אתר תאית לא-ניוני בצמנט פולימרי

כתוסף הכרחי בצמנט פולימרי, אתר תאית לא-יוני זכה לתשומת לב ומחקר נרחבים. בהתבסס על הספרות הרלוונטית בארץ ובחו"ל, נדונו החוק והמנגנון של טיט צמנט עם תאית לא יונית מודפסת מהיבטים של סוגי ובחירת אתר תאית לא-יוני, השפעתו על התכונות הפיזיקליות של צמנט פולימרי, השפעתו על המיקרומורפולוגיה והתכונות המכניות, והחסרונות של המחקר הנוכחי הוצגו. עבודה זו תקדם את היישום של אתר תאית בצמנט פולימרי.

מילות מפתח: אתר תאית לא-יוני, צמנט פולימרי, תכונות פיזיקליות, תכונות מכניות, מיקרו-מבנה

1. סקירה כללית

עם הביקוש הגובר ודרישות הביצועים של צמנט פולימרי בתעשיית הבנייה, הוספת תוספים לשינוי שלו הפכה לנקודה חמה מחקרית, שביניהם נעשה שימוש נרחב באתר תאית בגלל השפעתו על החזקת מים בטיט מלט, עיבוי, עיכוב, אוויר וְכֵן הָלְאָה. במאמר זה מתוארים סוגי האתר תאית, ההשפעות על התכונות הפיזיקליות והמכניות של צמנט פולימרי והמיקרומורפולוגיה של צמנט פולימרי, המספק התייחסות תיאורטית ליישום אתר תאית בצמנט פולימרי.

2. סוגי אתר תאית לא-יוני

אתר תאית הוא מעין תרכובת פולימר עם מבנה אתר עשוי מתאית. ישנם סוגים רבים של אתר תאית, אשר משפיע רבות על תכונות החומרים המבוססים על צמנט וקשה לבחור. על פי המבנה הכימי של תחליפים, ניתן לחלק אותם לאתרים אניוניים, קטיוניים ולא-יוניים. אתר תאית לא-ניוני עם תחליף שרשרת צד של H, cH3, c2H5, (cH2cH20)nH, [cH2cH(cH3)0]nH וקבוצות אחרות שאינן ניתנות לניתוק הוא השימוש הנרחב ביותר במלט, נציגים טיפוסיים הם אתר מתיל תאית, מתיל הידרוקסיפרופיל אתר תאית, אתר תאית הידרוקסיאתיל מתיל תאית, אתר תאית הידרוקסיאתיל וכן הלאה. לסוגים שונים של אתרים תאית יש השפעות שונות על זמן ההתקבעות של המלט. על פי דיווחי ספרות קודמים, ל-HEC יש את יכולת העיכוב החזקה ביותר למלט, ואחריה ל-HPMc ו-HEMc, ול-Mc יש את הגרוע ביותר. עבור אותו סוג של אתר תאית, משקל מולקולרי או צמיגות, תכולת המתיל, הידרוקסיאתיל, הידרוקסיפרופיל של קבוצות אלה שונה, גם השפעתו המעכבת שונה. באופן כללי, ככל שהצמיגות גדולה יותר וככל שהתוכן של קבוצות שאינן ניתנות לניתוק גבוה יותר, כך יכולת ההשהיה גרועה יותר. לכן, בתהליך הייצור בפועל, על פי הדרישות של קרישת טיט מסחרית, ניתן לבחור את תכולת הקבוצה הפונקציונלית המתאימה של אתר תאית. או בייצור של אתר תאית באותו זמן, להתאים את התוכן של קבוצות פונקציונליות, לגרום לו לעמוד בדרישות של טיט שונה.

3、ההשפעה של אתר תאית לא-יוני על התכונות הפיזיקליות של צמנט פולימרי

3.1 קרישה איטית

על מנת להאריך את זמן התקשות ההידרציה של המלט, כך שהטיט שהתערבב לאחרונה יישאר פלסטי, כדי להתאים את זמן ההתקבעות של המלט המעורבב החדש, לשפר את יכולת הפעולה שלו, בדרך כלל להוסיף מעכב בטיט, ללא אתר תאית יונית מתאים למלט פולימרי הוא מעכב נפוץ.

