耐用性和混凝土的微观结构特性与阿拉伯树胶生物聚合物掺合料

文摘

阿拉伯树胶生物聚合物(AGB)最近被证实能改善新鲜和硬化混凝土的力学和物理性能使它有前途的可持续和环保减剂。目前的工作重点是增加AGB的和易性的影响,设定时间,混凝土的耐久性。此外,进行微观结构分析提供客观证据和支持先前的调查结果和假设的解释。流表进行实验是波特兰水泥砂浆与不同比例的混合AGB评价和易性。测量水泥浆初凝时间的不同AGB的内容。x射线荧光cement-AGB混合粉进行测试来确定其化学成分。在AGB混凝土碳化深度样本估计评估耐久性。AGB-added水泥粉受到x射线衍射和扫描电镜测试,以确定水化和暴露的微观结构特性AGB水泥混合和有助于解释其宏观行为,分别。

1。介绍

阿拉伯树胶生物聚合物(AGB)是一种可持续的材料从野生植物中提取。发现主要在苏丹(1),在它的附近。但因其低粘度和高水溶性(2]。由于这些吸引人的属性,它是从事各种行业,包括化妆品、纺织、制药、封装、光刻、甚至食品行业。AGB也被用作一个活页夹陶瓷釉料添加剂减少伤害的风险在处理工厂(3]。

另一方面,创造市场机会AGB福利生产国家的当地社区通过就业收集、提取和AGB的分布。

阿拉伯树胶台地高原(GAK)的来源金合欢台地高原海,主要生长在非洲南部国家。GAK是一种高分子量的多糖兆瓦2.99×10⁶g·摩尔⁻¹(4]。阿拉伯树胶生物聚合物主要是被称为口香糖金合欢塞内加尔和金合欢seyal和主要是由于其纯度和优质5]。AGB由低分子量多糖的组成兆瓦0.25×10⁶g·摩尔⁻¹(6,7]。

这两种类型的牙龈(AGB和GAK)包含自然糖的百分比。它们由侧链的L-arabinose D-glucuronic终端设备或L-rhamnose D-galactose组成的骨干单位(8]。

在最早报道工作9)的使用天然胶作为混凝土的掺合料,研究得出的结论是,天然胶材料改善和易性和抗压强度。

在随后的工作(4)水灰比(w / c)可以减少从0.61到0.48,抗压强度增加了37%在180天的固化的阿拉伯树胶台地高原。添加了更多的阿拉伯树胶台地高原,混凝土的密度略有下降,和易性提高,更高的衰退幅度为200%。

一个纯粹的视觉观察10]显示强大的影响对毛细管AGB的扩散、孔隙度、和毛细现象。这些属性被发现与抗压强度变化始终表现出最小强度最高的地方。空气含量降到最低AGB分数增加。和易性是随着AGB增加内容,这意味着一个潜在的使用AGB在自密实混凝土10]。

流测试、出血和抗压强度与水泥砂浆混合阿拉伯树胶台地高原作为水外加剂也被调查。最后设置时间增加了6 h。出血的砂浆与阿拉伯树胶的增加减少台地高原百分比。在修改后的混合物,携入的空气含量最低的是阿拉伯树胶台地高原比例在0.7%至0.8%之间。抗压强度增加时,水灰比从0.5到0.4可以减少由于剂量的阿拉伯树胶台地高原在0.7%和0.9%之间(11]。

在最近的一项研究[12),据报道,阿拉伯树胶混凝土(或生物聚合物混凝土)提供了更长的设置时间和比普通混凝土和易性。

减少(16%)在混凝土渗透在13)为最优AGB重量分数,这意味着显著改善耐久性。改善近8%抗弯和抗拉强度得到了一个最佳的比例AGB在0.7%和0.8%之间。

本研究的目的是,第一,补充调查通过研究更具体的属性,由AGB的积极影响,即和易性,密度,初凝时间,和持久性(碳化),其次,分析AGB的化学成分和微观结构混凝土混合(x射线荧光)通过x射线衍射和扫描电子显微镜(SEM)来支持和确认他们的解释观察到的宏观行为。

2。材料

2.1。混凝土

作为一个初步的调查AGB具体属性,普通硅酸盐水泥的特性研究中使用先进行。

水泥的设置时间测定的时间测试方法设置液压水泥的ASTM C191标准(2006)(14使用维卡软化点仪)。比重是使用液压水泥密度的试验方法获得的ASTM C 188标准(2003)(15]。所有这些属性使用三个数据分测量量进行评估。结果如表所示1。

然后,砂和粗骨料粒度测定的决心使用筛分析根据ASTM C 136 - 96标准测试方法(2007)(16]细和粗骨料的筛分分析。沙的大小获得3/8,8,16日,30、60、100和200亩。粗骨料粒径1英寸至3/8。

