Изотермическая калориметрия стандартный метод измерения кинетики гидратации цемента

Изотермическая титрационная калориметрия (ITC)

Изотермическая титрационная калориметрия (ITC) — это метод, применяемый для количественных исследований широкого спектра биомолекулярных взаимодействий. Она позволяет напрямую измерить тепло, которое выделяется или поглощается в процессе связывания биомолекул.

Изотермическая титрационная калориметрия (ITC) — это единственный метод, способный одновременно определить все параметры связывания за один эксперимент. Изотермическая титрационная калориметрия (ITC) не требует модификации связываемых молекул посредством флуоресцентных меток и иммобилизации и измеряет сродство связывания молекул в нативной форме.

Измерение передачи тепла при связывании обеспечивает точное определение констант связывания (KD), стехиометрии реакции (n), энтальпии (∆H) и энтропии (ΔS). При этом создается полный термодинамический профиль молекулярного взаимодействия. ITC не только измеряет сродство связывания, но и может определить механизмы, лежащие в основе молекулярного взаимодействия. Более глубокое понимание взаимосвязи структур и функций позволяет принимать более надежные решения при выборе вариантов и оптимизации прототипа.

Принцип измерения

Изотермическая титрационная калориметрия предназначена для измерения параметров реакций, возникающих при взаимодействии биомолекул. Этот метод позволяет определить сродство связывания, стехиометрию, энтропию и энтальпию реакции связывания в растворе без использования маркеров.

При связывании поглощение или выделение тепла измеряется чувствительным калориметром в процессе плавного титрования лиганда в кювете для образцов, содержащей исследуемую биомолекулу.

Принцип работы

Термический центр

В микрокалориметре предусмотрены две кюветы, одна из которых содержит воду и выступает в качестве контрольной кюветы, а вторая содержит образец. Задачей микрокалориметра является поддержание одинаковой температуры в обеих кюветах. Термочувствительное устройство определяет разность температур в кюветах во время связывания и передает данные на нагреватели, которые компенсируют эту разность, обеспечивая одинаковую температуру в кюветах.

Выполнение измерения

Для контрольной кюветы и кюветы для образцов задается требуемая для проведения эксперимента температура. Лиганд загружают в шприц, установленный в высокоточное устройство ввода. Устройство ввода вставляют в кювету для образца, содержащую изучаемый белок. Ряд последовательных аликвот лиганда подается в белковый раствор. Если происходит связывание лиганда с белком, изменения температуры даже на несколько миллионных частей градуса Цельсия фиксируются и измеряются.

После первого ввода микрокалориметр измеряет все выделенное тепло, пока реакция связывания не придет к равновесию. Полученное в результате измерения количество тепла находится в прямой зависимости от объема связывания.

Анализ результатов и данных

В примере ниже приведена экзотермическая реакция, что означает, что кювета для образца стала теплее, чем контрольная кювета, что привело к появлению нижнего пикового значения сигнала. Когда температура в двух кюветах снова становится одинаковой, сигнал возвращается к исходному значению. Вторая маленькая аликвота лиганда вводится в ту же кювету, после чело калориметр снова выполняет компенсацию небольшого изменения температуры. Молярное соотношение лиганда и белка постепенно увеличивается в результате последовательных вводов лиганда. Белок становится все более насыщенным, связывание с лигандом сокращается, и теплообмен начинает снижаться до момента, когда количество лиганда в кювете для образца не окажется избыточным по отношению к белку, в результате чего реакция будет смещаться в сторону насыщения.

Затем площадь каждого пика будет интегрирована и отражена на графике молярного соотношения лиганда и белка. Получившаяся в результате изотерма может быть совмещена с моделью связывания, из которой было получено значение сродства (KD). Молярное соотношение в центре изотермы связывания дает нам значение стехиометрии реакции. График, приведенный ниже, является примером реакции связывания с соотношением 1:1.

Энтальпия (ΔH) также возникает при совмещении изотермы и количества выделенного тепла на один моль связанного лиганда. Это означает, что за один эксперимент с применением изотермической титрационной калориметрии (ITC) можно получить большое количество информации о реакции связывания, что помогает понять природу взаимодействия и исследовать термодинамические факторы.

