Effetto della temperatura ambiente sulla lavorabilità del gesso modificato con etere di cellulosa

Le prestazioni del gesso modificato con etere di cellulosa a diverse temperature ambiente sono molto diverse, ma il suo meccanismo non è chiaro. Sono stati studiati gli effetti dell'etere di cellulosa sui parametri reologici e sulla ritenzione idrica della sospensione di gesso a diverse temperature ambiente. Il diametro idrodinamico dell'etere di cellulosa in fase liquida è stato misurato mediante il metodo di diffusione dinamica della luce ed è stato esplorato il meccanismo di influenza. I risultati mostrano che l'etere di cellulosa ha un buon effetto di ritenzione idrica e addensante sul gesso. Con l'aumento del contenuto di etere di cellulosa, aumenta la viscosità del liquame e aumenta la capacità di trattenere l'acqua. Tuttavia, con l'aumento della temperatura, la capacità di trattenere l'acqua della sospensione di gesso modificata diminuisce in una certa misura e cambiano anche i parametri reologici. Considerando che l'associazione colloidale dell'etere di cellulosa può ottenere la ritenzione idrica bloccando il canale di trasporto dell'acqua, l'aumento della temperatura può portare alla disintegrazione dell'associazione di grande volume prodotta dall'etere di cellulosa, riducendo così la ritenzione idrica e le prestazioni lavorative del gesso modificato.

Parole chiave:gesso; Etere di cellulosa; Temperatura; Ritenzione idrica; reologia

0. Introduzione

Il gesso, in quanto materiale ecologico con buone proprietà fisiche e costruttive, è ampiamente utilizzato nei progetti di decorazione. Nell'applicazione di materiali a base di gesso, viene solitamente aggiunto un agente di ritenzione dell'acqua per modificare l'impasto liquido per prevenire la perdita di acqua nel processo di idratazione e indurimento. L'etere di cellulosa è attualmente l'agente di ritenzione idrica più comune. Poiché il CE ionico reagisce con Ca2+, utilizzare spesso CE non ionici, come: etere di idrossipropilmetilcellulosa, etere di idrossietilmetilcellulosa e etere di metilcellulosa. È importante studiare le proprietà del gesso modificato con etere di cellulosa per una migliore applicazione del gesso nell'ingegneria della decorazione.

L'etere di cellulosa è un composto ad alto peso molecolare prodotto dalla reazione della cellulosa alcalina e dell'agente eterificante in determinate condizioni. L'etere di cellulosa non ionico utilizzato nell'ingegneria edile ha una buona dispersione, ritenzione idrica, effetto legante e addensante. L'aggiunta di etere di cellulosa ha un effetto molto evidente sulla ritenzione idrica del gesso, ma anche la resistenza alla flessione e alla compressione del corpo indurito del gesso diminuisce leggermente con l'aumento della quantità di aggiunta. Questo perché l'etere di cellulosa ha un certo effetto di trascinamento dell'aria, che introdurrà bolle nel processo di miscelazione dell'impasto liquido, riducendo così le proprietà meccaniche del corpo indurito. Allo stesso tempo, una quantità eccessiva di etere di cellulosa renderà la miscela di gesso troppo appiccicosa, con conseguenti prestazioni costruttive.

Il processo di idratazione del gesso può essere suddiviso in quattro fasi: dissoluzione del solfato di calcio emiidrato, cristallizzazione, nucleazione del solfato di calcio diidrato, crescita del nucleo cristallino e formazione della struttura cristallina. Nel processo di idratazione del gesso, il gruppo funzionale idrofilo dell'etere di cellulosa che adsorbe sulla superficie delle particelle di gesso fissa una parte delle molecole d'acqua, ritardando così il processo di nucleazione dell'idratazione del gesso e prolungando il tempo di presa del gesso. Attraverso l'osservazione al SEM, Mroz ha scoperto che, sebbene la presenza di etere di cellulosa ritardasse la crescita dei cristalli, aumentava però la sovrapposizione e l'aggregazione dei cristalli.