集料的细度模数定义为加权平均大小的筛子,从最好的计算。已计算出总样本的表面区域(后17)基于百分比通过为每个筛。细和粗骨料的性质提出了表2。

筛分分析结果呈现在图1。如图所示,获得的样本曲线通过的比例位于ASTM最大和最小之间的曲线。这意味着聚合粒子属性如大小的分布,通过百分比,每个筛上最大重量符合标准。

2.2。AGB的物理化学性质

阿拉伯树胶生物聚合物主要包括挥发性物质和不同比例的火山灰和含有金属元素如铝、铁、铜、锌和镁(1]。AGB的物理化学性质取决于树的类型和来源,渗出物时间、存储、和气候条件。AGB高度溶于水,特点是低粘度比其他牙龈。它可以溶解在蒸馏水中浓度超过50% (2]。AGB的碱度是证实了纯氢(pH) 8测量的AGB利用本研究使用781 pH /离子Meter-Metrohm室温为20.6°C。

2.3。AGB的化学结构单元

AGB的化学成分可能取决于气候,起源,丰收的季节,树的时代,和加工条件。

AGB是一个复杂的混合物组成的多糖和糖蛋白。这是原始的低糖核糖和阿拉伯糖18]。最近,一些已进行调查以确定AGB的分子结构和相关的流变和乳化性能。

AGB的分子结构主要是由3 6-chains联系在一起β-D-galactopyranose取代位置6 3-linked的侧链α-L-arabinofuranose。图2,礼物AGB的常见结构19]。

AGB的确切分子结构仍相当不确定的,因为它是一种混合物,并显著不同的材料取决于源(20.]。

3所示。方法

流表进行实验研究AGB砂浆的流动性的影响。锥是放置在一个干净和干燥流程表,和模具充满了两层砂浆,都将用捣棒杆20倍。捣固压被选中,确保模具充满最低空白。

模具从砂浆,然后提出删除表和流是由装置在15秒25倍。流计算的平均四个测量直径的四个不同的方向,表示为一个相对原始直径的百分比。对于每个AGB的百分比,保留的结果是基于三个样本的平均值。实验进行了根据ASTM (21]。

初凝时间测试进行不同剂量的AGB水泥浆与手动设置时间装置(infraTest)温度20°C和25°C之间。六百克的OPC和不同剂量的混合AGB在0.1%和1.1%之间。1毫米针30秒后,发布和阅读是混合后粘贴。第二阅读30分钟后,阅读每15分钟。执行的测试是根据ASTM C191-04 (2004) (22]中描述23]。

密度是评价样品的重量比的体积混凝土模具每ASTM C642-13表示(2013)(24]。每个样本的计算做了后养护时间的测试使用一个电子天平灵敏度为0.1 g。

PANalytical x射线荧光(光谱仪)应用于确定的化学成分AGB和AGB水泥混合后的养护28天根据ASTM C114如[25]。破碎后,通过筛分直径75μm,测试标本准备Pt /非盟坩埚然后成型压标本。粉末压成固体平板电脑使用低速液压机和40毫米死去。每个标本操作需要大约5分钟。

碳化试验进行评估AGB的耐久性混凝土标本。在第一步中,圆柱试样直径100毫米,高200毫米的准备并受养护28天。接下来,每个样品在实验室干的表面温度。然后,所有样本被放置在一个碳化室的温度30±2°C和61 - 69%的房间湿度。此外,标本浸泡在4%的二氧化碳(有限公司₂28天)解决方案。每个样本分割通过使用压缩机间接拉伸试验和直接喷洒酚酞。碳化深度的阅读是在每一个分割的三分,然后平均相对于分裂的双方。程序测试后进行RILEM委员会CPC-18如[26]。

AGB和AGB水泥样品进行测试使用XRD分析来识别和比较他们的水化率。

粉末x射线衍射的方法是使用飞利浦(PW 1730)铜K-α辐射的x射线源(波长λ= 1.5418Ǻ)。衍射仪的扫描角5°~ 60°步长为0.015°1.8秒计数时每一步。x射线装置的电流强度和电压是固定在40 mA和40 kV,分别描述(27]。

使用扫描电子显微镜(SEM)、场发射枪显微镜与高压15.00 kV,探测器等,与添加反向散射电子探测器,产生一个强大的电场激发电子的原子。这是用来确定标本的形态产生的水化过程。电子枪顶部的显微镜垂直领导下的电子使用一组电磁透镜在真空室。