Изотермическая титрационная калориметрия (ITC) широко используется при открытии и разработке лекарственных препаратов для следующих задач:

• Количественная оценка сродства связывания
• Подбор и оптимизация потенциальных препаратов
• Измерение термодинамических параметров и активной концентрации
• Характеризация механизма действия
• Подтверждение намеченных целей связывания при исследовании низкомолекулярных препаратов
• Определение специфики и стехиометрии связывания
• Валидация значений IC50 и EC50 во время составления списка потенциальных препаратов
• Измерение кинетических параметров ферментов

Источник

3. Метод реакционной или изотермической микро- калориметрии.

Обычно смесители работают по трем основным принципам:

1) механическое разрушение перегородки (обычно стеклянной); 2)пространственное перемещение перегородки и 3) изменение положения компонентов в системе (переворачивание).

Основные сложности при смешивании в калориметрах состоят в том, что любая работа по смешиванию переходит в теплоту. Кроме того, значительные тепловые эффекты могут возникать за счет испарения растворителя, обусловленного небольшими изменениями суммарного объема жидкой фазы и давления в калориметрической кювете. В последнее время в биологических исследованиях находят все большее применение смесители (кюветы) проточного типа. Принцип действия проточных калориметров состоит в непрерывном перемешивании двух потоков содержащих реагенты, и измерении разницы температур растворов до и после перемешивания. Растворы попадают в микрокалориметр прецизионными насосами, чрезвычайно высокая стабильность работы которых обеспечивает высокую чувствительность приборов, работающих обычно в дифференциальном режиме.

Для нахождения термодинамических параметров исследуемой реакции предложено множество способов разной степени сложности. Один из наиболее простых и широко применяемых способов используют для расчета реакции образования комплекса с участием водородных связей между белком Е и произвольным агентом А, образующим с белком комп-лекс в соотношении 1:1 :

Измерение тепловых эффектов процесса при постоянной концентрации белка и изменяющейся концентрации агента позволяет получить концентрационную зависимость теплового эффекта реакции (смотри рис.1)

Рис. 1. Зависимость теплового эффекта реакции ( Q) от концентрации произвольного реагента (А), образующего с белком комплекс в соотношении 1:1.

Пренебрегая изменением концентрации А за счет образования комплекса ( значительно превышает [E]), концентрацию белка в системе представляют как:

[е] = [Е A] / (k [A] + [ЕA]),

где k — константа равновесия. Полагают, что тепловой эффект Q взаимодействия прямо связан с концентрацией образующегося комплекса: Q = , где Н°- стандартная энтальпия реакции. Разделив первое уравнение на второе, получают уравнение

Из уравнения (1) определяют k и Н° графическим путем, если экспериментальную зависимость Q от [А] представить в координатах ([E]/ Q) ; ( 1/[А]) (см. Рис. 2)

Изменение свободной энергии G и энтропии S реакции рассчитывают из уравнений

Даже в самом простом случае строгая интерпретация полученных данных требует осторожности.Как правило, неизвестно, происходит ли самая простая реакция комплексообразования в одну стадию. Суммирование тепловых эффектов разных стадий может привести к явлению частичной тепловой компенсации. Более того, в образовании теплового эффекта кроме непосредственно реакций образования комплекса, т.е. суммы тепловых эффектов образования всех связей в комплексе, могут участвовать тепловые эффекты конформационных перестроек белка и сопутствующих гидратационных изменений в системе. В ряде случаев перечисленные эффекты удается учесть с помощью независимых данных и расчетов; работы в этом направлении развиваются, так как реакционная калориметрия представляет собой фактически единственный экспериментальный метод исследования термодинамики при постоянной температуре.

Источник

ГОСТ 310.5-88 Цементы. Метод определения тепловыделения

Настоящий стандарт устанавливает методы определения тепловыделения цемента и его мощности.

1. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

1.1. Калориметр изотермический теплопроводящий «ЦЕМЕНТ ТГЦ 1М» но соответствующей нормативно-технической документации (НТД). Принцип действия и принципиальная схема калориметра приведены в приложении 1.

Допускается применение других типов изотермических теплопроводящих калориметров, прошедших государственные испытания по ГОСТ 8.001* или метрологическую аттестацию по ГОСТ 8.326*, при соблюдении требований п. 2.5 настоящего стандарта.

* На территории Российской Федерации действуют ПР 50.2.009-94

1.2. Весы лабораторные 3-го класса точности по ГОСТ 24104** с наибольшим пределом взвешивания 200 г.

** С 1 июля 2002 г. введен в действие ГОСТ 24104-2001

1.3. Термометр 1-й группы по ГОСТ 27544.

1.4. Гигрометр по ГОСТ 12997.

