Etere di cellulosa non ionico nel cemento polimerico

Come additivo indispensabile nel cemento polimerico, l'etere di cellulosa non ionico ha ricevuto ampia attenzione e ricerca. Sulla base della letteratura pertinente in patria e all'estero, la legge e il meccanismo della malta cementizia modificata con etere di cellulosa non ionica sono stati discussi dagli aspetti dei tipi e dalla selezione dell'etere di cellulosa non ionico, il suo effetto sulle proprietà fisiche del cemento polimerico, sono stati evidenziati i suoi effetti sulla micromorfologia e sulle proprietà meccaniche e i limiti della ricerca attuale. Questo lavoro promuoverà l'applicazione dell'etere di cellulosa nel cemento polimerico.

Parole chiave: etere di cellulosa non ionico, cemento polimerico, proprietà fisiche, proprietà meccaniche, microstruttura

1. Panoramica

Con la crescente domanda e i requisiti prestazionali del cemento polimerico nel settore edile, l'aggiunta di additivi alla sua modifica è diventata un punto caldo della ricerca, tra cui l'etere di cellulosa è stato ampiamente utilizzato a causa del suo effetto sulla ritenzione idrica della malta cementizia, sull'ispessimento, sul ritardo, sull'aria e così via. In questo articolo vengono descritti i tipi di etere di cellulosa, gli effetti sulle proprietà fisiche e meccaniche del cemento polimerico e la micromorfologia del cemento polimerico, che fornisce un riferimento teorico per l'applicazione dell'etere di cellulosa nel cemento polimerico.

2. Tipi di eteri di cellulosa non ionici

L'etere di cellulosa è un tipo di composto polimerico con struttura eterea a base di cellulosa. Esistono molti tipi di etere di cellulosa, che ha una grande influenza sulle proprietà dei materiali a base di cemento ed è difficile da scegliere. Secondo la struttura chimica dei sostituenti, possono essere suddivisi in eteri anionici, cationici e non ionici. L'etere di cellulosa non ionico con sostituenti nella catena laterale di H, cH3, c2H5, (cH2cH20)nH, [cH2cH(cH3)0]nH e altri gruppi non dissociabili è il più utilizzato nel cemento, i rappresentanti tipici sono l'etere di metilcellulosa, l'idrossipropilmetile etere di cellulosa, etere di idrossietilmetilcellulosa, etere di idrossietilcellulosa e così via. Diversi tipi di eteri di cellulosa hanno effetti diversi sul tempo di presa del cemento. Secondo i precedenti rapporti della letteratura, HEC ha la più forte capacità ritardante per il cemento, seguito da HPMc e HEMc, e Mc ha il peggiore. Per lo stesso tipo di etere di cellulosa, il peso molecolare o la viscosità, il contenuto di metile, idrossietile, idrossipropile di questi gruppi sono diversi, anche il suo effetto ritardante è diverso. In generale, maggiore è la viscosità e maggiore il contenuto di gruppi non dissociabili, peggiore è la capacità di ritardo. Pertanto, nell'effettivo processo di produzione, in base ai requisiti della coagulazione della malta commerciale, è possibile selezionare il contenuto appropriato del gruppo funzionale dell'etere di cellulosa. Oppure nella produzione di etere di cellulosa, allo stesso tempo, regolare il contenuto di gruppi funzionali, per far sì che soddisfi i requisiti di diverse malte.

3、l'influenza dell'etere di cellulosa non ionico sulle proprietà fisiche del cemento polimerico

3.1 Coagulazione lenta

Al fine di prolungare il tempo di indurimento dell'idratazione del cemento, in modo che la malta appena miscelata rimanga plastica per lungo tempo, in modo da regolare il tempo di presa della malta appena miscelata, migliorare la sua operabilità, solitamente aggiungere ritardante nella malta, non l'etere di cellulosa ionico è adatto per il cemento polimerico è un ritardante comune.

