Neionski celulozni eter u polimernom cementu

Kao neizostavan aditiv u polimernom cementu, neionski celulozni eter privukao je veliku pozornost i istraživanja. Na temelju relevantne literature u zemlji i inozemstvu, obrađena je zakonitost i mehanizam neionskog celuloznog etera modificiranog cementnog morta s aspekta vrsta i izbora neionskog celuloznog etera, njegovog utjecaja na fizikalna svojstva polimernog cementa, njegov utjecaj na mikromorfologiju i mehanička svojstva te su istaknuti nedostaci dosadašnjih istraživanja. Ovim radom promovirat će se primjena celuloznog etera u polimernom cementu.

Ključne riječi: neionski celulozni eter, polimercement, fizikalna svojstva, mehanička svojstva, mikrostruktura

1. Pregled

Uz sve veću potražnju i zahtjeve za učinkom polimernog cementa u građevinskoj industriji, dodavanje aditiva njegovoj modifikaciji postalo je žarište istraživanja, među kojima je celulozni eter naširoko korišten zbog svog učinka na zadržavanje vode u cementnom mortu, zgušnjavanje, usporavanje, zrak i tako dalje. U ovom radu opisane su vrste celuloznog etera, učinci na fizikalna i mehanička svojstva polimernog cementa te mikromorfologija polimernog cementa, što daje teorijsku orijentir za primjenu celuloznog etera u polimernom cementu.

2. Vrste neionskog celuloznog etera

Celulozni eter je vrsta polimernog spoja s eterskom strukturom napravljenom od celuloze. Postoji mnogo vrsta celuloznog etera, koji ima velik utjecaj na svojstva materijala na bazi cementa i teško ga je odabrati. Prema kemijskoj strukturi supstituenti se mogu podijeliti na anionske, kationske i neionske etere. Neionski celulozni eter sa supstituentom bočnog lanca H, cH3, c2H5, (cH2cH20)nH, [cH2cH(cH3)0]nH i drugim nerastavljivim skupinama najčešće se koristi u cementu, tipični predstavnici su metil celulozni eter, hidroksipropil metil celulozni eter, hidroksietil metil celulozni eter, hidroksietil celulozni eter i tako dalje. Različite vrste celuloznih etera imaju različite učinke na vrijeme vezivanja cementa. Prema prethodnim literaturnim izvješćima, HEC ima najjaču sposobnost usporavanja cementa, slijede HPMc i HEMc, a Mc ima najlošiju. Za istu vrstu celuloznog etera, molekularna težina ili viskoznost, sadržaj metila, hidroksietila, hidroksipropila ovih skupina su različiti, njegov učinak usporavanja je također različit. Općenito govoreći, što je veća viskoznost i što je veći sadržaj nedisocirabilnih skupina, to je lošija sposobnost odgode. Stoga se u stvarnom procesu proizvodnje, u skladu sa zahtjevima komercijalne koagulacije žbuke, može odabrati odgovarajući sadržaj funkcionalne skupine celuloznog etera. Ili u proizvodnji celuloznog etera u isto vrijeme, prilagodite sadržaj funkcionalnih skupina, kako biste zadovoljili zahtjeve različitih mortova.

3、utjecaj neionskog celuloznog etera na fizikalna svojstva polimernog cementa

3.1 Spora koagulacija

Kako bi se produžilo vrijeme otvrdnjavanja cementa hidratacijom, tako da novozamiješani mort dugo ostane plastičan, kako bi se prilagodilo vrijeme stvrdnjavanja novozamiješanog morta, poboljšala njegova operativnost, obično se u mort dodaju usporivači, ne- ionski celulozni eter prikladan je za polimerni cement i uobičajeni je usporivač.

