Effet de la température ambiante sur l'ouvrabilité du gypse modifié à l'éther de cellulose

Les performances du gypse modifié à l’éther de cellulose à différentes températures ambiantes sont très différentes, mais son mécanisme n’est pas clair. Les effets de l'éther de cellulose sur les paramètres rhéologiques et la rétention d'eau du coulis de gypse à différentes températures ambiantes ont été étudiés. Le diamètre hydrodynamique de l'éther de cellulose en phase liquide a été mesuré par la méthode de diffusion dynamique de la lumière et le mécanisme d'influence a été exploré. Les résultats montrent que l'éther de cellulose a un bon effet de rétention d'eau et d'épaississement sur le gypse. Avec l'augmentation de la teneur en éther de cellulose, la viscosité du lisier augmente et la capacité de rétention d'eau augmente. Cependant, avec l'augmentation de la température, la capacité de rétention d'eau du coulis de gypse modifié diminue dans une certaine mesure et les paramètres rhéologiques changent également. Étant donné que l'association colloïdale d'éther de cellulose peut réaliser une rétention d'eau en bloquant le canal de transport de l'eau, l'augmentation de la température peut conduire à la désintégration de l'association de grand volume produite par l'éther de cellulose, réduisant ainsi la rétention d'eau et les performances de travail du gypse modifié.

Mots clés :gypse; Éther de cellulose ; Température; Rétention d'eau ; rhéologie

0. Introduction

Le gypse, en tant que matériau respectueux de l'environnement doté de bonnes propriétés de construction et physiques, est largement utilisé dans les projets de décoration. Lors de l'application de matériaux à base de gypse, un agent de rétention d'eau est généralement ajouté pour modifier la suspension afin d'éviter la perte d'eau lors du processus d'hydratation et de durcissement. L'éther de cellulose est actuellement l'agent de rétention d'eau le plus courant. Étant donné que le CE ionique réagit avec le Ca2+, utilisez souvent du CE non ionique, tel que : l'éther d'hydroxypropylméthylcellulose, l'éther d'hydroxyéthylméthylcellulose et l'éther de méthylcellulose. Il est important d’étudier les propriétés du gypse modifié à l’éther de cellulose pour une meilleure application du gypse dans l’ingénierie de décoration.

L'éther de cellulose est un composé de haut poids moléculaire produit par la réaction de la cellulose alcaline et d'un agent éthérifiant dans certaines conditions. L'éther de cellulose non ionique utilisé dans l'ingénierie de la construction a un bon effet de dispersion, de rétention d'eau, de liaison et d'épaississement. L'ajout d'éther de cellulose a un effet très évident sur la rétention d'eau du gypse, mais la résistance à la flexion et à la compression du corps durci en gypse diminue également légèrement avec l'augmentation de la quantité ajoutée. En effet, l'éther de cellulose a un certain effet entraîneur d'air, ce qui introduira des bulles lors du processus de mélange du lisier, réduisant ainsi les propriétés mécaniques du corps durci. Dans le même temps, une trop grande quantité d’éther de cellulose rendra le mélange de gypse trop collant, ce qui affectera ses performances de construction.

Le processus d'hydratation du gypse peut être divisé en quatre étapes : dissolution du sulfate de calcium hémihydraté, cristallisation, nucléation du sulfate de calcium dihydraté, croissance du noyau cristallin et formation de la structure cristalline. Dans le processus d'hydratation du gypse, le groupe fonctionnel hydrophile de l'éther de cellulose adsorbé à la surface des particules de gypse fixera une partie des molécules d'eau, retardant ainsi le processus de nucléation de l'hydratation du gypse et prolongeant le temps de prise du gypse. Grâce à l'observation au MEB, Mroz a découvert que, bien que la présence d'éther de cellulose retarde la croissance des cristaux, elle augmente le chevauchement et l'agrégation des cristaux.

