Freezing of fully and partly saturated cement paste

• Autorzy: Koniorczyk Marcin , Bednarska Dalia , Wieczorek Alicja , Konca Piotr

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2021.137174

Warianty tytułu

PL

Zamarzanie zaczynu cementowego w stanie częściowego nasycenia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The main purpose of the present paper is to distinguish water located in various types of pores contained within cement paste. The water sorption isotherm is the starting point of the experimental analysis. The investigation was conducted employing the conventional gravimetric method on cement paste composed with w/c=0.5. The investigation was conducted for the following relative humidity values: 11%, 54%, 75%, 84%, 93%, 97% and 100%. Once samples reached the equilibrium water content they were investigated by means of differential scanning calorimetry (DSC), which enabled us to record exothermic peaks corresponding to the crystallization of different water portions. Moreover, we intended to investigate the thermodynamic characteristics of the liquid phase confined within cementitious materials. Hence, the artificial pore solution was prepared. In order to determine the phase transition temperature and the amount of formed ice, the solution was used to saturate silica gel, which is a chemically passive material. Then the thermal analysis was conducted.

PL

Materiały cementowe charakteryzują się złożoną strukturą wewnętrzną zawierającą pory o szerokim zakresie średnic. Głównym celem przedstawionych badań jest analiza właściwości termodynamicznych wody zlokalizowanej w poszczególnych obszarach matrycy cementowej. Rozważania oparte są na równaniu Gibbsa-Thompsona [1], które opisuje zależność pomiędzy temperaturą przejścia fazowego płynu, a promieniem wypełnionego pora. Wyniki zinterpretowano wykorzystując model mikrostruktury zaczynu cementowego zaproponowany przez Jenningsa [2]. Przedmiotem badań jest zaczyn cementowy wykonany z cementu Portlandzkiego CEM I 42.5N-NA o wskaźniku w/c=0.5. Pierwszym etapem analizy eksperymentalnej było wyznaczenie izotermy sorpcji badanego zaczynu. W tym celu zastosowano tradycyjną metodę eksykatorową. Technika polega na kondycjonowaniu próbek w eksykatorach wyposażonych w nasycone roztwory soli nieorganicznych, które zapewniają stabilne warunki wilgotnościowe. W przeprowadzonym badaniu zastosowano następujące wilgotności względne powietrza: 11%, 54%, 75%, 84%, 93%, 97% and 100%. Po osiągnięciu przez próbki stanu równowagi, przeprowadzono analizę termiczną zaczynu za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej. Dodatkowo zbadano również próbki będące w stanie pełnego nasycenia. Dalsza analiza oparta została na termogramach zarejestrowanych w trakcie chłodzenia poszczególnych próbek do temperatury -65ºC z prędkością 0.5ºC/min, rys. 1.A. Uzyskane wyniki stanowią wartości średnie z trzech pomiarów. W przypadku próbek przechowywanych w powietrzu o wilgotności 11% i 54% nie odnotowano żadnej przemiany. W trakcie chłodzenia pozostałych próbek zarejestrowano dwa, wyraźnie oddzielone, egzotermiczne piki, z których pierwszy rozpoczyna się poniżej 0ºC, a drugi w temperaturze ok -35ºC. Pierwszy pik odzwierciedla przemianę fazową wody znajdującej się w porach kapilarnych badanego zaczynu. Jest on dominujący jedynie w przypadku próbek o pełnym nasyceniu oraz przechowywanych nad wodą (RH≈100%). Dla RH≈97% wydzielone ciepło jest znacznie mniejsze i główna część przemiany zachodzi w niższej temperaturze (ok. -5ºC), natomiast dla wilgotności RH≈93%, 84%, 75% pierwszy pik jest zaniedbywalnie mały. Ta tendencja jest potwierdzona przez zestawienie mas lodu powstałego w trakcie poszczególnych przemian fazowych, rys. 1.B. W porach kapilarnych próbki nasyconej powstało 0,035 grama lodu na gram suchej próbki. Masa lodu znacząco się zmniejsza wraz ze spadkiem wilgotności względnej powietrza, w którym próbki były przechowywane. Druga zarejestrowana przemiana rozpoczyna się w temperaturze ok. -35ºC, która, zgodnie z równaniem Gibbsa-Thompsona [1], odpowiada średnicy porów wynoszącej ok. 5-6nm. Drugi pik odzwierciedla zatem krystalizację wody wypełniającej pory żelowe materiału. Jego intensywność jest na niemal stałym poziomie dla w pełni nasyconych próbek oraz tych, przechowywanych w powietrzu o wilgotności od 84% do 100%. Uzyskane wyniki są zgodne z modelem mikrostruktury matrycy cementowej zaproponowanym przez Jenningsa [2]. W trakcie chłodzenia próbek o zróżnicowanej wilgotności zarejestrowano dwie główne przemiany fazowe wody wypełniającej badany materiał. Pierwsza przemiana (bezpośrednio poniżej 0ºC) zachodzi w wodzie kapilarnej, natomiast druga (poniżej 35ºC) w porach żelowych. Stosując techniki analizy termicznej należy pamiętać, iż niezamarzająca warstwa cieczy pokrywa ścianki porów nawet w bardzo niskich temperaturach [3]. Dlatego też, zgodnie z podziałem Jenningsa, najmniejsze pory, które można analizować za pomocą kalorymetrii skaningowej to tzw. duże pory żelowe, o średnicy powyżej 5nm. Niemniej jednak, kalorymetria skaningowa jest narzędziem pozwalającym na jakościową ocenę rozkładu wilgoci w próbkach zaczynu cementowego.