1.5. Допускается применение других весов, термометров и гигрометров, не уступающих по метрологическим характеристикам средствам измерений, указанным в п.п. 1.2- 1.4.

1.6. Вода дистиллированная по ГОСТ 6709.

2. ПОДГОТОВКА И ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ

2.1. Пробу цемента отбирают по ГОСТ 30515 и доставляют в лабораторию в плотно закрытой таре, защищающей цемент от увлажнения и загрязнения посторонними примесями. В рабочем журнале записывают вид и состояние тары.

2.2. Испытания следует проводить в помещениях с температурой воздуха (20±5) °С и относительной влажностью не менее 50% и не более 80%.

2.3. Перед испытанием цемент и воду выдерживают до принятия ими температуры помещения.

2.4. Место расположения калориметра не должно подвергаться ударам и вибрации, освещаться прямыми лучами солнца.

2.5. При проведении испытания должны быть соблюдены следующие требования:

1) водоцементное отношение В/Ц = 0,50 ± 0,01;

2) номинальная температура в термостате (20±1)°С;

3) допускаемый предел абсолютной погрешности определения тепловыделения не должен быть более 30 кДж / кг, а его мощности — более 1 × 10 -3 кВт/кг.

2.6. Измерения на изотермическом теплопроводящем калориметре выполняют в соответствии с указаниями эксплуатационной документации калориметра в течение 72 ч (3 сут).

2.7. Тепловыделение цемента в возрасте 7 сут. определяют методом экстраполяции экспериментальных данных, полученных в возрасте 3 сут согласно приложению 2.

3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. Удельную мощность тепловыделения ( W _t ) в момент времени ( t ) в киловаттах на килограмм определяют по формуле

где Е -цена деления диаграммной ленты, кВт/(кг × дел.);

Lw _t — значение отклонения пера самописца, дел.

Удельное тепловыделение ( q _t ) ко времени ( t ) в килоджоулях на килограмм определяют по формуле

q _t = AN _t , (2)

где А — цена одного сброса пера самописца, кДж/кг;

N _t — число сбросов на ленте самописца.

3.2. Цену одного деления диаграммной ленты самописца (Е) и цену одного сброса пера самописца (А) устанавливают при наладке калориметра в соответствии с его НТД.

3.3. Значение отклонения пера самописца ( Lw _t ) и число сбросов ( N _t ) определяют по диаграммной ленте самописца, вид которой приведен на черт. 1.

Задавшись значением требуемого времени гидратации ( t ) в часах, вычисляют соответствующую длину диаграммной ленты ( l _t ) и миллиметрах с момента начала измерения по формуле

l t = v t , (3)

где v — скорость протяжки диаграммной ленты, мм/ч.

1 — кривая отклонения пера самописца; 2 — сброс пера самописца

Делают соответствующую отметку ( t ) и измеряют значение отклонения пера самописца ( Lw _t ) в делениях диаграммной ленты у этой отметки.

Подсчитывают число сбросов ( N _t ) самописца к моменту времени ( t ).

3.4. Примеры расчета и таблицы результатов вычислений приведены в приложении 3.

3.5. Результаты измерений тепловыделения цемента и его мощности оформляют протоколом согласно приложению 4.

4. ПОВЕРКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

4.1. Поверку изотермического калориметра «ЦЕМЕНТ ТГЦ 1М» производят согласно действующим методическим указаниям при помощи стандартных образцов теплоты гидратации цемента.

Поверку других типов изотермических теплопроводящих калориметров производят согласно действующим на них методическим указаниям в том же порядке.

4.2. Периодичность поверки калориметров один раз в 2 года.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА КАЛОРИМЕТРА «ЦЕМЕНТ ТГЦ 1М»

Действие калориметра основано на возникновении на входящих в его состав тепломерах электронапряжения, обусловленного тепловым потоком, направленным от камеры с ячейками с гидратирующимся цементом через тепломеры к массивному теплоотводу.

Сигнал напряжения от тепломеров через коммутатор, предварительный усилитель и калибратор поступает на вход самописца и одновременно на вход интегратора дискретного типа.

Возникающее на тепломерах напряжение пропорционально мощности тепловыделения цемента при гидратации и характеризуется значением величины отклонения пера самописца от нулевой линии.

Тепловыделение цемента определяют после интегрирования мощности тепловыделения по времени, которое автоматически производится интегратором. После выделения цементом определенного количества теплоты интегратор посылает выходной импульс на вход самописца, который регистрирует его кратковременным сбросом пера.

Схема калориметра приведена на черт. 2.