L'éther de cellulose contient des groupes hydrophiles de sorte qu'il a une certaine hydrophilie, une longue chaîne de polymère s'interconnectant de sorte qu'elle ait une viscosité élevée, l'interaction des deux fait que la cellulose a un bon effet épaississant retenant l'eau sur le mélange de gypse. Bulichen a expliqué le mécanisme de rétention d'eau de l'éther de cellulose dans le ciment. À faible mélange, l'éther de cellulose s'adsorbe sur le ciment pour une absorption intramoléculaire de l'eau et s'accompagne d'un gonflement pour obtenir une rétention d'eau. A cette époque, la rétention d’eau est mauvaise. À forte dose, l'éther de cellulose formera des centaines de nanomètres à quelques microns de polymère colloïdal, bloquant efficacement le système de gel dans le trou, pour obtenir une rétention d'eau efficace. Le mécanisme d'action de l'éther de cellulose dans le gypse est le même que celui du ciment, mais la concentration plus élevée de SO42- dans la phase fluide du coulis de gypse affaiblira l'effet de rétention d'eau de la cellulose.

Sur la base du contenu ci-dessus, on peut constater que les recherches actuelles sur le gypse modifié à l'éther de cellulose se concentrent principalement sur le processus d'hydratation de l'éther de cellulose sur le mélange de gypse, les propriétés de rétention d'eau, les propriétés mécaniques et la microstructure du corps durci, ainsi que le mécanisme de l'éther de cellulose. rétention d'eau. Cependant, l’étude de l’interaction entre l’éther de cellulose et le coulis de gypse à haute température est encore insuffisante. La solution aqueuse d’éther de cellulose gélatinise à une température spécifique. À mesure que la température augmente, la viscosité de la solution aqueuse d’éther de cellulose diminuera progressivement. Lorsque la température de gélatinisation est atteinte, l'éther de cellulose sera précipité en gel blanc. Par exemple, dans la construction d'été, la température ambiante est élevée, les propriétés de gel thermique de l'éther de cellulose entraîneront forcément des modifications dans l'ouvrabilité du coulis de gypse modifié. Ce travail explore l'effet de l'augmentation de la température sur l'ouvrabilité du matériau de gypse modifié à l'éther de cellulose au moyen d'expériences systématiques et fournit des conseils pour l'application pratique du gypse modifié à l'éther de cellulose.

1. Expérimentez

1.1 Matières premières

Le gypse est le gypse de construction naturel de type β fourni par Beijing Ecological Home Group.

Éther de cellulose sélectionné parmi l'éther d'hydroxypropylméthylcellulose du groupe Shandong Yiteng, spécifications du produit pour 75 000 mPa.s, 100 000 mPa.s et 200 000 mPa.s, température de gélification supérieure à 60 ℃. L'acide citrique a été choisi comme retardateur de gypse.

1.2 Test de rhéologie

L'instrument de test rhéologique utilisé était le rhéomètre RST⁃CC produit par BROOKFIELD USA. Les paramètres rhéologiques tels que la viscosité plastique et la limite d'élasticité de cisaillement de la suspension de gypse ont été déterminés par le récipient d'échantillon MBT⁃40F⁃0046 et le rotor CC3⁃40, et les données ont été traitées par le logiciel RHE3000.

Les caractéristiques du mélange de gypse sont conformes au comportement rhéologique du fluide Bingham, qui est généralement étudié à l'aide du modèle Bingham. Cependant, en raison de la pseudoplasticité de l'éther de cellulose ajouté au gypse modifié par un polymère, le mélange en suspension présente généralement une certaine propriété de fluidification par cisaillement. Dans ce cas, le modèle Bingham (M⁃B) modifié permet de mieux décrire la courbe rhéologique du gypse. Afin d'étudier la déformation par cisaillement du gypse, ce travail utilise également le modèle Herschel⁃Bulkley (H⁃B).

1.3 Test de rétention d'eau

La procédure de test se réfère au plâtre de plâtre GB/T28627⁃2012. Au cours de l'expérience avec la température comme variable, le gypse a été préchauffé 1 heure à l'avance à la température correspondante dans le four, et l'eau mélangée utilisée dans l'expérience a été préchauffée 1 heure à la température correspondante dans le bain-marie à température constante, et l'instrument utilisé a été préchauffé.

