The interfacial transition zone between filler and matrix in cement based composites with cenospheres

• Autorzy: Pichór W.

Warianty tytułu

PL

Strefa kontaktowa między wypełniaczem a matrycą w kompozytach cementowych z mikrosferami

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Cenospheres from coal ash are lightweight filler applied in cement based composites. The interfacial transition zone between cement paste and cenospheres was investigated by SEM observations, X-ray analysis into micro regions and XRD method. In case of cement based composites the interfacial transition zone was found only for naturally hardened cement and the zone had discontinuous character. For autoclaved sample of Portland cement the cement paste in the vicinity of cenosphere's surface was compact and there were no difference in relation to distant region of cement paste. In case of cenospheres with lime the pozzolanic properties of filler resulted in formation on its surface the hydration products. A needle-like forms of C-S-H phase and tobermorite were found. The interaction between high aluminum cement paste and cenospheres also leads to formation of bulk products of hydration. No interfacial transition zone was observed for sample with high aluminum cement. The paste close to cenosphere's surface was compact, without microcracks and gaps, that usually indicate good adhesion of hydration products to the surface of filler. Obtained results suggest that the cenospheres are good filler for production of the cement based composites, both naturally hardened and autoclaved.

PL

Mikrosfery stanowiące frakcję popiołów lotnych, pochodzących ze spalania węgla kamiennego w klasycznych paleniskach, są atrakcyjnym lekkim wypełniaczem kompozytów z różnymi rodzajami matryc. Między innymi znajdują zastosowanie jako mikrokruszywo do zapraw i betonów lekkich o podwyższonych właściwościach izolacyjnych. Większość cech takich kompozytów poza właściwościami składników zależy od właściwości strefy kontaktowej między wypełniaczem a matrycą cementową. W przypadku kruszywa w betonie wielu autorów postuluje istnienie porowatej strefy kontaktowej kruszywo--zaczyn cementowy, wzbogaconej w portlandyt, której powodem jest zwiększony współczynnik wodno-cementowy w pobliżu powierzchni kruszywa. Dla lekkich kruszyw porowatych efekt zwiększania lokalnego współczynnika wodno-cementowego w większości przypadków nie występuje. W pracy przedstawiono wyniki badań strefy kontaktowej kruszywo-zaczyn w kompozytach cementowych z mikrosferami. Zaprezentowano wyniki obserwacji mikroskopowych dla różnych rodzajów cementu oraz próbek poddanych autoklawizacji. Dla próbek z cementem dojrzewających naturalnie zaobserwowano strefę o podwyższonym stosunku Ca/Si, występującą jedynie okazjonalnie wokół mikrosfer o stosunkowo dużej średnicy. W większości przypadków strefa kontaktowa nie różni się w zasadniczy sposób od zaczynu cementowego oddalonego od powierzchni mikrosfer. Zaobserwowano dobrą przyczepność produktów hydratacji cementu do ich powierzchni. W przypadku próbek z cementem portlandzkim poddanych autoklawizacji, poza bardziej rozluźnionym upakowaniem produktów hydratacji w bezpośrednim otoczeniu mikrosfer, nie stwierdzono występowania strefy wzbogaconej w portlandyt. Obserwacje wykonano również dla kompozytu z mikrosferami i spoiwem w postaci wapna palonego, poddanych autoklawizacji. W tym przypadku obok występowania Ca(OH)2 stwierdzono obecność produktów reakcji pucolanowej, głównie fazy C-S-H oraz tobermorytu. Mikrosfery wykazują stosunkowo dużą odporność na działanie temperatury do 900°C, co wskazuje na potencjalną możliwość ich zastosowania jako lekkiego wypełniacza tworzyw do izolacji termicznej pracującej w podwyższonych temperaturach. Obserwowana strefa kontaktowa z zaczynem z cementu glinowego nie różni się zasadniczo od zaczynu oddalonego od powierzchni mikrosfery. Zaczyn w otoczeniu mikrosfer jest zwarty, a brak szczelin w tym obszarze wskazuje na dobrą przyczepność zaczynu do wypełniacza. Przeprowadzone obserwacje wskazują na dobrą współpracę mikrosfer z różnymi rodzajami matryc cementowych, poddanych różnym warunkom dojrzewania. Zaobserwowana strefa kontaktowa dla zaczynów z cementów portlandzkich dojrzewających w warunkach naturalnych, o wzbogaconym stosunku Ca/Si, związanym prawdopodobnie z podwyższoną zawartością portlandytu, występuje sporadycznie i jedynie dla mikrosfer o stosunkowo dużej średnicy. Dla próbek autoklawizowanych strefy takiej nie stwierdzono. Mikrosfery glinokrzemianowe stanowią więc atrakcyjny wypełniacz dla lekkich kompozytów z różnymi rodzajami spoiw mineralnych.