L'effetto ritardante dell'etere di cellulosa non ionico sul cemento è influenzato principalmente dal suo tipo, dalla viscosità, dal dosaggio, dalla diversa composizione dei minerali del cemento e da altri fattori. Pourchez J et al. hanno dimostrato che maggiore è il grado di metilazione dell'etere di cellulosa, peggiore è l'effetto ritardante, mentre il peso molecolare dell'etere di cellulosa e il contenuto di idrossipropossi hanno avuto un effetto debole sul ritardo dell'idratazione del cemento. Con l'aumento della viscosità e della quantità di drogaggio dell'etere di cellulosa non ionico, lo strato di adsorbimento sulla superficie delle particelle di cemento viene ispessito e il tempo di presa iniziale e finale del cemento viene prolungato e l'effetto ritardante è più evidente. Gli studi hanno dimostrato che il rilascio precoce di calore da fanghi di cemento con diverso contenuto di HEMC è inferiore di circa il 15% rispetto a quello dei fanghi di cemento puro, ma non vi è alcuna differenza significativa nel successivo processo di idratazione. Singh NK et al. hanno mostrato che con l’aumento della quantità di drogaggio di HEc, il rilascio di calore di idratazione della malta cementizia modificata mostrava una tendenza prima ad aumentare e poi a diminuire, e il contenuto di HEC quando si raggiungeva il massimo rilascio di calore di idratazione era correlato all’età di polimerizzazione.

Inoltre, si è riscontrato che l'effetto ritardante dell'etere di cellulosa non ionico è strettamente correlato alla composizione del cemento. Peschard et al. hanno scoperto che minore è il contenuto di alluminato tricalcico (C3A) nel cemento, più evidente è l'effetto ritardante dell'etere di cellulosa. Schmitz L et al. credevano che ciò fosse causato dai diversi modi dell'etere di cellulosa rispetto alla cinetica di idratazione del silicato tricalcico (C3S) e dell'alluminato tricalcico (C3A). L'etere di cellulosa potrebbe ridurre la velocità di reazione nel periodo di accelerazione del C3S, mentre per il C3A potrebbe prolungare il periodo di induzione e infine ritardare il processo di solidificazione e indurimento della malta.

Esistono opinioni diverse sul meccanismo con cui l'etere di cellulosa non ionico ritarda l'idratazione del cemento. Silva et al. Liu credeva che l'introduzione dell'etere di cellulosa avrebbe causato un aumento della viscosità della soluzione dei pori, bloccando così il movimento degli ioni e ritardando la condensazione. Tuttavia, Pourchez et al. ritenevano che esistesse un'ovvia relazione tra il ritardo dell'etere di cellulosa nell'idratazione del cemento e la viscosità della sospensione di cemento. Un'altra teoria è che l'effetto ritardante dell'etere di cellulosa è strettamente correlato alla degradazione degli alcali. I polisaccaridi tendono a degradarsi facilmente per produrre acido idrossicarbossilico che può ritardare l'idratazione del cemento in condizioni alcaline. Tuttavia, gli studi hanno scoperto che l’etere di cellulosa è molto stabile in condizioni alcaline e si degrada solo leggermente, e la degradazione ha poco effetto sul ritardo dell’idratazione del cemento. Attualmente, l’opinione più coerente è che l’effetto ritardante sia causato principalmente dall’adsorbimento. Nello specifico, il gruppo ossidrile sulla superficie molecolare dell'etere di cellulosa è acido, il ca(0H) nel sistema di idratazione del cemento e le altre fasi minerali sono alcaline. Sotto l'azione sinergica del legame idrogeno, della complessazione e dell'idrofobia, le molecole di etere di cellulosa acide verranno adsorbite sulla superficie delle particelle di cemento alcalino e dei prodotti di idratazione. Inoltre, sulla sua superficie si forma una pellicola sottile che ostacola l'ulteriore crescita di questi nuclei cristallini della fase minerale e ritarda l'idratazione e la presa del cemento. Quanto più forte è la capacità di assorbimento tra i prodotti di idratazione del cemento e l'etere di cellulosa, tanto più evidente è il ritardo di idratazione del cemento. Da un lato, la dimensione dell'impedimento sterico gioca un ruolo decisivo nella capacità di adsorbimento, come il piccolo ostacolo sterico del gruppo ossidrile, la sua forte acidità, anche l'adsorbimento è forte. D'altro canto la capacità di adsorbimento dipende anche dalla composizione dei prodotti di idratazione del cemento. Pourchez et al. hanno scoperto che l'etere di cellulosa viene facilmente adsorbito sulla superficie dei prodotti di idratazione come ca(0H)2, gel csH e alluminato di calcio idrato, ma non è facile essere adsorbito dall'ettringite e dalla fase non idratata. Lo studio di Mullert ha anche dimostrato che l'etere di cellulosa aveva un forte assorbimento su c3 e sui suoi prodotti di idratazione, quindi l'idratazione della fase silicata era significativamente ritardata. L'adsorbimento dell'ettringite era basso, ma la formazione dell'ettringite era significativamente ritardata. Questo perché il ritardo nella formazione dell'ettringite era influenzato dal bilancio del Ca2+ in soluzione, che era la continuazione del ritardo dell'etere di cellulosa nell'idratazione dei silicati.