1.4 Essai de diamètre hydrodynamique

Le diamètre hydrodynamique (D50) de l'association de polymères HPMC en phase liquide a été mesuré à l'aide d'un analyseur granulométrique à diffusion dynamique de la lumière (Malvern Zetasizer NanoZS90).

2. Résultats et discussion

2.1 Propriétés rhéologiques du gypse modifié HPMC

La viscosité apparente est le rapport entre la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement agissant sur un fluide et constitue un paramètre permettant de caractériser l'écoulement de fluides non newtoniens. La viscosité apparente de la suspension de gypse modifiée changeait avec la teneur en éther de cellulose selon trois spécifications différentes (75 000 mPa.s, 100 000 mPa.s et 200 000 mPa.s). La température du test était de 20 ℃. Lorsque le taux de cisaillement du rhéomètre est de 14 min-1, on peut constater que la viscosité de la boue de gypse augmente avec l'augmentation de l'incorporation de HPMC, et plus la viscosité de HPMC est élevée, plus la viscosité de la boue de gypse modifiée sera élevée. Cela indique que l'HPMC a un effet épaississant et viscosifiant évident sur la suspension de gypse. La pâte de plâtre et l'éther de cellulose sont des substances ayant une certaine viscosité. Dans le mélange de gypse modifié, l'éther de cellulose est adsorbé à la surface des produits d'hydratation du gypse, et le réseau formé par l'éther de cellulose et le réseau formé par le mélange de gypse sont entrelacés, ce qui entraîne un « effet de superposition », qui améliore considérablement la viscosité globale du le matériau à base de gypse modifié.

Les courbes de contrainte de cisaillement⁃ du gypse pur (G⁃H) et de la pâte de gypse modifié (G⁃H) dopées avec 75 000 mPa· s-HPMC, comme déduit du modèle révisé de Bingham (M⁃B). On constate qu’avec l’augmentation du taux de cisaillement, la contrainte de cisaillement du mélange augmente également. Les valeurs de viscosité plastique (ηp) et de contrainte de cisaillement (τ0) du gypse pur et du gypse modifié HPMC à différentes températures sont obtenues.

À partir des valeurs de viscosité plastique (ηp) et de limite d'élasticité (τ0) du gypse pur et du gypse modifié HPMC à différentes températures, on peut voir que la limite d'élasticité du gypse modifié HPMC diminuera continuellement avec l'augmentation de la température, et la limite d'élasticité du gypse modifié HPMC diminuera continuellement avec l'augmentation de la température, et la limite d'élasticité du gypse modifié HPMC diminuera continuellement avec l'augmentation de la température. le stress diminuera de 33 % à 60 ℃ par rapport à 20 ℃. En observant la courbe de viscosité plastique, on peut constater que la viscosité plastique de la pâte de gypse modifiée diminue également avec l'augmentation de la température. Cependant, la limite d'élasticité et la viscosité plastique de la suspension de gypse pure augmentent légèrement avec l'augmentation de la température, ce qui indique que la modification des paramètres rhéologiques de la suspension de gypse modifiée HPMC au cours du processus d'augmentation de la température est provoquée par la modification des propriétés de la HPMC.

La valeur de limite d'élasticité du coulis de gypse reflète la valeur maximale de contrainte de cisaillement lorsque le coulis résiste à la déformation par cisaillement. Plus la valeur de la limite d'élasticité est élevée, plus la suspension de gypse peut être stable. La viscosité plastique reflète le taux de déformation de la pâte de plâtre. Plus la viscosité plastique est grande, plus le temps de déformation par cisaillement de la boue sera long. En conclusion, les deux paramètres rhéologiques de la suspension de gypse modifiée par HPMC diminuent évidemment avec l'augmentation de la température, et l'effet épaississant de l'HPMC sur la suspension de gypse est affaibli.