Na usporavajući učinak neionskog celuloznog etera na cement uglavnom utječu njegova vlastita vrsta, viskoznost, doza, različit sastav minerala cementa i drugi čimbenici. Pourchez J i sur. pokazalo je da što je veći stupanj metilacije celuloznog etera, to je lošiji učinak usporavanja, dok molekularna težina celuloznog etera i sadržaj hidroksipropoksi imaju slab učinak na usporavanje hidratacije cementa. S povećanjem viskoznosti i količine dopinga neionskog celuloznog etera, adsorpcijski sloj na površini čestica cementa se zgušnjava, a početno i konačno vrijeme vezivanja cementa se produljuje, a učinak usporavanja je očitiji. Studije su pokazale da je rano otpuštanje topline cementnih kaša s različitim sadržajem HEMC-a oko 15% niže nego kod čistih cementnih kaša, ali nema značajne razlike u kasnijem procesu hidratacije. Singh NK i sur. pokazalo je da s povećanjem količine HEc dopinga oslobađanje hidratacijske topline modificirane cementne žbuke pokazuje trend prvo povećanja, a potom pada, a sadržaj HEC pri postizanju maksimalnog oslobađanja hidratacijske topline povezan je s dobi stvrdnjavanja.

Osim toga, utvrđeno je da je učinak usporavanja neionskog celuloznog etera usko povezan sa sastavom cementa. Peschard i sur. otkrili su da što je niži sadržaj trikalcijevog aluminata (C3A) u cementu, to je očitiji usporavajući učinak celuloznog etera. schmitz L i sur. vjerovao je da je to uzrokovano različitim načinima celuloznog etera na kinetiku hidratacije trikalcijeva silikata (C3S) i trikalcijeva aluminata (C3A). Celulozni eter mogao bi smanjiti brzinu reakcije u razdoblju ubrzanja C3S, dok bi za C3A mogao produžiti indukcijsko razdoblje i konačno odgoditi proces skrućivanja i stvrdnjavanja morta.

Postoje različita mišljenja o mehanizmu odgađanja hidratacije cementa neionskim celuloznim eterom. Silva i sur. Liu je vjerovao da bi uvođenje celuloznog etera uzrokovalo povećanje viskoznosti otopine pora, čime bi se blokiralo kretanje iona i odgodila kondenzacija. Međutim, Pourchez et al. vjerovao je da postoji očit odnos između odgode celuloznog etera do hidratacije cementa i viskoznosti cementne kaše. Druga teorija je da je učinak usporavanja celuloznog etera usko povezan s razgradnjom alkalija. Polisaharidi se lako razgrađuju i proizvode hidroksilnu karboksilnu kiselinu koja može odgoditi hidrataciju cementa u alkalnim uvjetima. Međutim, studije su otkrile da je celulozni eter vrlo stabilan u alkalnim uvjetima i da se samo malo razgrađuje, a razgradnja ima mali učinak na odgodu hidratacije cementa. Trenutačno je dosljednije mišljenje da je učinak usporavanja uglavnom uzrokovan adsorpcijom. Točnije, hidroksilna skupina na površini molekule celuloznog etera je kisela, ca(0H) u sustavu hidratacijskog cementa, a ostale mineralne faze su alkalne. Pod sinergističkim djelovanjem vodikovih veza, kompleksiranja i hidrofobnih, molekule kiselog celuloznog etera će se adsorbirati na površini čestica alkalnog cementa i proizvoda hidratacije. Osim toga, na njegovoj površini stvara se tanki film koji sprječava daljnji rast ovih kristalnih jezgri mineralne faze i usporava hidrataciju i vezivanje cementa. Što je jači adsorpcijski kapacitet između proizvoda hidratacije cementa i celuloznog etera, to je očitije kašnjenje hidratacije cementa. S jedne strane, veličina steričke smetnje igra odlučujuću ulogu u adsorpcijskom kapacitetu, kao što je mala sterička smetnja hidroksilne skupine, njena jaka kiselost, adsorpcija je također jaka. S druge strane, adsorpcijski kapacitet ovisi i o sastavu produkata hidratacije cementa. Pourchez i sur. otkrili su da se celulozni eter lako adsorbira na površinu proizvoda hidratacije kao što su ca(0H)2, csH gel i kalcijev aluminat hidrat, ali nije ga lako adsorbirati etringit i nehidratirana faza. Mullertova studija također je pokazala da je celulozni eter imao jaku adsorpciju na c3s i njegove produkte hidratacije, tako da je hidratacija silikatne faze značajno odgođena. Adsorpcija etringita bila je niska, ali je stvaranje etringita značajno odgođeno. To je bilo zato što je na kašnjenje u formiranju etringita utjecala ravnoteža ca2+ u otopini, što je bio nastavak kašnjenja celuloznog etera u hidrataciji silikata.

