ปูนซีเมนต์และวัสดุผสมเพียโซอิเลกทริก - ปูนซีเมนต์

อานนท์ ชัยพานิช *

     ปูนซีเมนต์ มีความสำคัญอย่างยิ่งในชีวิตปัจจุบัน เนื่องจากปูนซีเมนต์เป็นวัสดุหลักสำหรับการก่อสร้างที่อยู่อาศัย เป็นหนึ่งในปัจจัยสี่ที่มนุยษ์ไม่สามารถขาดได้ การใช้ปูนซีเมนต์โดยทั่วไปจะใช้สำหรับผลิต คอนกรีต กล่าวคือใช้เป็นวัสดุประสานหินและทรายเข้าด้วยกันเมื่อผสมกับน้ำ คำว่า ซีเมนต์ ( cement ) มาจากภาษาละตินมีความหมายทั่วๆไปคือ “ วัตถุที่แข็งเมื่อผสมกับน้ำ ” ซึ่งปูนซีเมนต์นั้นมีการใช้งานมาตั้งแต่ สมัยอียิปต์ กรีก และโรมัน แต่เมื่ออาณาจักรโรมันเสื่อมลง การใช้ปูนซีเมนต์ก็สิ้นสุดลงด้วย และเกิดความก้าวหน้าที่สำคัญอีกครั้งในปี ค . ศ . 1824 โดย Joseph Aspdin ชาวอังกฤษ ได้คิดค้นซีเมนต์ จนประสบความสำเร็จ โดยซีเมนต์นี้เมื่อแข็งตัวจะมีสีเหลืองปนเทา เหมือนกับหินที่ใช้ก่อสร้างบริเวณเมืองปอร์ตแลนด์ ในประเทศอังกฤษ จึงเรียกวัตถุนี้ว่า ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ ( Portland cement หรือ PC) รวมทั้งได้จดลิขสิทธิ์ขึ้นเป็นครั้งแรก จากนั้นในปลายศตวรรษที่ 19 ประเทศอังกฤษผลิตปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ส่งออกไปจำหน่ายยังประเทศต่างๆ ทั่วโลกในปริมาณมาก อีกทั้งเปิดโรงงานอุตสาหกรรมผลิตปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ในต่างประเทศอีกด้วย เช่น เปิดในประเทศฝรั่งเศส ในปี ค . ศ . 1855 ประเทศสหรัฐอเมริกาในปี ค . ศ . 1871 ประเทศเยอรมนี ในปี ค . ศ . 1855 และประเทศออสเตรเลียในปี ค . ศ . 1882 สำหรับประเทศไทยเริ่มผลิตปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์เป็นครั้งแรกในปี ค . ศ . 1913 [1-4]

     ภายใน ซีเมนต์เพสต์ (ปูนที่ผสมน้ำและแข็งตัวแล้ว) ประกอบไปด้วยช่องว่างหลากหลายชนิดที่มีถึง 7 ระดับขนาด (magnitude) ดังแสดงใน รูปที่ 2 ซึ่งส่งผลต่อสมบัติของซีเมนต์เพสต์

รูปที่ 2 ขนาด 7 ระดับของรูพรุนต่างๆ ในซีเมนต์เพสต์ [4]

     Powers กล่าวว่าผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาหลัก (ไฮเดรชัน) เรียกว่าแคลเซียมซิลิเกตไฮเดรตทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมประสานของซีเมนต์เพสต์ มีช่องว่างอยู่ภายในขนาดประมาณ 18 อังสตรอม และมีรูพรุนประมาณร้อยละ 28 แสดงแบบจำลองดัง รูปที่ 3 อย่างไรก็ตาม Feldman และ Sereda กล่าวว่าช่องว่างที่มีขนาดอยู่ในช่วงระหว่าง 5-25 ? ซึ่งเป็นช่องว่างขนาดเล็กเกินกว่าที่จะส่งผลกระทบต่อความแข็งแรงและความสามารถซึมผ่านน้ำของซีเมนต์เพสต์ ซึ่งช่องว่างขนาดเล็กนี้สามารถยึดเกาะอยู่ได้ด้วยพันธะไฮโดรเจน และหลุดออกภายใต้สภาวะที่แห้ง ภาวะหดตัว และภาวะคืบ ( creep)