L'etere di cellulosa contiene gruppi idrofili in modo che abbia una certa idrofilicità, lunghe catene polimeriche si interconnettono tra loro in modo da avere un'elevata viscosità, l'interazione dei due fa sì che la cellulosa abbia un buon effetto addensante di ritenzione idrica sulla miscela di gesso. Bulichen ha spiegato il meccanismo di ritenzione idrica dell'etere di cellulosa nel cemento. A bassa miscelazione, l'etere di cellulosa si adsorbe sul cemento per l'assorbimento di acqua intramolecolare ed è accompagnato da rigonfiamento per ottenere la ritenzione idrica. In questo momento la ritenzione idrica è scarsa. Ad alto dosaggio, l'etere di cellulosa formerà da centinaia di nanometri a pochi micron di polimero colloidale, bloccando efficacemente il sistema di gel nel foro, per ottenere un'efficiente ritenzione idrica. Il meccanismo d’azione dell’etere di cellulosa nel gesso è lo stesso di quello del cemento, ma la maggiore concentrazione di SO42 nella fase fluida dell’impasto liquido di gesso indebolirà l’effetto di ritenzione idrica della cellulosa.

Sulla base del contenuto di cui sopra, si può scoprire che l'attuale ricerca sul gesso modificato con etere di cellulosa si concentra principalmente sul processo di idratazione dell'etere di cellulosa sulla miscela di gesso, sulle proprietà di ritenzione idrica, sulle proprietà meccaniche e sulla microstruttura del corpo indurito e sul meccanismo dell'etere di cellulosa ritenzione idrica. Tuttavia, lo studio sull’interazione tra etere di cellulosa e impasto di gesso ad alta temperatura è ancora insufficiente. La soluzione acquosa di etere di cellulosa si gelatinizzerà a una temperatura specifica. All'aumentare della temperatura, la viscosità della soluzione acquosa di etere di cellulosa diminuirà gradualmente. Quando viene raggiunta la temperatura di gelatinizzazione, l'etere di cellulosa verrà precipitato in gel bianco. Ad esempio, nella costruzione estiva, la temperatura ambiente è elevata, le proprietà di gel termico dell'etere di cellulosa sono destinate a portare a cambiamenti nella lavorabilità della malta di gesso modificata. Questo lavoro esplora l'effetto dell'aumento della temperatura sulla lavorabilità del materiale di gesso modificato con etere di cellulosa attraverso esperimenti sistematici e fornisce indicazioni per l'applicazione pratica del gesso modificato con etere di cellulosa.

1. Esperimento

1.1 Materie prime

Il gesso è il gesso da costruzione naturale di tipo β fornito da Beijing Ecological Home Group.

Etere di cellulosa selezionato dall'etere idrossipropilmetilcellulosico del gruppo Shandong Yiteng, specifiche di prodotto per 75.000 mPa·s, 100.000 mPa·s e 200.000 mPa·s, temperatura di gelificazione superiore a 60 ℃. Come ritardante del gesso è stato scelto l'acido citrico.

1.2 Test di reologia

Lo strumento per il test reologico utilizzato era il reometro RST⁃CC prodotto da BROOKFIELD USA. I parametri reologici come la viscosità plastica e lo sforzo di taglio della sospensione di gesso sono stati determinati dal contenitore del campione MBT⁃40F⁃0046 e dal rotore CC3⁃40 e i dati sono stati elaborati dal software RHE3000.

Le caratteristiche della miscela di gesso sono conformi al comportamento reologico del fluido Bingham, che viene solitamente studiato utilizzando il modello Bingham. Tuttavia, a causa della pseudoplasticità dell'etere di cellulosa aggiunto al gesso modificato con polimero, la miscela dell'impasto liquido solitamente presenta una certa proprietà di assottigliamento al taglio. In questo caso, il modello Bingham modificato (M⁃B) può descrivere meglio la curva reologica del gesso. Per studiare la deformazione a taglio del gesso, questo lavoro utilizza anche il modello Herschel⁃Bulkley (H⁃B).

1.3 Test di ritenzione idrica

La procedura di prova fa riferimento all'intonaco per intonaco GB/T28627⁃2012. Durante l'esperimento con la temperatura come variabile, il gesso è stato preriscaldato 1 ora in anticipo alla temperatura corrispondente nel forno, e l'acqua miscelata utilizzata nell'esperimento è stata preriscaldata 1 ora alla temperatura corrispondente nel bagnomaria a temperatura costante, e lo strumento utilizzato era preriscaldato.

