Efecto de la temperatura ambiente sobre la trabajabilidad del yeso modificado con éter de celulosa.

El rendimiento del yeso modificado con éter de celulosa a diferentes temperaturas ambiente es muy diferente, pero su mecanismo no está claro. Se estudiaron los efectos del éter de celulosa sobre los parámetros reológicos y la retención de agua de la lechada de yeso a diferentes temperaturas ambiente. Se midió el diámetro hidrodinámico del éter de celulosa en fase líquida mediante el método de dispersión dinámica de la luz y se exploró el mecanismo de influencia. Los resultados muestran que el éter de celulosa tiene un buen efecto espesante y de retención de agua sobre el yeso. Con el aumento del contenido de éter de celulosa, aumenta la viscosidad de la suspensión y aumenta la capacidad de retención de agua. Sin embargo, con el aumento de la temperatura, la capacidad de retención de agua de la lechada de yeso modificado disminuye hasta cierto punto y los parámetros reológicos también cambian. Teniendo en cuenta que la asociación coloide de éter de celulosa puede lograr la retención de agua bloqueando el canal de transporte de agua, el aumento de temperatura puede provocar la desintegración de la asociación de gran volumen producida por el éter de celulosa, reduciendo así la retención de agua y el rendimiento de trabajo del yeso modificado.

Palabras clave:yeso; Éter de celulosa; Temperatura; Retención de agua; reología

0. Introducción

El yeso, como tipo de material ecológico con buenas propiedades físicas y constructivas, se utiliza ampliamente en proyectos de decoración. En la aplicación de materiales a base de yeso, generalmente se agrega un agente retenedor de agua para modificar la lechada y evitar la pérdida de agua en el proceso de hidratación y endurecimiento. El éter de celulosa es el agente retenedor de agua más común en la actualidad. Debido a que el CE iónico reaccionará con Ca2+, a menudo use CE no iónico, como: éter de hidroxipropilmetilcelulosa, éter de hidroxietilmetilcelulosa y éter de metilcelulosa. Es importante estudiar las propiedades del yeso modificado con éter de celulosa para una mejor aplicación del yeso en ingeniería de decoración.

El éter de celulosa es un compuesto de alto peso molecular producido por la reacción de la celulosa alcalina y un agente eterificante en determinadas condiciones. El éter de celulosa no iónico utilizado en la ingeniería de la construcción tiene buena dispersión, retención de agua, unión y efecto espesante. La adición de éter de celulosa tiene un efecto muy obvio sobre la retención de agua del yeso, pero la resistencia a la flexión y compresión del cuerpo endurecido de yeso también disminuye ligeramente con el aumento de la cantidad añadida. Esto se debe a que el éter de celulosa tiene un cierto efecto de arrastre de aire, que introducirá burbujas en el proceso de mezcla de la suspensión, reduciendo así las propiedades mecánicas del cuerpo endurecido. Al mismo tiempo, demasiado éter de celulosa hará que la mezcla de yeso sea demasiado pegajosa, lo que afectará su rendimiento en la construcción.

El proceso de hidratación del yeso se puede dividir en cuatro pasos: disolución del sulfato de calcio hemihidrato, cristalización, nucleación del sulfato de calcio dihidrato, crecimiento del núcleo cristalino y formación de una estructura cristalina. En el proceso de hidratación del yeso, el grupo funcional hidrofílico del éter de celulosa que se adsorbe en la superficie de las partículas de yeso fijará una parte de las moléculas de agua, retrasando así el proceso de nucleación de la hidratación del yeso y extendiendo el tiempo de fraguado del yeso. A través de la observación SEM, Mroz descubrió que, aunque la presencia de éter de celulosa retrasaba el crecimiento de los cristales, aumentaba la superposición y agregación de los cristales.