3.2 Conservazione dell'acqua

Un altro importante effetto di modifica dell'etere di cellulosa nella malta cementizia è quello di apparire come un agente che trattiene l'acqua, che può impedire all'umidità nella malta bagnata di evaporare prematuramente o di essere assorbita dalla base e ritardare l'idratazione del cemento prolungando il tempo di funzionamento della malta cementizia. malta bagnata, in modo da garantire che la malta sottile possa essere pettinata, la malta intonacata possa essere stesa e la malta facile da assorbire non debba essere pre-bagnata.

La capacità di trattenere l'acqua dell'etere di cellulosa è strettamente correlata alla sua viscosità, dosaggio, tipo e temperatura ambiente. Altre condizioni sono le stesse, maggiore è la viscosità dell'etere di cellulosa, migliore è l'effetto di ritenzione dell'acqua, una piccola quantità di etere di cellulosa può migliorare notevolmente il tasso di ritenzione dell'acqua della malta; Per lo stesso etere di cellulosa, maggiore è la quantità aggiunta, maggiore è il tasso di ritenzione d'acqua della malta modificata, ma esiste un valore ottimale, oltre il quale il tasso di ritenzione d'acqua aumenta lentamente. Per diversi tipi di etere di cellulosa, ci sono anche differenze nella ritenzione idrica, come HPMc alle stesse condizioni rispetto a Mc migliore ritenzione idrica. Inoltre, la capacità di ritenzione idrica dell'etere di cellulosa diminuisce con l'aumento della temperatura ambiente.

Si ritiene generalmente che il motivo per cui l'etere di cellulosa ha la funzione di ritenzione idrica sia principalmente dovuto al fatto che 0H sulla molecola e l'atomo 0 sul legame etereo saranno associati alle molecole d'acqua per sintetizzare il legame idrogeno, in modo che l'acqua libera diventi legante acqua, in modo da svolgere un buon ruolo di ritenzione idrica; Si ritiene inoltre che la catena macromolecolare dell'etere di cellulosa svolga un ruolo restrittivo nella diffusione delle molecole d'acqua, in modo da controllare efficacemente l'evaporazione dell'acqua, per ottenere un'elevata ritenzione idrica; Pourchez J ha sostenuto che l'etere di cellulosa ha ottenuto l'effetto di ritenzione idrica migliorando le proprietà reologiche dell'impasto liquido di cemento appena miscelato, la struttura della rete porosa e la formazione di una pellicola di etere di cellulosa che ha ostacolato la diffusione dell'acqua. Laetitia P et al. credono inoltre che le proprietà reologiche della malta siano un fattore chiave, ma credono anche che la viscosità non sia l'unico fattore che determina le eccellenti prestazioni di ritenzione idrica della malta. Vale la pena notare che sebbene l'etere di cellulosa abbia buone prestazioni di ritenzione idrica, ma l'assorbimento d'acqua della malta cementizia indurita modificata sarà ridotto, il motivo è che l'etere di cellulosa nella pellicola di malta e nella malta un gran numero di piccoli pori chiusi, bloccando la malta all'interno del capillare.

3.3 Ispessimento

La consistenza della malta è uno degli indici importanti per misurarne la prestazione lavorativa. Spesso viene introdotto l'etere di cellulosa per aumentare la consistenza. La “consistenza” rappresenta la capacità della malta appena miscelata di scorrere e deformarsi sotto l'azione della gravità o di forze esterne. Le due proprietà di addensamento e ritenzione idrica si completano a vicenda. L'aggiunta di una quantità adeguata di etere di cellulosa può non solo migliorare le prestazioni di ritenzione idrica della malta, garantire una costruzione liscia, ma anche aumentare la consistenza della malta, aumentare significativamente la capacità anti-dispersione del cemento, migliorare le prestazioni di legame tra malta e matrice e ridurre il fenomeno del cedimento della malta.

L'effetto addensante dell'etere di cellulosa deriva principalmente dalla sua stessa viscosità, maggiore è la viscosità, migliore è l'effetto addensante, ma se la viscosità è troppo grande, ridurrà la fluidità della malta, influenzando la costruzione. I fattori che influenzano il cambiamento di viscosità, come il peso molecolare (o grado di polimerizzazione) e la concentrazione dell'etere di cellulosa, la temperatura della soluzione, la velocità di taglio, influenzeranno l'effetto addensante finale.