3.2 Očuvanje vode

Još jedan važan modifikacijski učinak celuloznog etera u cementnom mortu je da se pojavljuje kao sredstvo za zadržavanje vode, koje može spriječiti prerano isparavanje vlage u mokrom mortu ili da je apsorbira baza, te odgoditi hidrataciju cementa dok produljuje vrijeme rada mokri mort, kako bi se osiguralo da se tanki mort može češljati, žbukani mort se može nanositi, a mort koji se lako upija ne treba prethodno vlažiti.

Kapacitet celuloznog etera za zadržavanje vode usko je povezan s njegovom viskoznošću, dozom, vrstom i temperaturom okoline. Ostali uvjeti su isti, što je veća viskoznost celuloznog etera, to je bolji učinak zadržavanja vode, mala količina celuloznog etera može uvelike poboljšati stopu zadržavanja vode u mortu; Za isti celulozni eter, što je veća dodana količina, veća je stopa zadržavanja vode modificiranog morta, ali postoji optimalna vrijednost, iznad koje stopa zadržavanja vode polako raste. Za različite vrste celuloznog etera također postoje razlike u zadržavanju vode, kao što je HPMc pod istim uvjetima nego Mc bolje zadržavanje vode. Osim toga, sposobnost zadržavanja vode celuloznog etera opada s porastom temperature okoline.

Općenito se vjeruje da je razlog zašto celulozni eter ima funkciju zadržavanja vode uglavnom zbog 0H na molekuli i 0 atoma na eterskoj vezi koji će biti povezan s molekulama vode za sintetiziranje vodikove veze, tako da slobodna voda postane obvezujuća vodu, kako bi igrao dobru ulogu u zadržavanju vode; Također se vjeruje da makromolekularni lanac celuloznog etera igra restriktivnu ulogu u difuziji molekula vode, kako bi se učinkovito kontroliralo isparavanje vode, kako bi se postiglo visoko zadržavanje vode; Pourchez J je tvrdio da je celulozni eter postigao učinak zadržavanja vode poboljšavajući reološka svojstva novoumiješane cementne kaše, strukturu porozne mreže i stvaranje filma celuloznog etera koji je sprječavao difuziju vode. Laetitia P i sur. također vjeruju da su reološka svojstva morta ključni čimbenik, ali također vjeruju da viskoznost nije jedini čimbenik koji određuje izvrsno zadržavanje vode u mortu. Vrijedno je napomenuti da, iako celulozni eter ima dobre performanse zadržavanja vode, ali njegova modificirana otvrdnuta cementna žbuka upijanje vode će biti smanjena, razlog je taj što celulozni eter u mortnom filmu, au mortu veliki broj malih zatvorenih pora, blokiraju mort unutar kapilare.

3.3 Zgušnjavanje

Konzistencija morta jedan je od važnih pokazatelja za mjerenje njegovih radnih svojstava. Često se uvodi celulozni eter za povećanje konzistencije. “Konzistencija” predstavlja sposobnost svježe umiješanog morta da teče i deformira se pod djelovanjem gravitacije ili vanjskih sila. Dva svojstva zgušnjavanja i zadržavanja vode nadopunjuju jedno drugo. Dodavanje odgovarajuće količine celuloznog etera ne samo da može poboljšati sposobnost zadržavanja vode morta, osigurati glatku konstrukciju, već i povećati konzistenciju morta, značajno povećati antidisperzijsku sposobnost cementa, poboljšati vezu između morta i matrice, i smanjiti pojavu spuštanja morta.

Učinak zgušnjavanja celuloznog etera uglavnom dolazi od njegove vlastite viskoznosti, što je veća viskoznost, to je bolji učinak zgušnjavanja, ali ako je viskoznost prevelika, to će smanjiti fluidnost morta, što utječe na konstrukciju. Čimbenici koji utječu na promjenu viskoznosti, kao što su molekularna težina (ili stupanj polimerizacije) i koncentracija celuloznog etera, temperatura otopine, brzina smicanja, utjecat će na konačni učinak zgušnjavanja.