ההשפעה המעכבת של אתר תאית לא יונית על מלט מושפעת בעיקר מהסוג שלו, צמיגותו, מינון, הרכב שונה של מינרלים מלט וגורמים אחרים. Pourchez J et al. הראה שככל שמידת המתילציה של אתר תאית גבוהה יותר, כך ההשפעה המעכבת גרועה יותר, בעוד שלמשקל המולקולרי של אתר תאית ותכולת הידרוקסיפרופוקסי הייתה השפעה חלשה על עיכוב הידרציה של צמנט. עם עליית הצמיגות וכמות הסימום של אתר תאית לא-יוני, שכבת הספיחה על פני חלקיקי המלט מתעבה, וזמן ההתייצבות הראשוני והסופי של המלט מתארכים, והאפקט המעכב ברור יותר. מחקרים הראו כי שחרור החום המוקדם של תמיסות מלט עם תכולת HEMC שונה נמוכה בכ-15% מזה של תמיסות מלט טהור, אך אין הבדל משמעותי בתהליך ההידרציה המאוחר יותר. Singh NK et al. הראה כי עם עליית כמות הסימום HEc, שחרור חום ההידרציה של טיט צמנט שונה הראה מגמה של תחילה עלייה ולאחר מכן ירידה, ותכולת ה-HEC בהגיעה לשחרור חום ההידרציה המקסימלי הייתה קשורה לגיל הריפוי.

בנוסף, נמצא כי ההשפעה המעכבת של אתר תאית לא-יוני קשורה קשר הדוק להרכב המלט. Peschard et al. מצא שככל שתכולת טריקלציום אלומינאט (C3A) נמוכה יותר במלט, כך ההשפעה המעכבת של אתר תאית ברורה יותר. שמיץ ל ואח'. האמינו שהדבר נגרם על ידי הדרכים השונות של אתר תאית לקינטיקה של הידרציה של סיליקט טריקלציום (C3S) וטריקלציום אלומינאט (C3A). אתר תאית יכול להפחית את קצב התגובה בתקופת האצה של C3S, בעוד עבור C3A, זה יכול להאריך את תקופת האינדוקציה, ולבסוף לעכב את תהליך ההתמצקות וההתקשות של טיט.

ישנן דעות שונות לגבי המנגנון של אתר תאית לא-יוני המעכב הידרציה של צמנט. סילבה וחב'. ליו האמין שהחדרת אתר תאית תגרום לצמיגות של תמיסת נקבוביות לעלות, ובכך לחסום את תנועת היונים ולעכב את העיבוי. עם זאת, Pourchez et al. האמין שיש קשר ברור בין העיכוב של אתר תאית להידרציה של מלט לבין הצמיגות של תמיסת מלט. תיאוריה נוספת היא שהאפקט המעכב של אתר תאית קשור קשר הדוק לפירוק אלקלי. פוליסכרידים נוטים להתפרק בקלות כדי לייצר חומצה הידרוקסיל קרבוקסילית שיכולה לעכב את הידרציה של מלט בתנאים אלקליים. עם זאת, מחקרים מצאו כי אתר תאית יציב מאוד בתנאים אלקליים ומתכלה רק מעט, ולפירוק יש השפעה מועטה על עיכוב הידרציה של המלט. נכון לעכשיו, הדעה העקבית יותר היא שהאפקט המעכב נגרם בעיקר על ידי ספיחה. באופן ספציפי, קבוצת ההידרוקסיל על פני השטח המולקולריים של אתר תאית היא חומצית, ה-ca(0H) במערכת המלט הידרציה, ושלבים מינרלים אחרים הם בסיסיים. תחת הפעולה הסינרגטית של קשרי מימן, קומפלקס והידרופובי, מולקולות אתר תאית חומציות ייספגו על פני השטח של חלקיקי צמנט אלקליין ומוצרי הידרציה. בנוסף, נוצר סרט דק על פני השטח שלו, אשר מעכב את הצמיחה הנוספת של גרעיני גבישי אלו של פאזה מינרלית ומעכב את ההידרציה והקביעת המלט. ככל שכושר הספיחה בין מוצרי הידרציה של מלט לבין אתר תאית חזקה יותר, כך עיכוב ההידרציה של המלט ברור יותר. מצד אחד, גודל ההפרעה הסטרית משחק תפקיד מכריע ביכולת הספיחה, כגון המכשול הסטרי הקטן של קבוצת ההידרוקסיל, החומציות החזקה שלו, הספיחה גם חזקה. מצד שני, יכולת הספיחה תלויה גם בהרכב תוצרי הידרציה של מלט. Pourchez et al. מצא כי אתר תאית נספג בקלות על פני השטח של מוצרי הידרציה כגון ca(0H)2, csH ג'ל וסידן אלומינאט הידרט, אך לא קל להיספג על ידי ettringite ופאזה לא מיובשת. המחקר של מולרט הראה גם שלאתר תאית יש ספיחה חזקה על c3s ותוצרי ההידרציה שלו, כך שהידרציה של שלב הסיליקט התעכבה משמעותית. הספיגה של אטרינגיט הייתה נמוכה, אך היווצרות ה-ettringite התעכבה משמעותית. הסיבה לכך הייתה שהעיכוב ביצירת ettringite הושפע מאיזון ca2+ בתמיסה, שהיה המשך העיכוב של אתר תאית בהידרציה סיליקט.