Il meccanismo di addensamento dell'etere di cellulosa deriva principalmente dall'idratazione e dall'aggrovigliamento tra le molecole. Da un lato, la catena polimerica dell'etere di cellulosa forma facilmente un legame idrogeno con l'acqua nell'acqua, il legame idrogeno le conferisce un'elevata idratazione; D'altra parte, quando l'etere di cellulosa viene aggiunto alla malta, assorbirà molta acqua, in modo che il suo stesso volume venga notevolmente espanso, riducendo lo spazio libero delle particelle, allo stesso tempo le catene molecolari dell'etere di cellulosa si intrecciano tra loro per formare una struttura di rete tridimensionale, le particelle di malta sono circondate in cui non scorrono liberamente. In altre parole, con queste due azioni, la viscosità del sistema viene migliorata, ottenendo così l'effetto addensante desiderato.

4. Effetto dell'etere di cellulosa non ionico sulla morfologia e sulla struttura dei pori del cemento polimerico

Come si può vedere da quanto sopra, l'etere di cellulosa non ionico svolge un ruolo vitale nel cemento polimerico e la sua aggiunta influenzerà sicuramente la microstruttura dell'intera malta cementizia. I risultati mostrano che l'etere di cellulosa non ionico di solito aumenta la porosità della malta cementizia e aumenta il numero di pori nella dimensione di 3 nm ~ 350 um, tra cui aumenta maggiormente il numero di pori nell'intervallo di 100 nm ~ 500 nm. L'influenza sulla struttura dei pori della malta cementizia è strettamente correlata al tipo e alla viscosità dell'etere di cellulosa non ionico aggiunto. Ou Zhihua et al. si ritiene che, a parità di viscosità, la porosità della malta cementizia modificata con HEC sia inferiore a quella di HPMc e Mc aggiunti come modificatori. A parità di etere di cellulosa, minore è la viscosità, minore è la porosità della malta cementizia modificata. Studiando l'effetto dell'HPMc sull'apertura del pannello isolante in cemento espanso, Wang Yanru et al. hanno scoperto che l'aggiunta di HPMC non modifica significativamente la porosità, ma può ridurre significativamente l'apertura. Tuttavia, Zhang Guodian et al. hanno scoperto che maggiore è il contenuto di HEMc, più evidente è l'influenza sulla struttura dei pori della sospensione cementizia. L'aggiunta di HEMc può aumentare significativamente la porosità, il volume totale dei pori e il raggio medio dei pori della sospensione di cemento, ma l'area superficiale specifica dei pori diminuisce e il numero di grandi pori capillari maggiori di 50 nm di diametro aumenta significativamente e i pori introdotti sono principalmente pori chiusi.

È stato analizzato l'effetto dell'etere di cellulosa non ionico sul processo di formazione della struttura dei pori del liquame di cemento. Si è scoperto che l'aggiunta di etere di cellulosa ha modificato principalmente le proprietà della fase liquida. Da un lato, la tensione superficiale della fase liquida diminuisce, facilitando la formazione di bolle nella malta cementizia, e rallenterà il drenaggio della fase liquida e la diffusione delle bolle, in modo che le bolle piccole siano difficili da riunirsi in bolle grandi e scaricarsi, quindi il vuoto è notevolmente aumentato; D'altro canto, aumenta la viscosità della fase liquida, che inibisce anche il drenaggio, la diffusione delle bolle e la fusione delle bolle, e migliora la capacità di stabilizzare le bolle. Pertanto, è possibile ottenere la modalità di influenza dell'etere di cellulosa sulla distribuzione delle dimensioni dei pori della malta cementizia: nell'intervallo di dimensioni dei pori superiore a 100 nm, le bolle possono essere introdotte riducendo la tensione superficiale della fase liquida e la diffusione delle bolle può essere inibita mediante aumentare la viscosità del liquido; nella regione di 30 nm ~ 60 nm, il numero di pori nella regione può essere influenzato inibendo la fusione di bolle più piccole.