El éter de celulosa contiene grupos hidrofílicos para que tenga cierta hidrofilicidad, polímeros de cadena larga que se interconectan entre sí para tener una alta viscosidad, la interacción de los dos hace que la celulosa tenga un buen efecto espesante de retención de agua en la mezcla de yeso. Bulichen explicó el mecanismo de retención de agua del éter de celulosa en el cemento. Con una mezcla baja, el éter de celulosa se adsorbe sobre el cemento para la absorción de agua intramolecular y se acompaña de hinchamiento para lograr la retención de agua. En este momento, la retención de agua es escasa. En dosis altas, el éter de celulosa formará cientos de nanómetros a unas pocas micras de polímero coloidal, bloqueando efectivamente el sistema de gel en el orificio, para lograr una retención eficiente de agua. El mecanismo de acción del éter de celulosa en el yeso es el mismo que en el cemento, pero la mayor concentración de SO42 en la fase fluida de la lechada de yeso debilitará el efecto de retención de agua de la celulosa.

Con base en el contenido anterior, se puede encontrar que la investigación actual sobre el yeso modificado con éter de celulosa se centra principalmente en el proceso de hidratación del éter de celulosa en la mezcla de yeso, las propiedades de retención de agua, las propiedades mecánicas y la microestructura del cuerpo endurecido, y el mecanismo del éter de celulosa. retención de agua. Sin embargo, el estudio sobre la interacción entre el éter de celulosa y la suspensión de yeso a alta temperatura aún es insuficiente. La solución acuosa de éter de celulosa se gelatinizará a una temperatura específica. A medida que aumenta la temperatura, la viscosidad de la solución acuosa de éter de celulosa disminuirá gradualmente. Cuando se alcanza la temperatura de gelatinización, el éter de celulosa precipitará en un gel blanco. Por ejemplo, en la construcción de verano, la temperatura ambiente es alta, las propiedades de gel térmico del éter de celulosa seguramente provocarán cambios en la trabajabilidad de la lechada de yeso modificado. Este trabajo explora el efecto del aumento de temperatura en la trabajabilidad del material de yeso modificado con éter de celulosa a través de experimentos sistemáticos y proporciona orientación para la aplicación práctica del yeso modificado con éter de celulosa.

1. Experimentar

1.1 Materias primas

El yeso es el yeso de construcción natural tipo β proporcionado por Beijing Ecoological Home Group.

Éter de celulosa seleccionado del éter de hidroxipropilmetilcelulosa del Grupo Shandong Yiteng, especificaciones del producto para 75.000 mPa·s, 100.000 mPa·s y 200.000 mPa·s, temperatura de gelificación superior a 60 ℃. Se seleccionó ácido cítrico como retardador de yeso.

1.2 Prueba de reología

El instrumento de prueba reológico utilizado fue el reómetro RST⁃CC producido por BROOKFIELD USA. Los parámetros reológicos, como la viscosidad plástica y el límite elástico de la lechada de yeso, se determinaron mediante un recipiente de muestra MBT⁃40F⁃0046 y un rotor CC3⁃40, y los datos se procesaron mediante el software RHE3000.

Las características de la mezcla de yeso se ajustan al comportamiento reológico del fluido de Bingham, el cual generalmente se estudia utilizando el modelo de Bingham. Sin embargo, debido a la pseudoplasticidad del éter de celulosa agregado al yeso modificado con polímeros, la mezcla de suspensión generalmente presenta una cierta propiedad de adelgazamiento por cizallamiento. En este caso, el modelo de Bingham modificado (M⁃B) puede describir mejor la curva reológica del yeso. Para estudiar la deformación por cortante del yeso, este trabajo también utiliza el modelo de Herschel⁃Bulkley (H⁃B).

1.3 Prueba de retención de agua

El procedimiento de prueba se refiere a GB/T28627⁃2012 Yeso para yeso. Durante el experimento con la temperatura como variable, el yeso se precalentó 1 hora antes a la temperatura correspondiente en el horno, y el agua mezclada utilizada en el experimento se precalentó 1 hora a la temperatura correspondiente en el baño de agua a temperatura constante, y el instrumento utilizado fue precalentado.