Słowa kluczowe

EN

interfacial zone; cenosphere; cement composites; lightweight fillers

PL

strefa kontaktowa; mikrosfera; kompozyty cementowe; lekki wypełniacz

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2006
• Tom: R. 6, nr 3
• Strony: 71--77
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Pichór W.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics Mickiewicza 30, 30-059 Cracow, Poland,

Bibliografia

• [1] Kolay P.K., Singh D.N., Physical, chemical, mineralogical and thermal properties of cenospheres from an ash lagoon, Cement and Concrete Research 2001, 31, 539-542.
• [2] Fisher G.L., Chang D.P.Y., Brummer M., Fly ash collected from electrostatic precipitators: Microcrystalline structures and they mystery of the spheres, Science 1976, 192, 553--555.
• [3] Matsunaga T., Kim J.K., Hardcastle S., Rohatgi P.K., Crystallinity and selected properties of fly ash particles, Materials Science and Engineering 2002, A325, 333-343.
• [4] Pichor W., Petri M., Properties of the cenospheres from coal ash (in Polish), Papers of the Commision on Ceramic Science, Polish Ceramic Bulletin Polish Academy of Science - Cracow Division, Polish Ceramic Society, Ceramika/Ceramics 2003, 80, 705-710.
• [5] Suryavanshi A.K., Swamy R.N., Development of lightweight mixes using ceramic microspheres as fillers, Cement and Concrete Research 2002, 32, 1783-1789.
• [6] Lilkov V., Djabarov N., Bechev G., Kolev K., Properties and hydration products of lightweight and expansive cements. Part I: Physical and mechanical properties, Cement and Concrete Research 1999, 29, 1635-1640.
• [7] Matyszewski T., Bania A., Mickiewicz D., Properties of sand concretes with cenospheres addition (in Polish), Cement-Wapno-Gips 1986, 2-3, 53-55.
• [8] Pichor W., Petri M., Properties of fibre reinforced composites with cenospheres from coal ash (in Polish), Kompozyty (Composites) 2004, 4, 11, 319-325.
• [9] Farran J., Contribution mineralogique a l'etude de l'adherence entre constituants hydrates des ciments et les materiaux enrobes, Materiaux et Constructions 1956, 490-491, 155-172.
• [10] Breton D., Carles-Gibergues A., Ballivy G., Grandet J., Constribution to the formation mechanism of the transition zone between rock-cement paste, Cement and Concrete Research 1993, 23, 335-346.
• [11] Zimbelman R., A contribution to the problem of cement-aggregate bond, Cement and Concrete Research 1985, 15, 801-808.
• [12] Monteiro P.J.M., Improvement of the aggregate-cement paste transition zone by grain refinement of hydration products, Proc. 8th International Congress on the Chemistry of Cement, Rio, Brasilia 1986, 3, 433-437.
• [13] Pichór W., Dyczek J., Interfacial zone in FRC with synthetic fibres (in Polish), Proc. Conf. The Building Materials - a New Trends in Chemistry and Technology, AGH, Cracow 1999, 268-283.
• [14] Kuo-Yu Liao, Ping-Kun Chang, Yaw-Nan Peng, Chih-Chang Yang, A study on characteristic of interfacial transition zone in concrete, Cement and Concrete Research 2004, 34, 977--989.
• [15] Diamond S., Huang J., The interfacial transition zone: reality or myth? The Interfacial Transition Zone in Cementitious Composites, London 1998, 3-39.
• [16] Maso J.C., The bond between aggregates and hydrates cement pastes, Proc. 7th International Congress on the Chemistry of Cement, Paris 1980, 3, 7, 3-15.
• [17] Wasserman R., Bentur A., Interfacial interactions in lightweight aggregate concretes and their influence on the concrete strength, Cement and Concrete Composites 1996, 18, 67-76.
• [18] Lo Y., Gao X.F., Jeary A.P., Microstructure of pre-wetted aggregate on lightweight concrete, Building and Environment 1999, 34, 759-764.
• [19] Pichór W., Dyczek J., Early formation of the interfacial zone in FRC with PAN fibers, Proc. International Symposium Brittle Matrix Composites 5, Warsaw 1997, 74-78.
• [20] Grandet J., Ollivier J.P., New method for the study of cement-aggregate interfaces, Proc. 7th International Congress on the Chemistry of Cement, Paris 1980, 3, 7, 85-89.