     ช่องว่างคาปิลารี ( Capillary voids ) เป็นช่องว่างที่ไม่ถูกใช้โดยปูนซีเมนต์หรือผลิตภัณฑ์ไฮเดรชัน ในส่วนผสมที่เกิดปฏิกิริยาไฮเดรชันได้ดี หรือมีอัตราส่วนน้ำต่อปูนซีเมนต์น้อยนั้น ช่องว่างคาปิลารี จะมีขนาดประมาณ 10-50 nm ส่วนในส่วนผสมที่มีอัตราส่วนน้ำต่อปูนซีเมนต์มาก (ในช่วงแรกของการเกิดปฏิกิริยา) จะมีขนาดของ ช่องว่างคาปิลารี อยู่ในช่วง 3-5 ไมโครเมตร พบว่าการกระจายตัวของขนาดของรูพรุน (ไม่ใช่จำนวนช่องว่างคาปิลารีทั้งหมด) สามารถใช้เป็นเกณฑ์ในการหาค่าสมบัติเฉพาะของปฏิกิริยาไฮเดรชันของปูนซีเมนต์ได้ ซึ่งช่องว่างคาปิลารี ที่มีขนาดใหญ่กว่า 50 nm จะถูกเรียกว่า macropores ซึ่งจะมีผลต่อสมบัติทางด้านกำลังอัดและความสามารถในการซึมผ่าน ส่วนรูพรุนที่มีขนาดเล็กกว่า 50 nm หรือที่เรียกว่า micropores จะมีผลกระทบโดยตรงต่อสมบัติการหดตัว ( drying shrinkage ) และความคืบ

ช่องว่างที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในซีเมนต์เพสต์คือ ช่องว่างอากาศ (air void) ขณะที่ช่องว่างคาปิลารีมีรูปร่างหลากหลาย แต่ช่องว่างอากาศทั่วไปจะมีลักษณะกลม เกิดจากการที่อากาศปริมาณเล็กน้อยถูกกักอยู่ในซีเมนต์เพสต์ขณะผสมคอนกรีต ซึ่งมีสาเหตุมาจากหลายปัจจัยอันได้แก่ การเหนี่ยวนำให้ส่วนผสมในคอนกรีตเกิดช่องว่าง ( entrained ) เล็กๆ โดยทั่วไปมีขนาดอยู่ระหว่าง 50-200 ไมโครเมตร สำหรับช่องว่างที่เกิดมีขึ้นเอง ( entrapped ) อาจกว้างประมาณ 3 มิลลิเมตร จากขนาดของช่องว่าง entrapped และ entrained ที่ใหญ่กว่าช่องว่างคาปิลารี ดังนั้นทั้งช่องว่าง entrapped และ entrained ในซีเมนต์เพสต์สามารถส่งผลต่อความแข็งแรงได้

รูปที่ 3 แบบจำลองแคลเซียมซิลิเกตไฮเดรตโดย Powers [5]