5. Influenza dell'etere di cellulosa non ionico sulle proprietà meccaniche del cemento polimerico

Le proprietà meccaniche del cemento polimerico sono strettamente correlate alla sua morfologia. Con l'aggiunta di etere di cellulosa non ionico, la porosità aumenta, il che è destinato ad avere un effetto negativo sulla sua resistenza, in particolare sulla resistenza alla compressione e alla flessione. La riduzione della resistenza a compressione della malta cementizia è significativamente maggiore della resistenza a flessione. Ou Zhihua et al. ha studiato l'influenza di diversi tipi di etere di cellulosa non ionico sulle proprietà meccaniche della malta cementizia e ha scoperto che la resistenza della malta cementizia modificata con etere di cellulosa era inferiore a quella della malta cementizia pura e la resistenza alla compressione 28d più bassa era solo del 44,3% di quella della boiacca cementizia pura. La resistenza alla compressione e alla flessione dell'etere di cellulosa modificato HPMc, HEMC e MC sono simili, mentre la resistenza alla compressione e alla flessione della sospensione di cemento modificata HEc in ciascuna età sono significativamente più elevate. Ciò è strettamente correlato alla loro viscosità o peso molecolare, maggiore è la viscosità o il peso molecolare dell'etere di cellulosa, o maggiore è l'attività superficiale, minore è la resistenza della sua malta cementizia modificata.

Tuttavia, è stato anche dimostrato che l’etere di cellulosa non ionico può migliorare la resistenza alla trazione, la flessibilità e la coesività della malta cementizia. Huang Liangen et al. hanno scoperto che, contrariamente alla legge di cambiamento della resistenza a compressione, la resistenza al taglio e alla trazione della boiacca aumentava con l'aumento del contenuto di etere di cellulosa nella malta cementizia. L'analisi del motivo, dopo l'aggiunta di etere di cellulosa ed emulsione polimerica insieme per formare un gran numero di film polimerici densi, migliora notevolmente la flessibilità dell'impasto liquido e i prodotti di idratazione del cemento, cemento non idratato, riempitivi e altri materiali riempiti in questo film , per garantire la resistenza alla trazione del sistema di rivestimento.

Al fine di migliorare le prestazioni del cemento polimerico modificato con etere di cellulosa non ionico, migliorare allo stesso tempo le proprietà fisiche della malta cementizia, senza ridurne significativamente le proprietà meccaniche, la pratica abituale è quella di abbinare etere di cellulosa e altri additivi, aggiunti a la malta cementizia. Li Tao-wen et al. ha scoperto che l'additivo composito composto da etere di cellulosa e polvere di colla polimerica non solo ha leggermente migliorato la resistenza alla flessione e alla compressione della malta, in modo che la coesione e la viscosità della malta cementizia siano più adatte per la costruzione del rivestimento, ma ha anche migliorato significativamente la ritenzione idrica capacità della malta rispetto al singolo etere di cellulosa. Xu Qi et al. ha aggiunto polvere di scorie, agente riduttore d'acqua e HEMc e ha scoperto che l'agente riduttore d'acqua e la polvere minerale possono aumentare la densità della malta, ridurre il numero di fori, in modo da migliorare la resistenza e il modulo elastico della malta. L'HEMc può aumentare la resistenza alla trazione della malta, ma non è utile per la resistenza alla compressione e il modulo elastico della malta. Yang Xiaojie et al. hanno scoperto che la fessurazione da ritiro plastico della malta cementizia può essere significativamente ridotta dopo la miscelazione di HEMc e fibra PP.

6. Conclusione

L'etere di cellulosa non ionico svolge un ruolo importante nel cemento polimerico, che può migliorare significativamente le proprietà fisiche (incluso il ritardo della coagulazione, la ritenzione idrica, l'ispessimento), la morfologia microscopica e le proprietà meccaniche della malta cementizia. È stato fatto molto lavoro sulla modifica dei materiali a base di cemento mediante etere di cellulosa, ma ci sono ancora alcuni problemi che necessitano di ulteriori studi. Ad esempio, nelle applicazioni pratiche di ingegneria, viene prestata poca attenzione alla reologia, alle proprietà di deformazione, alla stabilità del volume e alla durabilità dei materiali a base di cemento modificati, e non è stata stabilita una relazione corrispondente regolare con l'etere di cellulosa aggiunto. La ricerca sul meccanismo di migrazione dei polimeri di etere di cellulosa e dei prodotti di idratazione del cemento nella reazione di idratazione è ancora insufficiente. Il processo di azione e il meccanismo degli additivi composti composti da etere di cellulosa e altri additivi non sono sufficientemente chiari. L'aggiunta composita di etere di cellulosa e materiali rinforzati inorganici come la fibra di vetro non è stata perfezionata. Tutti questi saranno al centro della ricerca futura per fornire una guida teorica per migliorare ulteriormente le prestazioni del cemento polimerico.