Mehanizam zgušnjavanja celuloznog etera uglavnom dolazi od hidratacije i ispreplitanja između molekula. S jedne strane, polimerni lanac celuloznog etera lako stvara vodikovu vezu s vodom u vodi, vodikova veza čini visoku hidrataciju; S druge strane, kada se malteru doda celulozni eter, on će upiti puno vode, tako da se njegov vlastiti volumen jako povećava, smanjujući slobodni prostor čestica, dok se molekularni lanci celuloznog etera međusobno isprepliću. da bi se formirala trodimenzionalna mrežna struktura, čestice žbuke su okružene u kojima, ne slobodno struje. Drugim riječima, pod ova dva djelovanja, viskoznost sustava se poboljšava, čime se postiže željeni učinak zgušnjavanja.

4. Učinak neionskog celuloznog etera na morfologiju i strukturu pora polimernog cementa

Kao što se može vidjeti iz gore navedenog, neionski celulozni eter igra vitalnu ulogu u polimernom cementu, a njegov će dodatak zasigurno utjecati na mikrostrukturu cjelokupne cementne žbuke. Rezultati pokazuju da neionski celulozni eter obično povećava poroznost cementnog morta, te se povećava broj pora u veličini od 3nm ~ 350 um, među kojima se najviše povećava broj pora u rasponu od 100nm ~ 500nm. Utjecaj na strukturu pora cementnog morta usko je povezan s vrstom i viskoznošću dodanog neionskog celuloznog etera. Ou Zhihua i sur. Vjeruje se da je, kada je viskoznost ista, poroznost cementnog morta modificiranog HEC-om manja od poroznosti HPMc i Mc dodanih kao modifikatora. Za isti celulozni eter, što je manja viskoznost, to je manja poroznost modificiranog cementnog morta. Proučavajući učinak HPMc-a na otvor izolacijske ploče od pjenastog cementa, Wang Yanru et al. otkrili su da dodavanje HPMC-a ne mijenja značajno poroznost, ali može značajno smanjiti otvor blende. Međutim, Zhang Guodian i sur. otkrili su da što je veći sadržaj HEMc, to je očitiji utjecaj na strukturu pora cementne kaše. Dodatak HEMc može značajno povećati poroznost, ukupni volumen pora i prosječni radijus pora cementne kaše, ali se specifična površina pora smanjuje, a broj velikih kapilarnih pora većih od 50 nm u promjeru značajno se povećava, a uvedene pore su uglavnom zatvorene pore.

Analiziran je učinak neionskog celuloznog etera na proces formiranja strukture pora cementne kaše. Utvrđeno je da dodatak celuloznog etera uglavnom mijenja svojstva tekuće faze. S jedne strane, površinska napetost tekuće faze se smanjuje, olakšavajući stvaranje mjehurića u cementnom mortu, i usporit će drenažu tekuće faze i difuziju mjehurića, tako da je male mjehuriće teško skupiti u velike mjehuriće i isprazniti, tako da praznina uvelike se povećava; S druge strane, viskoznost tekuće faze se povećava, što također inhibira drenažu, difuziju mjehurića i spajanje mjehurića, te pojačava sposobnost stabilizacije mjehurića. Stoga se može dobiti način utjecaja celuloznog etera na raspodjelu veličine pora cementnog morta: u rasponu veličine pora većem od 100 nm, mjehurići se mogu uvesti smanjenjem površinske napetosti tekuće faze, a difuzija mjehurića može se inhibirati povećanje viskoznosti tekućine; u području od 30 nm ~ 60 nm, na broj pora u području može se utjecati inhibicijom spajanja manjih mjehurića.