O น้ำดูดซับ

* น้ำดูดซับที่อยู่ในซอก

X น้ำระหว่างแผ่น

     ก่อนหน้านี้มีผู้ทำวิจัยเกี่ยวกับปูนซีเมนต์หลากหลายด้าน เช่น การพัฒนาสมบัติของปูนซีเมนต์ การลดต้นทุนการผลิต หรือการนำปูนซีเมนต์มาผสมทำวัสดุผสมต่างๆซึ่งเมื่อไม่นานมานี้ได้มีการนำปูนซีเมนต์มาผสมกับวัสดุผสมเพียโซอิเล็กทริก เพื่อให้มีสมบัติเพียโซอิเล็กทริกในตัว ซึ่งสมบัติเพียโซอิเล็กทริกหมายถึงสมบัติพิเศษเมื่อได้รับแรงกล (mechanical force) จะให้แรงดันไฟฟ้า (voltage) ที่เรียกว่า ปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริก (piezoelectric effect) ในทางกลับกันเมื่อวัสดุได้รับแรงดันไฟฟ้าจะทำให้มีการเปลี่ยนรูปร่าง (deformation) เกิดแรงกล ซึ่งเรียกว่าปรากฏการณ์คอนเวอร์สเพียโซอิเล็กทริก (converse piezoelectric effect) การเปลี่ยนไปมาระหว่างพลังงานกลและพลังงานไฟฟ้าสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ สมบัติเพียโซอิเล็กทริกจะเกิดขึ้นในวัสดุที่มีสภาพขั้วทางไฟฟ้าเท่านั้นจากการให้สนามไฟฟ้าจาก ดัง รูปที่ 4 กล่าวคือ สนามไฟฟ้าจะไปเหนี่ยวนำให้ไดโพลเกิดการจัดเรียงตัวตามสนามไฟฟ้าที่กระทำ ส่งผลให้ค่าโพลาไรเซชัน (polarization) เพิ่มขึ้นและทำให้ทิศทางโพลาไรเซชันเรียงกันไปในทิศทางเดียวกัน วัสดุเพียโซอิเล็กทริกนั้นได้มีการค้นพบโดย Pierre และ Jacques Curie ใน ค . ศ .1880-1882 ในปัจจุบันวัสดุเพียโซอิเล็กทริกที่ใช้และรู้จักกันดีและที่นำไปใช้ทำวัสดุผสม เพียโซอิเลกทริกต่างๆคือเลดเซอร์โคเนตไทเทเนต (Lead zirconate titanate) หรือที่นิยมเรียกกันว่า “PZT” อุปกรณ์อิเลกทรอนิกส์ต่างๆ ที่ใช้ประโยชน์จากวัสดุเพียโซอิเลกทริก มีหลายอย่างด้วยกันซึ่งจะขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์การเปลี่ยนแปลงของวัสดุเพียโซอิเลกทริก ในกรณีที่มีการป้อนแรงดันให้วัสดุทำให้มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างหรือเกิดแรงกลสามารถนำมาใช้เป็นทรานสดิวเซอร์ในอุปกรณ์ อัลตราโซนิค (ultrasonic) ทางการแพทย์ เป็นต้น [6]

รูปที่4 แสดงทิศทางของการโพลาไรเซชันในเซรามิก PZT ทั้งก่อน (unpoled) และหลัง (poled) ได้รับอิทธิพลจากสนามไฟฟ้าภายนอก [6]

วัสดุผสมระหว่างเพียโซอิเลกทริกกับปูนซีเมนต์เป็นวัสดุผสมอีกประเภทหนึ่งที่กำลังได้รับความสนใจอย่างมาก เนื่องจากค่าความต้านทานเสียงเชิงซ้อน (acoustic impedance) ของวัสดุผสมที่ทำจากวัสดุเพียโซอิเล็กทริกและปูนซีเมนต์ใกล้เคียงกับค่าของวัสดุโครงสร้างทั่วไปที่ทำจากคอนกรีต (ตารางที่ 1) จากการคำนวณโดยใช้สมการที่ 1-3

ตารางที่ 1 สมบัติต่างๆของเซรามิก PZT ปูน ซีเมนต์ และคอนกรีต

     โดย ค่าความต้านทานเสียงเชิงซ้อน ( )มีค่าประมาณ 9-10 x 10 6 kg/m 2 s โดยปริมาตรวัสดุเพียโซอิเลกทริก ( ) อยู่ระหว่างร้อยละ 40-60 ซึ่ง ใกล้เคียงกับค่าของวัสดุโครงสร้างทั่วไปที่ทำจากคอนกรีตอีกด้วย และ คือความเร็วของเสียง คือโมดูลัสความยืดหยุ่น และ คือความหนาแน่นของวัสดุผสมเพียโซอิเลกทริก - ปูนซีเมนต์ ซึ่งวัสดุผสมแนวใหม่นี้มีความสำคัญอย่างมากในการพัฒนาความ ก้าวหน้าของโครงสร้างทางวิศวกรรมโยธา พัฒนาไปเป็นวัสดุผสมโครงสร้างฉลาดในการจับสัญญาณคลื่นที่ส่งผ่านเนื้อของคอนกรีต ปี ค . ศ 2002 Zongjin Li, Dong Zhang และ Keru Wu [7] ได้ทำการศึกษาค่าความต้านทานเสียงเชิงซ้อน ค่าสัมประสิทธิ์คู่ควบไฟฟ้าเชิงกล และค่าสัมประสิทธิ์ความเครียด เพียโซอิเลกทริกของวัสดุผสมเพียโซอิเลกทริกและปูนซีเมนต์ ดัง ตารางที่ 2