La déformation par cisaillement de la boue fait référence à l'effet d'épaississement ou d'amincissement par cisaillement reflété par la boue lorsqu'elle est soumise à une force de cisaillement. L'effet de déformation par cisaillement du lisier peut être jugé par l'indice pseudoplastique n obtenu à partir de la courbe d'ajustement. Lorsque n < 1, la suspension de gypse présente un amincissement par cisaillement, et le degré d'amincissement par cisaillement de la suspension de gypse devient plus élevé avec la diminution de n. Lorsque n > 1, la suspension de gypse présentait un épaississement par cisaillement, et le degré d'épaississement par cisaillement de la suspension de gypse augmentait avec l'augmentation de n. Les courbes rhéologiques de la suspension de gypse modifiée HPMC à différentes températures basées sur l'ajustement du modèle Herschel⁃Bulkley (H⁃B), obtiennent ainsi l'indice pseudoplastique n de la suspension de gypse modifiée HPMC.

Selon l'indice pseudoplastique n de la suspension de gypse modifiée par HPMC, la déformation par cisaillement de la suspension de gypse mélangée à la HPMC est un amincissement par cisaillement, et la valeur n augmente progressivement avec l'augmentation de la température, ce qui indique que le comportement d'amincissement par cisaillement du gypse modifié par HPMC sera être affaibli dans une certaine mesure lorsqu'il est affecté par la température.

Sur la base des changements de viscosité apparents de la suspension de gypse modifiée avec un taux de cisaillement calculé à partir de données de contrainte de cisaillement de 75 000 mPa · HPMC à différentes températures, on peut constater que la viscosité plastique de la suspension de gypse modifiée diminue rapidement avec l'augmentation du taux de cisaillement. qui vérifie le résultat d’ajustement du modèle H⁃B. La suspension de gypse modifiée présentait des caractéristiques de rhéofluidification. Avec l'augmentation de la température, la viscosité apparente du mélange diminue dans une certaine mesure à faible taux de cisaillement, ce qui indique que l'effet fluidifiant par cisaillement de la suspension de gypse modifiée est affaibli.

Dans l'utilisation réelle du mastic de gypse, la suspension de gypse doit être facile à déformer lors du processus de frottement et rester stable au repos, ce qui nécessite que la suspension de gypse ait de bonnes caractéristiques de fluidification par cisaillement, et le changement de cisaillement du gypse modifié par HPMC est rare. dans une certaine mesure, ce qui n'est pas propice à la construction de matériaux en plâtre. La viscosité du HPMC est l'un des paramètres importants, et aussi la principale raison pour laquelle il joue le rôle d'épaississant pour améliorer les caractéristiques variables du flux de mélange. L'éther de cellulose lui-même a les propriétés d'un gel chaud, la viscosité de sa solution aqueuse diminue progressivement à mesure que la température augmente, et le gel blanc précipite lorsqu'il atteint la température de gélification. Le changement des paramètres rhéologiques du gypse modifié à l'éther de cellulose avec la température est étroitement lié au changement de viscosité, car l'effet épaississant est le résultat de la superposition d'éther de cellulose et de suspension mixte. En ingénierie pratique, l'impact de la température ambiante sur les performances HPMC doit être pris en compte. Par exemple, la température des matières premières doit être contrôlée à haute température en été pour éviter les mauvaises performances de travail du gypse modifié causées par la température élevée.