1.4 Prova del diametro idrodinamico

Il diametro idrodinamico (D50) dell'associazione polimerica HPMC in fase liquida è stato misurato utilizzando un analizzatore dimensionale delle particelle a diffusione dinamica della luce (Malvern Zetasizer NanoZS90).

2. Risultati e discussione

2.1 Proprietà reologiche del gesso modificato con HPMC

La viscosità apparente è il rapporto tra lo sforzo di taglio e la velocità di taglio che agisce su un fluido ed è un parametro per caratterizzare il flusso di fluidi non newtoniani. La viscosità apparente dell'impasto liquido di gesso modificato cambiava con il contenuto di etere di cellulosa secondo tre diverse specifiche (75.000 mPa·s, 100.000 mpa · se 200.000 mPa·s). La temperatura del test era di 20 ℃. Quando la velocità di taglio del reometro è 14 min-1, si può riscontrare che la viscosità dell'impasto liquido di gesso aumenta con l'aumento dell'incorporazione di HPMC e maggiore è la viscosità dell'HPMC, maggiore sarà la viscosità dell'impasto liquido di gesso modificato. Ciò indica che l'HPMC ha un evidente effetto addensante e viscosizzante sulla sospensione di gesso. L'impasto di gesso e l'etere di cellulosa sono sostanze con una certa viscosità. Nella miscela di gesso modificata, l'etere di cellulosa viene adsorbito sulla superficie dei prodotti di idratazione del gesso e la rete formata dall'etere di cellulosa e la rete formata dalla miscela di gesso si intrecciano, determinando un "effetto di sovrapposizione", che migliora significativamente la viscosità complessiva di il materiale a base di gesso modificato.

Le curve di sforzo di taglio ⁃ della pasta di gesso puro (G⁃H) e di gesso modificato (G⁃H) drogato con 75000mPa·s-HPMC, come dedotto dal modello rivisto di Bingham (M⁃B). Si può osservare che all’aumentare della velocità di taglio aumenta anche lo sforzo di taglio della miscela. Si ottengono i valori di viscosità plastica (ηp) e sforzo di taglio (τ0) del gesso puro e del gesso modificato HPMC a diverse temperature.

Dai valori di viscosità plastica (ηp) e sforzo di taglio (τ0) del gesso puro e del gesso modificato HPMC a diverse temperature, si può vedere che il carico di snervamento del gesso modificato HPMC diminuirà continuamente con l'aumento della temperatura e lo snervamento lo stress diminuirà del 33% a 60 ℃ rispetto a 20 ℃. Osservando la curva di viscosità plastica, si può scoprire che anche la viscosità plastica dell'impasto di gesso modificato diminuisce con l'aumento della temperatura. Tuttavia, il carico di snervamento e la viscosità plastica dell'impasto liquido di gesso puro aumentano leggermente con l'aumento della temperatura, il che indica che il cambiamento dei parametri reologici dell'impasto liquido di gesso modificato con HPMC nel processo di aumento della temperatura è causato dal cambiamento delle proprietà dell'HPMC.

Il valore della tensione di snervamento della sospensione di gesso riflette il valore massimo della tensione di taglio quando la sospensione resiste alla deformazione di taglio. Maggiore è il valore del limite di snervamento, più stabile può essere l'impasto di gesso. La viscosità plastica riflette il tasso di deformazione della sospensione di gesso. Maggiore è la viscosità della plastica, maggiore sarà il tempo di deformazione a taglio del liquame. In conclusione, i due parametri reologici dell'impasto di gesso modificato con HPMC diminuiscono ovviamente con l'aumento della temperatura e l'effetto addensante dell'HPMC sull'impasto di gesso è indebolito.

La deformazione di taglio del liquame si riferisce all'effetto di ispessimento o assottigliamento di taglio riflesso dal liquame quando sottoposto a forza di taglio. L'effetto di deformazione al taglio del liquame può essere giudicato dall'indice pseudoplastico n ottenuto dalla curva di adattamento. Quando n < 1, l'impasto di gesso mostra un assottigliamento al taglio e il grado di assottigliamento al taglio dell'impasto di gesso diventa più elevato con la diminuzione di n. Quando n > 1, la sospensione di gesso mostrava un ispessimento al taglio e il grado di ispessimento al taglio della sospensione di gesso aumentava con l'aumento di n. Curve reologiche della sospensione di gesso modificata HPMC a diverse temperature basate sull'adattamento del modello Herschel⁃Bulkley (H⁃B), ottenendo così l'indice pseudoplastico n della sospensione di gesso modificata HPMC.