1-термостат; 2 — калориметрический блок; 3 — камера; 4 — ячейка;

5 — тепломер; 6 — теплоотвод; 7 — соединительные кабель; 8 — коммутатор; 9 — калибратор; 10 — предварительный усилитель; 11 — самописец; 12 — интегратор

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ЭКСТРАПОЛЯЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Экстраполяцию результатов измерения от 3 до 7 сут (от 72 до 168 ч) выполняют следующим образом.

Определяют значения тепловыделения цемента от 2 до 72 ч и десятичные логарифмы значении времени и тепловыделения до третьего знака после запятой.

Полученные результаты оформляют в виде таблицы.

Источник

Механизм гидратации составляющих цемента

Механизм гидратации индивидуальных составляющих цемента и самого цемента является предметом серьезных дискуссий и разногласий. В своей ранней теории Ле-Шателье представил гидратацию цемента через растворение безводных соединений, за которым следовало сцепление и осаждение кристаллов гидратированных соединений. Михаэлис считал, что когезия является результатом образования и последующего высушивания геля. В последнее время получило развитие представление о топохимическом или твердофазовом механизме. Несмотря на большое число работ в этой области, все еще остается неясным представление о механизме гидратации C₃S — главной фазы цемента. Для его объяснения предлагается принять в расчет некоторые стадии, через которые проходит процесс гидратации. Можно отметить пять стадий на термокинетической кривой калориметрии в изотермических условиях (рис. 1).

На первой стадии, как только C₃S вступает в контакт с водой, наблюдается сначала скачок скорости тепловыделения, а затем ее падение в течение 15—20 мин. Эта стадия называется прединдукционным периодом. На второй стадии скорость реакции очень низка. Это — индукционный период. Он может длиться в течение нескольких часов.

Рис. 1. Термокинетические кривые (изменение скорости тепловыделения v во времени) для процессов гидратации C₃S (1) и портландцемента (2)

В это время цементное тесто сохраняет свою пластичность и удобоукладываемость. Предполагают, что первые две стадии, на которые удается воздействовать с помощью добавок, оказывают влияние на последующую гидратацию C₃S. На третьей стадии реакция протекает активно, с самоускорением, достигая максимальной скорости к концу этой стадии. Время, отвечающее началу схватывания, приблизительно совпадает с тем временем, когда скорость реакции начинает сильно возрастать, а время до конца схватывания—с временем завершения третьей стадии. На четвертой стадии скорость тепловыделения C₃S постепенно уменьшается. Продолжается гидратация C₃S. На последней — пятой стадии образуется лишь небольшое количество продуктов гидратации C₃S. Эта стадия контролируется процессом диффузии.

Наибольшее внимание уделяют первым двум стадиям. На первой, как только C₃S входит в контакт с водой, в раствор переходят кальций- и гидроксил — ионы. На второй стадии продолжается растворение C₃S, и рН растет до 12,5. Здесь образуется небольшое количество силикатов. После того как будет достигнута определенная критическая концентрация кальций- и гидроксил-ионов, начинается быстрая гидратация C₃S с образованиемСа(ОН)₂ и C-S-H (третья стадия).

Много публикаций посвящено объяснению механизма, вызывающего индукционный период и его последующее окончание. В основном считают, что начальные продукты реакции образуются на поверхности C₃S, что замедляет дальнейшую реакцию. Возобновление реакции вызывается разрушением поверхностной пленки. Первоначально гидраты имеют высокое отношение C/S — около 3, затем оно снижается до 0,8—1,5 путем перехода ионов Са в раствор. Вторичные гидраты имеют свойства, позволяющие ионам проникать сквозь них, обеспечивая возможность прохождения быстрой реакции. Превращение первичных гидратов во вторичные происходит, очевидно, за счет процессов их зародышеобразования и роста кристаллов. Хотя эта теория согласуется со многими наблюдениями, имеются и другие факты, не подтверждающие ее. Например, отношение C/S продуктов ниже, чем было указано, защитная пленка недостаточно протяженная, продукт реакции — хрупкая пленка, которая легко сходит с поверхности, и первоначальное растворение может быть или не быть конгруэнтным. Конец индукционного периода объяснялся замедленным образованием зародышей СН. Обычно наблюдали быстрый рост кристаллов СН и переход ионов Са в раствор в конце индукционного периода. Это наводит на мысль, что осаждение СН связано с началом стадии ускорения. Если осаждение СН дает толчок реакции, то добавление Са-ионов должно ее ускорять, если не происходит отравления зародышей.