2.2 Rétention d'eau deGypse modifié HPMC

La rétention d'eau de la pâte de gypse modifiée avec trois spécifications différentes d'éther de cellulose est modifiée avec la courbe de dosage. Avec l'augmentation du dosage de HPMC, le taux de rétention d'eau de la pâte de gypse est considérablement amélioré et la tendance à l'augmentation devient stable lorsque le dosage de HPMC atteint 0,3 %. Enfin, le taux de rétention d'eau du coulis de gypse est stable entre 90 % et 95 %. Cela indique que l'HPMC a un effet de rétention d'eau évident sur la pâte de pâte de pierre, mais que l'effet de rétention d'eau n'est pas significativement amélioré à mesure que le dosage continue d'augmenter. Trois spécifications de la différence de taux de rétention d'eau HPMC ne sont pas grandes, par exemple, lorsque la teneur est de 0,3 %, la plage du taux de rétention d'eau est de 5 %, l'écart type est de 2,2. Le HPMC avec la viscosité la plus élevée n'a pas le taux de rétention d'eau le plus élevé, et le HPMC avec la viscosité la plus faible n'a pas le taux de rétention d'eau le plus bas. Cependant, par rapport au gypse pur, le taux de rétention d'eau des trois HPMC pour la pâte de gypse est considérablement amélioré et le taux de rétention d'eau du gypse modifié à la teneur de 0,3 % est augmenté de 95 %, 106 %, 97 % par rapport au gypse pur. groupe témoin vierge. L'éther de cellulose peut évidemment améliorer la rétention d'eau du coulis de gypse. Avec l'augmentation de la teneur en HPMC, le taux de rétention d'eau de la suspension de gypse modifiée HPMC avec différentes viscosités atteint progressivement le point de saturation. 10 000 mPa·sHPMC ont atteint le point de saturation à 0,3 %, 75 000 mPa·s et 20 000 mPa·s HPMC ont atteint le point de saturation à 0,2 %. Les résultats montrent que la rétention d'eau du gypse modifié HPMC de 75 000 mPa change avec la température et sous différents dosages. Avec la diminution de la température, le taux de rétention d'eau du gypse modifié HPMC diminue progressivement, tandis que le taux de rétention d'eau du gypse pur reste pratiquement inchangé, ce qui indique que l'augmentation de la température affaiblit l'effet de rétention d'eau du HPMC sur le gypse. Le taux de rétention d'eau du HPMC a diminué de 31,5 % lorsque la température a augmenté de 20 ℃ à 40 ℃. Lorsque la température passe de 40 ℃ à 60 ℃, le taux de rétention d'eau du gypse modifié HPMC est fondamentalement le même que celui du gypse pur, ce qui indique que l'HPMC a perdu l'effet d'amélioration de la rétention d'eau du gypse à ce moment-là. Jian Jian et Wang Peiming ont proposé que l'éther de cellulose lui-même ait un phénomène de gel thermique, le changement de température entraînera des changements dans la viscosité, la morphologie et l'adsorption de l'éther de cellulose, ce qui entraînera forcément des changements dans les performances du mélange en suspension. Bulichen a également constaté que la viscosité dynamique des solutions de ciment contenant du HPMC diminuait avec l'augmentation de la température.

Le changement de rétention d'eau du mélange provoqué par l'augmentation de la température doit être combiné avec le mécanisme de l'éther de cellulose. Bulichen a expliqué le mécanisme par lequel l'éther de cellulose peut retenir l'eau dans le ciment. Dans les systèmes à base de ciment, l'HPMC améliore le taux de rétention d'eau du lisier en réduisant la perméabilité du « gâteau de filtration » formé par le système de cimentation. Une certaine concentration de HPMC dans la phase liquide formera plusieurs centaines de nanomètres à quelques microns d'association colloïdale, cela a un certain volume de structure polymère peut boucher efficacement le canal de transmission d'eau dans le mélange, réduire la perméabilité du « gâteau de filtration », pour obtenir une rétention d’eau efficace. Bulichen a également montré que les HPMCS dans le gypse présentent le même mécanisme. Ainsi, l’étude du diamètre hydromécanique de l’association formée par l’HPMC en phase liquide peut expliquer l’effet de l’HPMC sur la rétention d’eau du gypse.

2.3 Diamètre hydrodynamique de l'association colloïdale HPMC

Courbes de distribution de particules de différentes concentrations de HPMC 75 000 mPa·s dans la phase liquide, et courbes de distribution de particules de trois spécifications de HPMC dans la phase liquide à la concentration de 0,6 %. Il ressort de la courbe de distribution des particules de HPMC de trois spécifications dans la phase liquide lorsque la concentration est de 0,6 % que, avec l'augmentation de la concentration en HPMC, la taille des particules des composés associés formés dans la phase liquide augmente également. Lorsque la concentration est faible, les particules formées par l'agrégation HPMC sont petites et seule une petite partie de l'HPMC s'agrège en particules d'environ 100 nm. Lorsque la concentration en HPMC est de 1 %, il existe un grand nombre d’associations colloïdales d’un diamètre hydrodynamique d’environ 300 nm, ce qui constitue un signe important de chevauchement moléculaire. Cette structure de polymérisation à « grand volume » peut bloquer efficacement le canal de transmission de l'eau dans le mélange, réduire la « perméabilité du gâteau », et la rétention d'eau correspondante du mélange de gypse à cette concentration est également supérieure à 90 %. Les diamètres hydromécaniques des HPMC avec différentes viscosités en phase liquide sont fondamentalement les mêmes, ce qui explique le taux de rétention d'eau similaire de la pâte de gypse modifiée HPMC avec différentes viscosités.