Secondo l'indice pseudoplastico n della sospensione di gesso modificata HPMC, la deformazione a taglio della sospensione di gesso miscelata con HPMC è un assottigliamento al taglio e il valore n aumenta gradualmente con l'aumento della temperatura, il che indica che il comportamento di assottigliamento al taglio del gesso modificato HPMC sarà essere indebolito in una certa misura quando influenzato dalla temperatura.

Sulla base dei cambiamenti apparenti di viscosità dell'impasto liquido di gesso modificato con velocità di taglio calcolata dai dati di sollecitazione di taglio di 75000 mPa · HPMC a diverse temperature, si può scoprire che la viscosità plastica dell'impasto liquido di gesso modificato diminuisce rapidamente con l'aumento della velocità di taglio, che verifica il risultato di adattamento del modello H⁃B. L'impasto liquido di gesso modificato ha mostrato caratteristiche di assottigliamento al taglio. Con l'aumento della temperatura, la viscosità apparente della miscela diminuisce in una certa misura a una bassa velocità di taglio, il che indica che l'effetto di assottigliamento del taglio della sospensione di gesso modificata è indebolito.

Nell'uso effettivo del mastice di gesso, l'impasto di gesso deve essere facile da deformare nel processo di sfregamento e rimanere stabile a riposo, il che richiede che l'impasto di gesso abbia buone caratteristiche di assottigliamento al taglio, e il cambiamento di taglio del gesso modificato con HPMC è raro da osservare una certa misura, che non è favorevole alla costruzione di materiali in gesso. La viscosità dell'HPMC è uno dei parametri importanti e anche il motivo principale per cui svolge il ruolo di addensante per migliorare le caratteristiche variabili del flusso di miscelazione. Lo stesso etere di cellulosa ha le proprietà del gel caldo, la viscosità della sua soluzione acquosa diminuisce gradualmente all'aumentare della temperatura e il gel bianco precipita quando raggiunge la temperatura di gelificazione. Il cambiamento dei parametri reologici del gesso modificato con etere di cellulosa con la temperatura è strettamente correlato al cambiamento di viscosità, poiché l'effetto addensante è il risultato della sovrapposizione di etere di cellulosa e impasto misto. Nell'ingegneria pratica, si dovrebbe considerare l'impatto della temperatura ambientale sulle prestazioni dell'HPMC. Ad esempio, la temperatura delle materie prime dovrebbe essere controllata ad alta temperatura in estate per evitare le scarse prestazioni lavorative del gesso modificato causate dall'alta temperatura.