样品制备的方式对结果的质量有着重要的影响。粉末形式的测试标本准备然后粉碎,通过筛号200。标本粉是固定在1厘米直径试样夹使用双面涂碳利用,为了提供导电性粉末试样的一层薄薄的金使用溅射涂布机。完全干燥,样品被放置在一个真空区域在SEM测试室。

4所示。结果与讨论

4.1。流表的实验

流测试AGB水泥砂浆在不同用量从0.1%到1.1%不等已被确定为一个水平测量AGB灰浆混合传播。图3介绍了确定流直径砂浆AGB百分比的函数。添加AGB的影响砂浆混合的流是非常重要的。相对控制标本,流动性增加21%至0.7%的AGB用量为1.1%和73%。增加流量的能力AGB灰浆混合归因于高粘度、流变行为和AGB的乳化效果。

4.2。设置时间

样本准备初凝时间测试不同百分比的AGB混合物。测量结果表明,初凝时间取决于AGB的用量比例呈现在图4。初凝时间不断增加,AGB剂量高达0.9%。AGB的百分比为0.7%,初凝时间为3.5 h。为0.9%,达到超过8 h。初凝时间的延迟是有用的在炎热的天气里初凝时间。AGB因此可以用作减速减水剂掺合料在混凝土混合。

在AGB用量的0.4%,初凝时间延长超过2.5 h相比控制标本。这提供了更好的设置时间比比勒陀利亚口香糖,只有1.8 h以上控制(4]。

在[28),缺陷被发现取决于铝酸三钙(C₃在水泥)内容。在[28),也提到缺陷时可以获得的硫酸钙水泥溶于水,与C反应₃答:因此,在水中添加AGB应该激活反应,它所包含的铝酸三钙和硫酸钙,这就增加了设置时间和缺陷。这同意之前的发现(4,29日一些水化产品和C₃,吸附胶存在的解决方案之前,硫酸钙和C的反应₃一个。

延长凝结时间的原因可能是减少钙矾石的速度生产石膏与水反应产生的水化反应,生成硅酸钙水合物(CSH)的骨骼框架从硅酸三钙石(C₂S)和C₃反应在一起。这同意先前的发现30.]。

4.3。混凝土的密度

具体样本的密度对应AGB的探索剂量是呈现在图5。AGB的样本密度略有增加的比例从0%降至0.7%。AGB的0.9%,密度略有下降。这可能发生由于水灰比的降低,在改善贡献力量,填充混凝土的微观结构毛孔。这种模式的密度的变化与抗压强度报告(13]。

4.4。化学成分

PANalytical x射线荧光(光谱仪)是用于分析AGB-added水泥的化学成分在指定时间的养护。表3,提出了一些AGB-added水泥的化学成分。比较AGB的前后化学成分混合,观察到一些组件,例如,艾尔₂O₃、SiO₂,菲₂O₃减少,而等₃和曹增加。

据报道在31日],4%重量分数措纳米颗粒的水泥可以改善混凝土的力学和物理性能,减少其孔隙度。这是部分通过增加钙的结晶(哦)₂在混凝土结构。

的相对减少₂O₃和TiO₂分数5%可能有助于改善和易性的新鲜混凝土鉴于[迹象32,33),阿尔₂O₃和TiO₂纳米粒子,分别是有利于新浇混凝土的和易性。

SiO₂分数的相对减少3%是因素,有助于延长凝结时间根据Yazdi et al。34),添加SiO₂纳米粒子被发现导致凝结时间缩短。

所以的百分比₃是增加了25%。所以₃据报道在35)负责水泥砂浆强度的增加。影响混凝土的强度特性与其他组件通过减少孔隙度等物理过程₃通过其化学特性。

这项研究在36确认TiO的数量₂高达3.9%,水泥硅酸三钙石TiO的繁殖₂分数会下降。然而,只有在TiO减少2%₂分数可能不足以影响水泥的硅酸三钙石的生长。另一方面,36%的包内容的增加可能会导致硅酸三钙石纳米晶体的生长大尺寸报告(37]。

据报道在38)的燃烧纯曹将增加剪切债券和抗压强度在特定条件下温度高达200°C。曹表现出温和增长0.3%,可能不够显著影响剪力键和抗压强度。然而,铁下降73%₂O₃分数可以解释观察到的抗压和抗拉强度考虑改善结果报告(34]表明铁增加5%₂O₃纳米颗粒含量降低混凝土强度。