1.4 Prueba de diámetro hidrodinámico

El diámetro hidrodinámico (D50) de la asociación de polímero HPMC en fase líquida se midió utilizando un analizador de tamaño de partículas por dispersión de luz dinámica (Malvern Zetasizer NanoZS90).

2. Resultados y discusión

2.1 Propiedades reológicas del yeso modificado con HPMC

La viscosidad aparente es la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte que actúa sobre un fluido y es un parámetro para caracterizar el flujo de fluidos no newtonianos. La viscosidad aparente de la suspensión de yeso modificado cambió con el contenido de éter de celulosa bajo tres especificaciones diferentes (75.000 mPa·s, 100.000 mpa·s y 200.000 mPa·s). La temperatura de prueba fue de 20 ℃. Cuando la velocidad de corte del reómetro es 14 min-1, se puede encontrar que la viscosidad de la lechada de yeso aumenta con el aumento de la incorporación de HPMC, y cuanto mayor sea la viscosidad de HPMC, mayor será la viscosidad de la lechada de yeso modificado. Esto indica que la HPMC tiene un evidente efecto espesante y viscosificador sobre la lechada de yeso. La lechada de yeso y el éter de celulosa son sustancias con cierta viscosidad. En la mezcla de yeso modificado, el éter de celulosa se adsorbe en la superficie de los productos de hidratación del yeso, y la red formada por el éter de celulosa y la red formada por la mezcla de yeso se entrelazan, lo que resulta en un "efecto de superposición", que mejora significativamente la viscosidad general de el material a base de yeso modificado.

Las curvas de tensión de corte ⁃ de pasta de yeso puro (G⁃H) y de yeso modificado (G⁃H) dopadas con 75000 mPa · s-HPMC, como se infiere del modelo revisado de Bingham (M⁃B). Se puede encontrar que a medida que aumenta la velocidad de corte, también aumenta el esfuerzo cortante de la mezcla. Se obtienen los valores de viscosidad plástica (ηp) y límite elástico (τ0) del yeso puro y del yeso modificado con HPMC a diferentes temperaturas.

A partir de los valores de viscosidad plástica (ηp) y límite elástico (τ0) del yeso puro y del yeso modificado con HPMC a diferentes temperaturas, se puede ver que el límite elástico del yeso modificado con HPMC disminuirá continuamente con el aumento de la temperatura, y el límite elástico El estrés disminuirá un 33% a 60 ℃ en comparación con 20 ℃. Al observar la curva de viscosidad plástica, se puede encontrar que la viscosidad plástica de la lechada de yeso modificado también disminuye con el aumento de la temperatura. Sin embargo, el límite elástico y la viscosidad plástica de la lechada de yeso puro aumentan ligeramente con el aumento de la temperatura, lo que indica que el cambio de los parámetros reológicos de la lechada de yeso modificado con HPMC en el proceso de aumento de temperatura es causado por el cambio de las propiedades de la HPMC.

El valor del límite elástico de la lechada de yeso refleja el valor máximo del esfuerzo cortante cuando la lechada resiste la deformación por corte. Cuanto mayor sea el valor del límite elástico, más estable puede ser la lechada de yeso. La viscosidad plástica refleja la tasa de deformación de la lechada de yeso. Cuanto mayor sea la viscosidad plástica, mayor será el tiempo de deformación por cizallamiento de la lechada. En conclusión, los dos parámetros reológicos de la lechada de yeso modificada con HPMC disminuyen obviamente con el aumento de la temperatura, y el efecto espesante de la HPMC sobre la lechada de yeso se debilita.