     (1)

      (2)

      (3)

ตารางที่ 2 สมบัติของวัสดุผสมโดย Zongjin Li, Dong Zhang และ Keru Wu [7]

     จากผลการทดลองพบว่าเมื่อเพิ่มสนามไฟฟ้า เวลาที่ให้สนามไฟฟ้า และปริมาณเลดเซอร์โคเนตไทเทเนตในระบบ จะทำให้ได้ค่าสัมประสิทธิ์ความเครียดเพียโซอิเลกทริกดีขึ้น ซึ่งจะสอดคล้องกับงานวิจัยของ Shifeng Huang และคณะ ในปีค . ศ . 2004 เช่นกัน อีกทั้งยังให้ค่าที่สภาพยอมสัมพัทธ์ และค่า d 33 ดีกว่าวัสดุผสมเซรามิก - พอลิเมอร์อีกด้วย ซึ่งผลการทดลองแสดงดัง ตารางที่ 3

ตารางที่ 3 การเปรียบเทียบค่า e r และ d 33 ของวัสดุผสมเซรามิก - ซีเมนต์และวัสดุผสม เซรามิก - พอลิเมอร์โดย Shifeng Huang และคณะ [8]

     จากผลการวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด ( SEM) ของเฟสเซรามิก PZT กับเฟสของ ปูน PC (cement matrix) พบว่าเฟสของเซรามิกแบบ PZT และ ปูน PC เกิดการยึดเกาะและผสมผสานกันได้ดี โดยมีแคลเซียมซิลิเกตไฮเดรต ( CSH) ลักษณะคล้ายเส้นใยเล็กๆพันกัน และแท่งเข็มเอททริงไนท์ (Ettringite) เกิดขึ้น ล้อมรอบ PZT แสดงดัง รูปที่ 5

รูปที่ 5 ภาพถ่าย SEM โครงสร้างของวัสดุผสมเพียโซอิเลกทริกปูนซีเมนต์

เอกสารอ้างอิง

•  Mindess S. and Young J.F., Concrete, 1981.

•  ปริญญา จินดาประเสริฐ, ชัย จาตุรพิทักษ์กุล, ปูนซีเมนต์, ปอซโซลาน และ คอนกรีต , , สมาคมคอนกรีตไทย, พ.ศ. 2547

•  Neville A.M., Properties of concrete, Fourth edition, Longman Publishing, 1995.

•  Powers T.C., Physical Properties of Cement Paste, Proceedings Symposium on the Chemistry of Cement, 1960, 2, 557-613.

•  Kumar Mehta, P. and Paulo J.M. Monteiro. “Concrete Microstructure Properties and Materials” 3 rd ed . McGraw-Hill. , New York , 2006.

•  Moulson, A. J. and Herbert. J. M. “ Electroceramics: Materials –Properties-Application ” 2 nd ed. Chapman and Hall., London , 1990.

•  Li, Z., Zhang, D . and Wu, K. Cement-Based 0-3 piezoelectric composites. J. Am. Ceram. Soc.2002; 85 : 305-313.

•  Huang, S., Chang, J., Xu, R., Liu, F., Lu, L., Ye, Z and Cheng, X.Piezoelectric properties of 0-3 PZT/sulfoaluminate cement composites. Smart Mater. Struct. 2004;13 : 270-274.

•  Chaipanich A., Jaitanong N. and Tunkasiri T., Fabrication and properties of PZT-ordinary Portland cement composites, Mater. Lett., 2007, 61, 5206-5208.

-------------------------------------------------

* อาจารย์ (ดร.) ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่