Wpływ związków ołowiu na hydratację cementu

Abstract

Jako jeden ze sposobów ich unieszkodliwiania rozważana jest fizykochemiczna immobilizacja w matrycy spoiwowej. Jednak związki metali ciężkich, nie są obojętne dla procesu wiązania i twardnienia cementu. Badania prowadzone były w kilku etapach. W pierwszym jako metodykę badawczą wykorzystano tutaj standardowe metody oceny parametrów użytkowych cementów, uzupełnione o badania szybkości wydzielania ciepła w procesie hydratacji.W badaniach potwierdzono zdecydowanie opóźniający charakter oddziaływania $PbO$ na hydratację cementów. Ponadto zaobserwowano, że $PbO$ spowalnia narastanie wytrzymałości w początkowym okresie twardnienia, jednak nie ma ujemnego wpływu na końcową wytrzymałość zapraw cementowych. Dla wyjaśnienia zjawisk zachodzących w zaczynach cementowych kolejnym etapie badań zastosowano uproszczone modele cementu bazujące na alicie. Jako regulator czasu wiązania stosowano w układach modelowych, analogicznie jak w cementach dwuwodny siarczan wapnia. Jako dodatek wprowadzano dwa związki ołowiu: $PbO$ (najczęściej spotykany w odpadach przemysłowych) i $Pb(NO_{3})_{2}$ (jeden z najlepiej rozpuszczalnych). Jako podstawową metodę badawczą do oceny postępu hydratacji wykorzystano mikrokalorymetrię różnicową. Śledzono również zmiany składu wody zarobowej, mikrostrukturę zaczynów, oraz specyficzne produkty powstające w wyniku oddziaływań pomiędzy składnikami cementu uwolnionymi do wody zarobowej i jonami ołowiu - metodą spektroskopii fotoelektronów.W trakcie badań zaobserwowano dwojakie zachowanie się hydratyzujących mieszanin na bazie alitu w zależności od ich składu, jak również od dodawanego nośnika ołowiu. Dodatek związków ołowiu nie powodował opóźnienia hydratacji czystego alitu. Na podstawie krzywych mikrokalorymetrycznych można było zaobserwować nawet skrócenie okresu indukcji z jednoczesnym zwiększeniem szybkości i ilości wydzielanego ciepła w okresie poindukcyjnym. Natomiast przebieg procesu hydratacji mieszanin alit + gips z dodatkiem związków ołowiu, był podobny do przebiegu hydratacji cementów portlandzkich z analogicznymi dodatkami. Obserwowano wydłużony okres indukcji a po jego zakończeniu znaczne przyśpieszenie wydzielania ciepła. Podczas badań produktów hydratacji nie stwierdzono obecności innych niż zazwyczaj występujące faz tj: portlandytu i fazy $C-S-H$. Badania spektroskopowe jak również obserwacje mikrostruktury z analizą chemiczną w mikroobszarach potwierdziły natomiast obecność ołowiu we wszystkich produktach hydratacji. Energie wiązania elektronów na orbitalu $Pb4f$, wyższe niż w większości znanych związków nieorganicznych, bliższe wielkocząsteczkowym związkom kompleksowym, oraz wysokie wartości ciepła hydratacji alitu z dodatkiem związków Pb, wskazywać by mogły na trwałe wbudowywanie się jonów $Pb2^{+}$ w strukturę matrycy cementowej. Wbudowywanie to może mieć dwojaki charakter: adsorpcji jonów ołowiu w przestrzeniach międzywarstwowych fazy $C-S-H$ albo podstawiania jonów wapnia przez jony $Pb2^{+}$ w strukturze hydratów.