La deformación por corte de la lechada se refiere al efecto de espesamiento o adelgazamiento por corte reflejado por la lechada cuando se somete a una fuerza de corte. El efecto de deformación por corte de la lechada se puede juzgar por el índice pseudoplástico n obtenido de la curva de ajuste. Cuando n < 1, la lechada de yeso muestra adelgazamiento por corte, y el grado de adelgazamiento por corte de la lechada de yeso aumenta con la disminución de n. Cuando n > 1, la lechada de yeso mostró un espesamiento por corte, y el grado de espesamiento por corte de la lechada de yeso aumentó con el aumento de n. Curvas reológicas de la lechada de yeso modificada con HPMC a diferentes temperaturas basadas en el ajuste del modelo Herschel⁃Bulkley (H⁃B), obteniendo así el índice pseudoplástico n de la lechada de yeso modificada con HPMC.

Según el índice pseudoplástico n de la lechada de yeso modificado con HPMC, la deformación por corte de la lechada de yeso mezclada con HPMC es adelgazamiento por corte, y el valor n aumenta gradualmente con el aumento de la temperatura, lo que indica que el comportamiento de adelgazamiento por corte del yeso modificado con HPMC aumentará debilitarse hasta cierto punto cuando se ve afectado por la temperatura.

Con base en los cambios aparentes de viscosidad de la lechada de yeso modificado con una velocidad de corte calculada a partir de datos de tensión de corte de 75000 mPa · HPMC a diferentes temperaturas, se puede encontrar que la viscosidad plástica de la lechada de yeso modificado disminuye rápidamente con el aumento de la velocidad de corte. que verifica el resultado de ajuste del modelo H⁃B. La lechada de yeso modificado mostró características de adelgazamiento por cizallamiento. Con el aumento de la temperatura, la viscosidad aparente de la mezcla disminuye hasta cierto punto a una velocidad de cizallamiento baja, lo que indica que el efecto de adelgazamiento por cizallamiento de la lechada de yeso modificado se debilita.

En el uso real de masilla de yeso, se requiere que la lechada de yeso sea fácil de deformar en el proceso de frotamiento y permanezca estable en reposo, lo que requiere que la lechada de yeso tenga buenas características de adelgazamiento por cizallamiento, y el cambio de cizallamiento del yeso modificado con HPMC es raro. hasta cierto punto, lo que no favorece la construcción de materiales de yeso. La viscosidad de HPMC es uno de los parámetros importantes y también la razón principal por la que desempeña el papel de espesante para mejorar las características variables del flujo de mezcla. El éter de celulosa en sí tiene las propiedades de un gel caliente, la viscosidad de su solución acuosa disminuye gradualmente a medida que aumenta la temperatura y el gel blanco precipita al alcanzar la temperatura de gelificación. El cambio de los parámetros reológicos del yeso modificado con éter de celulosa con la temperatura está estrechamente relacionado con el cambio de viscosidad, porque el efecto espesante es el resultado de la superposición de éter de celulosa y lechada mixta. En ingeniería práctica, se debe considerar el impacto de la temperatura ambiental en el rendimiento de HPMC. Por ejemplo, la temperatura de las materias primas debe controlarse a altas temperaturas en verano para evitar el bajo rendimiento de trabajo del yeso modificado causado por las altas temperaturas.

