.

Новые гибридные перовскитоподобные материалы для солнечной энергетики
Тарасов Алексей Борисович, Постнаука
Как сохранить энергию солнца или ветра? Как может измениться стационарная энергетика в будущем? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) Постнаука рассказывает о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Материалы к защитам квалификационных работ бакалавров на ФНМ МГУ в 2019 году
Коллектив авторов
4-7 июня 2019 г. (11-00) в аудитории 221 корпуса Б пройдут защиты ВКР бакалавров ФНМ МГУ.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2019 году
Семенова Анна Александровна
21-24 мая 2019 года в лабораторном корпусе Б пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками ФНМ МГУ.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.