Słowa kluczowe

EN

cement based material; cement paste; freezing; sorption isotherm; thermal analysis; differential scanning calorimetry

PL

zamarzanie wody; izoterma sorpcji; zaczyn cementowy; analiza termiczna; kalorymetria skaningowa różnicowa

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 67, nr 2
• Strony: 383--396
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Koniorczyk Marcin

• Lodz University of Technology, Department of Building Physics and Building Materials, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-6887-4324

autor

Bednarska Dalia

• Lodz University of Technology, Department of Building Physics and Building Materials, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-2146-0650

autor

Wieczorek Alicja

• Lodz University of Technology, Department of Building Physics and Building Materials, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-2723-3552

autor

Konca Piotr

• Lodz University of Technology, Department of Building Physics and Building Materials, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-5415-5169

Bibliografia

• [1] T. Powers, "Properties of cement Portland concrete", Proceedings of the 4th ICCC, Washington, pp. 571-609, 1960.
• [2] F. Wittmann, "Interaction of hardened cement paste and water", Journal of the American ceramic society, vol. 56, no. 8, pp. 409-415, 1973.
• [3] R. F. Feldman, P. J. Sereda, and V. S. Ramachandran, A study of length changes of compacts of Portland cement on exposure to H2O. Division of Building Research, National Research Council, 1964.
• [4] R. F. Feldman and P. J. Sereda, "A model for hydrated Portland cement paste as deduced from sorption-length change and mechanical properties", Matériaux et Construction, vol. 1, no. 6, pp. 509-520, 1968.
• [5] H. M. Jennings, "Colloid model of C-S-H and implications to the problem of creep and shrinkage", Materials and structures, vol. 37, no. 1, pp. 59-70, 2004.
• [6] H. M. Jennings, "Refinements to colloid model of CSH in cement: CM-II," Cement and Concrete Research, vol. 38, no. 3, pp. 275-289, 2008.
• [7] N. Issaadi, A. Nouviaire, R. Belarbi, and A. Aït-Mokhtar, "Moisture characterization of cementitious material properties: assessment of water vapor sorption isotherm and permeability variation with ages," Construction and Building Materials, vol. 83, pp. 237-247, 2015.
• [8] L. Greenspan, "Humidity fixed points of binary saturated aqueous solutions," Journal of research of the national bureau of standards, vol. 81, no. 1, pp. 89-96, 1977.
• [9] Z. Pavlík, P. Michálek, M. Pavlíková, I. Kopecká, I. Maxová, and R. Černý, "Water and salt transport and storage properties of Mšené sandstone," Construction and Building Materials, vol. 22, no. 8, pp. 1736-1748, 2008.
• [10] R. Defay, A. Bellemans, and I. Prigogine, Surface tension and adsorption. London: Longmans, 1966.
• [11] A. Schreiber, I. Ketelsen, and G. H. Findenegg, "Melting and freezing of water in ordered mesoporous silica materials," Physical Chemistry Chemical Physics, vol. 3, no. 7, pp. 1185-1195, 2001.
• [12] M. Z. Zhang, G. Ye, and K. Van Breugel, "A numerical-statistical approach to determining the representative elementary volume (REV) of cement paste for measuring diffusivity", Materiales de Construcción, vol. 60, no. 300, pp. 7-20, 2010.
• [13] M. Koniorczyk and D. Bednarska, "Kinetics of water freezing from inorganic salt solution confined in mesopores", Thermochimica Acta, no. 178434, 2019.
• [14] C. Michaelsen and M. Dahms, "On the determination of nucleation and growth kinetics by calorimetry", Thermochimica acta, vol. 288, no. 1-2, pp. 9-27, 1996.
• [15] S. Vyazovkin, A. K. Burnham, J. M. Criado, L. A. Pérez-Maqueda, C. Popescu, and N. Sbirrazzuoli, "ICTAC Kinetics Committee recommendations for performing kinetic computations on thermal analysis data", Thermochimica Acta, vol. 520, no. 1, pp. 1-19, 2011/06/10/ 2011,
• [16] A. Muller and K. Scrivener, "A reassessment of mercury intrusion porosimetry by comparison with 1H NMR relaxometry", Cement and Concrete Research, vol. 100, pp. 350-360, 2017.
• [17] K. S. Sing, "Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosity (Recommendations 1984)", Pure and applied chemistry, vol. 57, no. 4, pp. 603-619, 1985.
• [18] H. M. Jennings, A. Kumar, and G. Sant, "Quantitative discrimination of the nano-pore-structure of cement paste during drying: New insights from water sorption isotherms", Cement and Concrete Research, vol. 76, pp. 27-36, 2015.
• [19] E. H. Atlassi, "Influence of silica fume on the pore structure of mortar when measured by water vapour sorption isotherms", in The Modelling of Microstructure and its Potential for Studying Transport Properties and Durability: Springer, 1996, pp. 257-270.
• [20] T. C. Powers and T. L. Brownyard, "Studies of the Physical Properties of Hardened Portland Cement Paste", Journal of American Concete Institute, no. 43, 1947.
• [21] H. Tian, C. Wei, H. Wei, and J. Zhou, "Freezing and thawing characteristics of frozen soils: Bound water content and hysteresis phenomenon", Cold Regions Science and Technology, vol. 103, pp. 74-81, 2014.
• [22] W. Kurdowski, Chemia cementu. Wydawnictwo Naukowe PWN, 1991.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).