2.2 Retención de agua deYeso modificado con HPMC

La retención de agua de la lechada de yeso modificada con tres especificaciones diferentes de éter de celulosa cambia con la curva de dosificación. Con el aumento de la dosis de HPMC, la tasa de retención de agua de la lechada de yeso mejora significativamente y la tendencia de aumento se estabiliza cuando la dosis de HPMC alcanza el 0,3%. Finalmente, la tasa de retención de agua de la lechada de yeso es estable entre 90% y 95%. Esto indica que HPMC tiene un efecto obvio de retención de agua en la pasta de piedra, pero el efecto de retención de agua no mejora significativamente a medida que la dosis continúa aumentando. La diferencia entre las tres especificaciones de la tasa de retención de agua de HPMC no es grande; por ejemplo, cuando el contenido es del 0,3%, el rango de la tasa de retención de agua es del 5% y la desviación estándar es 2,2. La HPMC con la viscosidad más alta no tiene la tasa de retención de agua más alta, y la HPMC con la viscosidad más baja no tiene la tasa de retención de agua más baja. Sin embargo, en comparación con el yeso puro, la tasa de retención de agua de las tres HPMC para la lechada de yeso mejora significativamente, y la tasa de retención de agua del yeso modificado en el contenido del 0,3% aumenta en un 95%, 106%, 97% en comparación con el yeso puro. grupo de control en blanco. Obviamente, el éter de celulosa puede mejorar la retención de agua de la lechada de yeso. Con el aumento del contenido de HPMC, la tasa de retención de agua de la lechada de yeso modificado con HPMC con diferente viscosidad alcanza gradualmente el punto de saturación. La HPMC de 10000mPa·s alcanzó el punto de saturación al 0,3%, la HPMC de 75000mPa·s y la de 20000mPa·s alcanzó el punto de saturación al 0,2%. Los resultados muestran que la retención de agua del yeso modificado con HPMC de 75000 mPa·s cambia con la temperatura bajo diferentes dosis. Con la disminución de la temperatura, la tasa de retención de agua del yeso modificado con HPMC disminuye gradualmente, mientras que la tasa de retención de agua del yeso puro básicamente permanece sin cambios, lo que indica que el aumento de temperatura debilita el efecto de retención de agua de la HPMC sobre el yeso. La tasa de retención de agua de HPMC disminuyó en un 31,5% cuando la temperatura aumentó de 20 ℃ a 40 ℃. Cuando la temperatura aumenta de 40 ℃ a 60 ℃, la tasa de retención de agua del yeso modificado con HPMC es básicamente la misma que la del yeso puro, lo que indica que HPMC ha perdido el efecto de mejorar la retención de agua del yeso en este momento. Jian Jian y Wang Peiming propusieron que el éter de celulosa en sí tiene un fenómeno de gel térmico, el cambio de temperatura provocará cambios en la viscosidad, morfología y adsorción del éter de celulosa, lo que seguramente provocará cambios en el rendimiento de la mezcla de lechada. Bulichen también descubrió que la viscosidad dinámica de las soluciones de cemento que contenían HPMC disminuía al aumentar la temperatura.

El cambio de retención de agua de la mezcla provocado por el aumento de temperatura debe combinarse con el mecanismo del éter de celulosa. Bulichen explicó el mecanismo por el cual el éter de celulosa puede retener agua en el cemento. En los sistemas a base de cemento, la HPMC mejora la tasa de retención de agua de la lechada al reducir la permeabilidad de la “torta de filtración” formada por el sistema de cementación. Una cierta concentración de HPMC en la fase líquida formará varios cientos de nanómetros a unas pocas micras de asociación coloidal, esto tiene un cierto volumen de estructura polimérica que puede tapar eficazmente el canal de transmisión de agua en la mezcla y reducir la permeabilidad de la "torta de filtración". para lograr una retención eficiente del agua. Bulichen también demostró que HPMCS en yeso exhibe el mismo mecanismo. Por tanto, el estudio del diámetro hidromecánico de la asociación formada por HPMC en fase líquida puede explicar el efecto de la HPMC sobre la retención de agua del yeso.

2.3 Diámetro hidrodinámico de la asociación coloidal HPMC

Curvas de distribución de partículas de diferentes concentraciones de HPMC de 75000 mPa·s en fase líquida, y curvas de distribución de partículas de tres especificaciones de HPMC en fase líquida a una concentración del 0,6%. Puede verse en la curva de distribución de partículas de HPMC de tres especificaciones en la fase líquida cuando la concentración es del 0,6% que, con el aumento de la concentración de HPMC, también aumenta el tamaño de partículas de los compuestos asociados formados en la fase líquida. Cuando la concentración es baja, las partículas formadas por la agregación de HPMC son pequeñas y solo una pequeña parte de la HPMC se agrega en partículas de aproximadamente 100 nm. Cuando la concentración de HPMC es del 1%, hay una gran cantidad de asociaciones coloidales con un diámetro hidrodinámico de aproximadamente 300 nm, lo cual es un signo importante de superposición molecular. Esta estructura de polimerización de "gran volumen" puede bloquear eficazmente el canal de transmisión de agua en la mezcla, reducir la "permeabilidad de la torta" y la correspondiente retención de agua de la mezcla de yeso a esta concentración también es superior al 90%. Los diámetros hidromecánicos de HPMC con diferentes viscosidades en fase líquida son básicamente los mismos, lo que explica la tasa de retención de agua similar de la lechada de yeso modificado con HPMC con diferentes viscosidades.