Courbes de distribution granulométrique de HPMC 75 000 mPa·s avec une concentration de 1 % à différentes températures. Avec l'augmentation de la température, la décomposition de l'association colloïdale HPMC peut être évidemment constatée. À 40 ℃, le grand volume d’association de 300 nm a complètement disparu et s’est décomposé en particules de petit volume de 15 nm. Avec l'augmentation supplémentaire de la température, les HPMC deviennent des particules plus petites et la rétention d'eau de la suspension de gypse est complètement perdue.

Le phénomène de modification des propriétés HPMC avec l'augmentation de la température est également connu sous le nom de propriétés de gel chaud. L'opinion commune existante est qu'à basse température, les macromolécules HPMC se dispersent d'abord dans l'eau pour dissoudre la solution, les molécules HPMC en forte concentration formeront de grandes associations de particules. . Lorsque la température augmente, l'hydratation du HPMC est affaiblie, l'eau entre les chaînes est progressivement évacuée, les grands composés d'association sont progressivement dispersés en petites particules, la viscosité de la solution diminue et la structure du réseau tridimensionnel se forme lors de la gélification. la température est atteinte et le gel blanc est précipité.

Bodvik a découvert que la microstructure et les propriétés d'adsorption de l'HPMC en phase liquide étaient modifiées. En combinaison avec la théorie de Bulichen selon laquelle l'association colloïdale HPMC bloque le canal de transport de l'eau du lisier, il a été conclu que l'augmentation de la température conduisait à la désintégration de l'association colloïdale HPMC, entraînant une diminution de la rétention d'eau du gypse modifié.

3. Conclusion

(1) L'éther de cellulose lui-même a une viscosité élevée et un effet « superposé » avec la boue de gypse, jouant un effet épaississant évident. À température ambiante, l’effet épaississant devient plus évident avec l’augmentation de la viscosité et du dosage d’éther de cellulose. Cependant, avec l'augmentation de la température, la viscosité de l'éther de cellulose diminue, son effet épaississant s'affaiblit, la limite d'élasticité en cisaillement et la viscosité plastique du mélange de gypse diminuent, la pseudoplasticité s'affaiblit et les propriétés de construction se détériorent.

(2) L'éther de cellulose a amélioré la rétention d'eau du gypse, mais avec l'augmentation de la température, la rétention d'eau du gypse modifié a également diminué de manière significative, même à 60 ℃, l'effet de rétention d'eau sera complètement perdu. Le taux de rétention d'eau de la suspension de gypse a été significativement amélioré par l'éther de cellulose, et le taux de rétention d'eau de la suspension de gypse modifiée HPMC avec différentes viscosités a progressivement atteint le point de saturation avec l'augmentation du dosage. La rétention d'eau du gypse est généralement proportionnelle à la viscosité de l'éther de cellulose ; à haute viscosité, elle a peu d'effet.

(3) Les facteurs internes qui modifient la rétention d'eau de l'éther de cellulose avec la température sont étroitement liés à la morphologie microscopique de l'éther de cellulose en phase liquide. À une certaine concentration, l'éther de cellulose a tendance à s'agréger pour former de grandes associations colloïdales, bloquant le canal de transport d'eau du mélange de gypse pour obtenir une rétention d'eau élevée. Cependant, avec l'augmentation de la température, en raison de la propriété de gélification thermique de l'éther de cellulose lui-même, la grande association colloïdale précédemment formée se redisperse, entraînant une diminution des performances de rétention d'eau.