4.5。碳酸化作用

小样本表明,混凝土的碳化深度更好碳化电阻(39]。在图6,结果表明,碳化深度的增加减少AGB百分比。碳酸的混凝土试件转向紫色由于高碱度。

减少在AGB混凝土碳化深度的标本可以解释为降低水灰比和AGB微粒的能力占据组织空洞导致更紧凑的材料。这是支持的观察AGB内容对毛细现象和孔隙度的影响。

获得的结果为混凝土的碳化标本同意的结果4),这是表明,碳化深度随更高比例的阿拉伯树胶台地高原。

4.6。x射线衍射研究

XRD研究后进行试样养护28天的时间。AGB的水泥和水泥样品的用量为0.9%进行了分析。图7介绍了水泥和水泥AGB的不同模式。水泥的强度呈现模式以及AGB水泥半晶质的材料,几乎都有类似的模式。在水泥和AGB水泥化学分析显示增加AGB的一些化学成分混合并提供新元素在混凝土材料。这可能提高新鲜和混凝土的力学性能。

在图7,峰值表明材料的晶体结构的存在,而这个峰值强度反映了水泥中的这个结构。AGB水泥的曲线,可以看出一些强度较高(为2的例子θ在22日,24日,29岁,比水泥仅39)。也观察到一些新的高峰出现小强度。这个同意光谱仪测试的结果表明增加一些晶体结构如Ca(哦)₂早期的水化。

4.7。微观结构特性

扫描电子显微镜(SEM)分析被用来支持AGB对混凝土性能的影响的解释通过考试的空隙结构和微孔率40]。水泥和水泥AGB的SEM结果给出数据8和9,分别。控制混合,图8显示CSH的形成。CSH密度在AGB水泥(图9比在控制样品(图)8)由于AGB乳化特性,让它填满水泥中的孔隙微观结构,提高材料的密度。最后,最初的CSH的传播形成的水泥和可能的额外CSH AGB和水泥产生的反应可以升级的具体属性的起源和提供更好的性能。这是归因于这样一个事实:AGB具体矩阵是影响胶的反应,然后是Al (OH)₂比例减少,可以减少混凝土的孔隙度和渗透率,提高其耐久性。

碳化深度报道在表4出现与GAK剂量而增加适度下降明显的相似AGB的剂量。这个明显的对比解释的差异解释水的用量(w / c)在GAK AGB水泥混合使用。

额外的结果报道在4)是基于相同的混合过程中使用当前工作AGB水泥。他们表明,碳化深度与GAK用量的增加略有增加,而w / c比值降低碳化深度降低,抗压强度增加了3.7%和37.03%,分别与控制样本(4]。这是由于胶材料来代替水的能力,增加混凝土的密度。改善碳化和抗压强度协议AGB水泥混合的结果。

乳胶和壳聚糖,抗压和抗拉强度下降了14%和24%,分别比控制标本。这可能是由于壳聚糖生物聚合物之间的相互作用和混凝土的乳胶混合。

CSH凝胶的形成的水泥添加AGB类似于印楝口香糖和Welan口香糖中演示了(41通过扫描电镜图像。修改后的混凝土混合提供了更多的力量和更好的耐久性。水泥的交织的网状AGB-added CSH凝胶解释了为什么增加强度和耐久性。这种交织的创造了更多结合分布式的波特兰粒子微观结构连接在一起。相比之下,添加乳胶和壳聚糖是发表在42)导致低于添加AGB CSH凝胶的形成,这也可能被解释成nonoptimal比例的乳胶和壳聚糖。

5。结论

阿拉伯树胶生物聚合物(AGB)是一种植物产品自然生长在西非,在苏丹最丰富。这是很多有吸引力的身体和流变特性而闻名。AGB的可用性以低成本,很容易让人调查其属性的影响时对混凝土的性能作为掺合料。在目前的工作,增加AGB的影响水泥混合流能力和实验研究了初凝时间。一系列测试都是用混凝土样品进行不同比例的AGB的影响评估AGB密度和混凝土的碳化深度和确定每个属性的比例,达到最佳的性能。x射线荧光测试执行确定其化学成分。而且进行了x射线衍射和扫描电镜测试来确定AGB的微观结构特性水泥混合。测试结果表明,流动性和初凝时间的AGB砂浆与AGB的内容不断增加AGB的最佳重量分数的0.9%。密度的增加略有减少AGB用量比例从0%降至0.9%。XRD分析结果显示几乎相似AGB水泥的水化模式相对于OPC水泥。 The maximum relative improvement in the carbonation is around 11% with the increase of AGB percentage up to 0.9 percentage. The scanning electron microscopy (SEM) of AGB concrete shows less voids dispersed in the AGB mix microstructure. The use of AGB can be beneficial as a water-reducing admixture in the construction sector, resulting in decreasing the chemical admixture demand. Creating new outlets for the product would induce social and economic impacts.

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者想表达他们的感谢土木工程学院马来西亚各种大学,为他们提供的支持这项工作,感谢Sadok赫雷兹博士对他的帮助。

引用

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