Curvas de distribución granulométrica de HPMC a 75000mPa·s con una concentración del 1% a diferentes temperaturas. Con el aumento de temperatura, obviamente se puede encontrar la descomposición de la asociación coloidal de HPMC. A 40 ℃, el gran volumen de asociación de 300 nm desapareció por completo y se descompuso en partículas de pequeño volumen de 15 nm. Con el aumento adicional de la temperatura, la HPMC se convierte en partículas más pequeñas y la retención de agua de la lechada de yeso se pierde por completo.

El fenómeno de las propiedades de HPMC que cambian con el aumento de la temperatura también se conoce como propiedades de gel caliente. La opinión común existente es que a baja temperatura, las macromoléculas de HPMC se dispersan primero en agua para disolver la solución, las moléculas de HPMC en alta concentración formarán una asociación de partículas grandes. . Cuando la temperatura aumenta, la hidratación de HPMC se debilita, el agua entre las cadenas se descarga gradualmente, los compuestos de asociación grandes se dispersan gradualmente en partículas pequeñas, la viscosidad de la solución disminuye y se forma la estructura de red tridimensional cuando se gelifica. Se alcanza la temperatura y precipita el gel blanco.

Bodvik descubrió que la microestructura y las propiedades de adsorción de HPMC en fase líquida cambiaban. Combinado con la teoría de Bulichen sobre la asociación coloidal de HPMC que bloquea el canal de transporte de agua de lodo, se concluyó que el aumento de temperatura condujo a la desintegración de la asociación coloidal de HPMC, lo que resultó en la disminución de la retención de agua del yeso modificado.

3. Conclusión

(1) El éter de celulosa en sí tiene una alta viscosidad y un efecto "superpuesto" con la lechada de yeso, lo que produce un efecto espesante obvio. A temperatura ambiente, el efecto espesante se vuelve más evidente con el aumento de la viscosidad y la dosis de éter de celulosa. Sin embargo, con el aumento de la temperatura, la viscosidad del éter de celulosa disminuye, su efecto espesante se debilita, el límite elástico y la viscosidad plástica de la mezcla de yeso disminuyen, la pseudoplasticidad se debilita y las propiedades de construcción empeoran.

(2) El éter de celulosa mejoró la retención de agua del yeso, pero con el aumento de la temperatura, la retención de agua del yeso modificado también disminuyó significativamente, incluso a 60 ℃ se perderá por completo el efecto de retención de agua. La tasa de retención de agua de la lechada de yeso mejoró significativamente con el éter de celulosa, y la tasa de retención de agua de la lechada de yeso modificada con HPMC con diferente viscosidad alcanzó gradualmente el punto de saturación con el aumento de la dosis. La retención de agua del yeso es generalmente proporcional a la viscosidad del éter de celulosa; a alta viscosidad tiene poco efecto.

(3) Los factores internos que cambian la retención de agua del éter de celulosa con la temperatura están estrechamente relacionados con la morfología microscópica del éter de celulosa en fase líquida. A cierta concentración, el éter de celulosa tiende a agregarse para formar grandes asociaciones coloidales, bloqueando el canal de transporte de agua de la mezcla de yeso para lograr una alta retención de agua. Sin embargo, con el aumento de la temperatura, debido a la propiedad de gelificación térmica del propio éter de celulosa, la gran asociación coloide previamente formada se redispersa, lo que lleva a una disminución del rendimiento de retención de agua.