Как известно, добавление извести замедляет реакцию. Образование C-S-H также не объясняет периода ускорения. В работе отмечено, что дзета-потенциал гидратирующегося C₃S положителен; это может свидетельствовать о возможности хемосорбции ионов Са на образующейся поверхности C₃S, а пленка является барьером между C₃S и водой. Считают, что во время осаждения Са (ОН) ₂ из раствора переходит Са2+ (что должно, в свою очередь, инициировать удаление Са2+ из барьера). В результате реакция гидратации ускоряется.

Другие авторы говорят о механизмах, основанных на задержке образования зародышей кристаллизации C-S-H для объяснения конца индукционного периода. Один из них предполагает, что стабилизирующее действие на C₃S тонкой пленки воды заканчивается, когда высокая концентрация Са2+ в растворе вызывает осаждение зародышей C-S-H. Продолжительность индукционного периода контролирует диффузия воды через зерна C₃S. Дефекты увеличивают диффузию и, таким образом, вызывают кристаллизацию C-S-H; хемосорбция H₂O и растворение некоторого количества C₃S проходят во время индукционного периода. Конец индукционного периода связан с ростом зародышей C-S-H до критического размера.

Существуют другие представления, на первый взгляд независимые, но имеющие много общих черт, в которых делается попытка объяснить результаты проведенных наблюдений. Гидратация C2S протекает тем же путем, что и C₃S, но значительно медленнее. Количество тепла, выделяемое C2S, много ниже, чем C₃S. Кривая скорости тепловыделения не имеет таких явно выраженных пиков, как на рис. 1. Ускорители повышают скорость реакции C₂SH₂O. Взаимодействие с водой C₂S изучено меньше, чем C₃S.

Трехкальциевый алюминат (или C₄AF) + гипс + вода.

На изотермической калориметрической кривой процесса гидратации смесиC₃A и гипса также наблюдаются пики (см. рис. 1), однако время их появления и протяженность отличаются от приведенных для C₃S. Согласно распространенному мнению, замедление гидратацииC₃A в присутствии гипса объясняется образованием тонких кристаллов эттрингита на его поверхности. Эта плотная пленка в индукционном периоде разрушается и вновь формируется в течение этого периода. Когда весь сульфат связывается, эттрингит реагирует с C₃A, образуя моносульфатную форму гидросуль-фоалюмината. Это превращение происходит при гидратации цемента между 12—36 ч с одним экзотермическим пиком. Некоторые добавки могут ускорить или замедлить это превращение.

Высказывалось также мнение, что эттрингит сам по себе не может оказывать влияние на индукционный период и что адсорбция сульфат-ионов на положительно заряженномC₃A замедляет гидратацию. Предполагалось также, что осмотическое давление может воздействовать на разрыв иголок эттрингита. Это предположение базируется на факте обнаружения пустотелых иголок в системеC₃A — гипс — НгО. Разрывы эттрингита приводят к перемещению ионов C₃A1 в водную фазу с быстрым образованием пустотелых игл, через которые может быть перенесено большое количество C₃A13+ -ионов. В такой же последовательности, как C₃A, гидратируется C₄AF. Гипс замедляет гидратацию C₄AF более эффективно, чем C₃A. Однако цементы с высоким содержанием C₃A нестойки при воздействии сульфатов, а с высоким содержанием C₄AF устойчивы. В высокоалюмоферритных цементах эттрингит не может образовываться из низкосульфатного сульфо-алюмината, возможно, вследствие содержания железа в моносульфоалюминате. Видимо, аморфный AF3 предотвращает такие реакции. Возможно также, что образующаяся сульфоалюминатная фаза гидратируется таким образом, что это не вызывает кристаллизационного давления.

Портландцемент.

Описанный выше механизм для чистых компонентов цемента является основой изучения гидратации портландцемента. Калориметрические кривые C₃S и портландцемента схожи, но у портландцемента может возникнуть третий пик вследствие образования гидрата моносуль-фоалюмината (см. рис. 1). Детально воздействие C₃A и C₄AF на гидратацию C₃S и C2S окончательно не изучено. Были представлены модели защитного слоя, учитывающие возможность взаимодействия. Хотя начальные стадии процесса не ясны для C₃S (в цементе), можно допустить, что продукты гидратацииC₃A образуются как через раствор, так и топохимическим путем.

Добавки в бетон Справочное пособие Под редакцией B.C. Рамачандрана

Источник