Публикации: Прочее (рубрикатор)

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»».