2.2 Ritenzione idrica delGesso modificato HPMC

La ritenzione idrica dell'impasto di gesso modificato con tre diverse specifiche di etere di cellulosa viene modificata con la curva di dosaggio. Con l’aumento del dosaggio HPMC, il tasso di ritenzione idrica dell’impasto liquido di gesso migliora significativamente e la tendenza all’aumento diventa stabile quando il dosaggio HPMC raggiunge lo 0,3%. Infine, il tasso di ritenzione idrica del liquame di gesso è stabile al 90% ~ 95%. Ciò indica che l'HPMC ha un evidente effetto di ritenzione dell'acqua sulla pasta di pietra, ma l'effetto di ritenzione dell'acqua non migliora in modo significativo man mano che il dosaggio continua ad aumentare. Tre specifiche della differenza del tasso di ritenzione idrica HPMC non sono grandi, ad esempio, quando il contenuto è 0,3%, l'intervallo del tasso di ritenzione idrica è 5%, la deviazione standard è 2,2. L'HPMC con la viscosità più alta non corrisponde al tasso di ritenzione idrica più elevato e l'HPMC con la viscosità più bassa non corrisponde al tasso di ritenzione idrica più basso. Tuttavia, rispetto al gesso puro, il tasso di ritenzione idrica dei tre HPMC per l'impasto di gesso è significativamente migliorato e il tasso di ritenzione idrica del gesso modificato nel contenuto dello 0,3% è aumentato del 95%, 106%, 97% rispetto al gruppo di controllo vuoto. L'etere di cellulosa può ovviamente migliorare la ritenzione idrica dei liquami di gesso. Con l'aumento del contenuto di HPMC, il tasso di ritenzione idrica della sospensione di gesso modificata HPMC con diversa viscosità raggiunge gradualmente il punto di saturazione. 10000mPa·sHPMC hanno raggiunto il punto di saturazione allo 0,3%, 75000mPa·s e 20000mPa·s HPMC hanno raggiunto il punto di saturazione allo 0,2%. I risultati mostrano che la ritenzione idrica del gesso modificato HPMC da 75.000 mPa·s cambia con la temperatura a diversi dosaggi. Con la diminuzione della temperatura, il tasso di ritenzione idrica del gesso modificato HPMC diminuisce gradualmente, mentre il tasso di ritenzione idrica del gesso puro rimane sostanzialmente invariato, indicando che l'aumento della temperatura indebolisce l'effetto di ritenzione idrica dell'HPMC sul gesso. Il tasso di ritenzione idrica dell'HPMC è diminuito del 31,5% quando la temperatura è aumentata da 20 ℃ a 40 ℃. Quando la temperatura aumenta da 40 ℃ a 60 ℃, il tasso di ritenzione idrica del gesso modificato HPMC è fondamentalmente lo stesso di quello del gesso puro, indicando che in questo momento HPMC ha perso l'effetto di migliorare la ritenzione idrica del gesso. Jian Jian e Wang Peiming hanno proposto che l'etere di cellulosa stesso abbia un fenomeno di gel termico, il cambiamento di temperatura porterà a cambiamenti nella viscosità, morfologia e adsorbimento dell'etere di cellulosa, che è destinato a portare a cambiamenti nelle prestazioni della miscela di impasto liquido. Bulichen ha anche scoperto che la viscosità dinamica delle soluzioni di cemento contenenti HPMC diminuiva con l'aumentare della temperatura.

La variazione della ritenzione idrica dell'impasto causata dall'aumento della temperatura dovrebbe essere abbinata al meccanismo dell'etere di cellulosa. Bulichen ha spiegato il meccanismo mediante il quale l'etere di cellulosa può trattenere l'acqua nel cemento. Nei sistemi a base cementizia, HPMC migliora il tasso di ritenzione idrica dei liquami riducendo la permeabilità della “torta filtrante” formata dal sistema cementante. Una certa concentrazione di HPMC nella fase liquida formerà da diverse centinaia di nanometri a pochi micron di associazione colloidale, questo ha un certo volume di struttura polimerica in grado di ostruire efficacemente il canale di trasmissione dell'acqua nella miscela, ridurre la permeabilità del "torto filtrante", per ottenere un’efficiente ritenzione idrica. Bulichen ha anche dimostrato che gli HPMCS nel gesso presentano lo stesso meccanismo. Pertanto, lo studio del diametro idromeccanico dell'associazione formata dalle HPMC in fase liquida può spiegare l'effetto delle HPMC sulla ritenzione idrica del gesso.

2.3 Diametro idrodinamico dell'associazione colloidale HPMC

Curve di distribuzione delle particelle di diverse concentrazioni di HPMC da 75.000 mPa·s nella fase liquida e curve di distribuzione delle particelle di tre specifiche di HPMC nella fase liquida alla concentrazione dello 0,6%. Dalla curva di distribuzione delle particelle di HPMC di tre specifiche nella fase liquida quando la concentrazione è dello 0,6% si può vedere che, con l'aumento della concentrazione di HPMC, aumenta anche la dimensione delle particelle dei composti associati formati nella fase liquida. Quando la concentrazione è bassa, le particelle formate dall'aggregazione dell'HPMC sono piccole e solo una piccola parte dell'HPMC si aggrega in particelle di circa 100 nm. Quando la concentrazione di HPMC è dell'1%, è presente un gran numero di associazioni colloidali con un diametro idrodinamico di circa 300 nm, che è un importante segno di sovrapposizione molecolare. Questa struttura di polimerizzazione di "grande volume" può bloccare efficacemente il canale di trasmissione dell'acqua nella miscela, ridurre la "permeabilità della torta" e anche la corrispondente ritenzione d'acqua della miscela di gesso a questa concentrazione è superiore al 90%. I diametri idromeccanici dell'HPMC con diverse viscosità in fase liquida sono sostanzialmente gli stessi, il che spiega il tasso di ritenzione idrica simile dell'impasto liquido di gesso modificato HPMC con diverse viscosità.