5. Utjecaj neionskog celuloznog etera na mehanička svojstva polimernog cementa

Mehanička svojstva polimernog cementa usko su povezana s njegovom morfologijom. Dodatkom neionskog celuloznog etera povećava se poroznost, što će sigurno negativno utjecati na njegovu čvrstoću, posebice na tlačnu čvrstoću i čvrstoću na savijanje. Smanjenje tlačne čvrstoće cementnog morta značajno je veće od savojne čvrstoće. Ou Zhihua i sur. proučavali su utjecaj različitih vrsta neionskog celuloznog etera na mehanička svojstva cementnog morta i otkrili da je čvrstoća cementnog morta modificiranog celuloznim eterom niža od čvrstoće čistog cementnog morta, a najniža tlačna čvrstoća 28d bila je samo 44,3% od one od čiste cementne kaše. Tlačna čvrstoća i čvrstoća na savijanje HPMc, HEMC i MC celuloznim eterom modificiranih su slične, dok su tlačna čvrstoća i čvrstoća na savijanje HEc modificirane cementne kaše u svakoj dobi značajno veće. To je usko povezano s njihovom viskoznošću ili molekularnom težinom, što je veća viskoznost ili molekularna težina celuloznog etera, ili što je veća površinska aktivnost, to je niža čvrstoća njegove modificirane cementne žbuke.

Međutim, također je pokazano da neionski celulozni eter može povećati vlačnu čvrstoću, fleksibilnost i kohezibilnost cementnog morta. Huang Liangen i sur. utvrdili su da, suprotno zakonu promjene tlačne čvrstoće, posmična i vlačna čvrstoća kaše rastu s povećanjem udjela celuloznog etera u cementnom mortu. Analiza razloga, nakon dodavanja celuloznog etera i polimerne emulzije zajedno kako bi se formirao veliki broj gustog polimernog filma, uvelike poboljšava fleksibilnost kaše i proizvoda hidratacije cementa, nehidratiziranog cementa, punila i drugih materijala ispunjenih ovim filmom , kako bi se osigurala vlačna čvrstoća sustava premaza.

Kako bi se poboljšala izvedba neionskog celuloznog etera modificiranog polimernog cementa, poboljšala fizikalna svojstva cementnog morta u isto vrijeme, ne smanjujući značajno njegova mehanička svojstva, uobičajena je praksa uskladiti celulozni eter i druge dodatke, dodane cementni mort. Li Tao-wen i sur. otkrili da je kompozitni aditiv sastavljen od celuloznog etera i polimernog ljepila u prahu ne samo malo poboljšao čvrstoću na savijanje i tlačnu čvrstoću morta, tako da su kohezivnost i viskoznost cementnog morta prikladniji za konstrukciju premaza, već je također značajno poboljšao zadržavanje vode kapacitet morta u usporedbi s jednostrukim celuloznim eterom. Xu Qi i sur. dodao trosku u prahu, sredstvo za redukciju vode i HEMc, i otkrio da sredstvo za redukciju vode i mineralni prah mogu povećati gustoću morta, smanjiti broj rupa, kako bi se poboljšala čvrstoća i modul elastičnosti morta. HEMc može povećati vlačnu čvrstoću prianjanja morta, ali nije dobar za tlačnu čvrstoću i modul elastičnosti morta. Yang Xiaojie i sur. otkrili su da se plastično pucanje cementnog morta može značajno smanjiti nakon miješanja HEMc i PP vlakana.

6. Zaključak

Neionski celulozni eter igra važnu ulogu u polimernom cementu, koji može značajno poboljšati fizikalna svojstva (uključujući usporavanje koagulacije, zadržavanje vode, zgušnjavanje), mikroskopsku morfologiju i mehanička svojstva cementnog morta. Puno se radilo na modifikaciji materijala na bazi cementa celuloznim eterom, ali još uvijek postoje neki problemi koje treba dodatno proučavati. Na primjer, u praktičnim inženjerskim primjenama, malo se pažnje pridaje reologiji, svojstvima deformacije, stabilnosti volumena i trajnosti modificiranih materijala na bazi cementa, a pravilan odgovarajući odnos nije uspostavljen s dodanim celuloznim eterom. Istraživanja migracijskog mehanizma polimera celuloznog etera i proizvoda hidratacije cementa u reakciji hidratacije još su nedostatna. Proces i mehanizam djelovanja složenih dodataka koji se sastoje od celuloznog etera i drugih primjesa nisu dovoljno jasni. Kompozitni dodatak celuloznog etera i anorganskih ojačanih materijala kao što su staklena vlakna nije usavršen. Sve će to biti fokus budućih istraživanja kako bi se pružile teorijske smjernice za daljnje poboljšanje učinkovitosti polimernog cementa.