Curve di distribuzione granulometrica di HPMC da 75.000 mPa·s con concentrazione dell'1% a diverse temperature. Con l'aumento della temperatura si riscontra ovviamente la decomposizione dell'associazione colloidale HPMC. A 40 ℃, il grande volume dell'associazione da 300 nm è completamente scomparso e si è decomposto in particelle di piccolo volume di 15 nm. Con l'ulteriore aumento della temperatura, l'HPMC diventa particelle più piccole e la ritenzione idrica della sospensione di gesso viene completamente persa.

Il fenomeno delle proprietà HPMC che cambiano con l'aumento della temperatura è noto anche come proprietà del gel caldo, l'opinione comune esistente è che a bassa temperatura, le macromolecole HPMC disperse prima in acqua per sciogliere la soluzione, le molecole HPMC in alta concentrazione formeranno grandi associazioni di particelle . Quando la temperatura aumenta, l'idratazione dell'HPMC si indebolisce, l'acqua tra le catene viene gradualmente scaricata, i grandi composti di associazione vengono gradualmente dispersi in piccole particelle, la viscosità della soluzione diminuisce e la struttura della rete tridimensionale si forma quando la gelificazione viene raggiunta la temperatura e il gel bianco viene precipitato.

Bodvik ha scoperto che la microstruttura e le proprietà di adsorbimento dell'HPMC in fase liquida erano cambiate. In combinazione con la teoria di Bulichen sull'associazione colloidale HPMC che blocca il canale di trasporto dell'acqua dei liquami, si è concluso che l'aumento della temperatura ha portato alla disintegrazione dell'associazione colloidale HPMC, con conseguente diminuzione della ritenzione idrica del gesso modificato.

3. Conclusione

(1) L'etere di cellulosa stesso ha un'elevata viscosità e un effetto "sovrapposto" con l'impasto di gesso, svolgendo un evidente effetto addensante. A temperatura ambiente l'effetto addensante diventa più evidente con l'aumento della viscosità e del dosaggio dell'etere di cellulosa. Tuttavia, con l'aumento della temperatura, la viscosità dell'etere di cellulosa diminuisce, il suo effetto addensante si indebolisce, lo sforzo di taglio e la viscosità plastica della miscela di gesso diminuiscono, la pseudoplasticità si indebolisce e le proprietà di costruzione peggiorano.

(2) L'etere di cellulosa ha migliorato la ritenzione idrica del gesso, ma con l'aumento della temperatura, anche la ritenzione idrica del gesso modificato è diminuita significativamente, anche a 60 ℃ perderà completamente l'effetto della ritenzione idrica. Il tasso di ritenzione idrica dell'impasto liquido di gesso è stato significativamente migliorato dall'etere di cellulosa e il tasso di ritenzione idrica dell'impasto liquido di gesso modificato HPMC con diversa viscosità ha gradualmente raggiunto il punto di saturazione con l'aumento del dosaggio. La ritenzione idrica del gesso è generalmente proporzionale alla viscosità dell'etere di cellulosa, ad alta viscosità ha poco effetto.

(3) I fattori interni che modificano la ritenzione idrica dell'etere di cellulosa con la temperatura sono strettamente correlati alla morfologia microscopica dell'etere di cellulosa in fase liquida. Ad una certa concentrazione, l'etere di cellulosa tende ad aggregarsi per formare grandi associazioni colloidali, bloccando il canale di trasporto dell'acqua della miscela di gesso per ottenere un'elevata ritenzione idrica. Tuttavia, con l'aumento della temperatura, a causa della proprietà di gelificazione termica dell'etere di cellulosa stesso, la grande associazione colloidale precedentemente formata si ridisperde, portando al declino delle prestazioni di ritenzione idrica.