3.2 שימור מים

אפקט שינוי חשוב נוסף של אתר תאית בטיט מלט הוא להופיע כחומר שומר מים, שיכול למנוע מהלחות בטיט רטוב להתאדות בטרם עת או להיספג בבסיס, ולעכב את ההידרציה של המלט תוך הארכת זמן הפעולה של טיט רטוב, על מנת להבטיח שניתן לסרוק טיט דק, ניתן לפזר טיט מטויח, ואין צורך להרטיב טיט קל לספיגה.

יכולת החזקת המים של אתר תאית קשורה קשר הדוק לצמיגות, מינון, סוג וטמפרטורת הסביבה שלו. תנאים אחרים זהים, ככל שהצמיגות של אתר תאית גדולה יותר, כך אפקט החזקת המים טוב יותר, כמות קטנה של אתר תאית יכולה לגרום לשיפור ניכר בקצב החזקת המים של טיט; עבור אותו אתר תאית, ככל שהכמות הנוספת גבוהה יותר, קצב אצירת המים של טיט מתוקן גבוה יותר, אך ישנו ערך אופטימלי, שמעבר לו קצב אצירת המים עולה לאט. עבור סוגים שונים של אתר תאית, ישנם גם הבדלים באצירת מים, כגון HPMc באותם תנאים מ-Mc אחזקת מים טובה יותר. בנוסף, ביצועי החזקת המים של אתר תאית יורדים עם העלייה בטמפרטורת הסביבה.

נהוג להאמין שהסיבה לכך שלאתר תאית יש את הפונקציה של החזקת מים נובעת בעיקר מה-0H על המולקולה ואטום 0 על קשר האתר יהיה קשור למולקולות מים כדי לסנתז קשר מימן, כך שמים חופשיים יהפכו לקשורים. מים, כדי למלא תפקיד טוב של החזקת מים; כמו כן, מאמינים כי השרשרת המקרו-מולקולרית של אתר תאית ממלאת תפקיד מגביל בדיפוזיה של מולקולות מים, כדי לשלוט ביעילות על אידוי המים, כדי להשיג אחזקת מים גבוהה; Pourchez J טען כי אתר תאית השיג את אפקט החזקת המים על ידי שיפור התכונות הריאולוגיות של תמיסת המלט המעורבבת החדשה, מבנה הרשת הנקבוביה והיווצרות סרט אתר תאית אשר מעכב את דיפוזיה של מים. Laetitia P et al. מאמינים גם כי תכונה ריאולוגית של טיט היא גורם מפתח, אך גם מאמינה שצמיגות היא לא הגורם היחיד הקובע את ביצועי החזקת המים המצוינים של טיט. ראוי לציין שלמרות שלאתר תאית יש ביצועים טובים לאגירת מים, אבל ספיגת המים של טיט צמנט מוקשה שהשתנה תופחת, הסיבה היא שאתר תאית בסרט המרגמה, ובטיט מספר רב של נקבוביות קטנות סגורות, חוסם המרגמה בתוך הנימים.

3.3 עיבוי

העקביות של טיט היא אחד המדדים החשובים למדידת ביצועי העבודה שלו. אתר תאית מוכנס לעתים קרובות כדי להגביר את העקביות. "עקביות" מייצגת את היכולת של טיט מעורב טרי לזרום ולהתעוות תחת פעולת כוח הכבידה או כוחות חיצוניים. שתי התכונות של עיבוי ואגירת מים משלימות זו את זו. הוספת כמות מתאימה של אתר תאית יכולה לא רק לשפר את ביצועי החזקת המים של טיט, להבטיח בנייה חלקה, אלא גם להגביר את העקביות של טיט, להגדיל משמעותית את יכולת האנטי-פיזור של המלט, לשפר את ביצועי הקשר בין טיט למטריצה, וכן להפחית את תופעת הנפילה של טיט.

השפעת העיבוי של אתר תאית נובעת בעיקר מהצמיגות שלו, ככל שהצמיגות גדולה יותר, כך אפקט העיבוי טוב יותר, אך אם הצמיגות גדולה מדי, זה יפחית את נזילות הטיט, ומשפיע על הבנייה. הגורמים המשפיעים על שינוי בצמיגות, כגון משקל מולקולרי (או דרגת פילמור) וריכוז אתר תאית, טמפרטורת התמיסה, קצב הגזירה, ישפיעו על אפקט העיבוי הסופי.

מנגנון העיבוי של אתר תאית נובע בעיקר מהידרציה והסתבכות בין מולקולות. מצד אחד, לשרשרת הפולימר של אתר תאית קל ליצור קשר מימן עם מים במים, קשר מימן גורם לו לחות גבוהה; מאידך, כאשר מוסיפים אתר תאית למרגמה, הוא יספוג הרבה מים, כך שהנפח שלו עצמו מתרחב מאוד, ומצמצם את החלל הפנוי של החלקיקים, במקביל שרשראות מולקולריות של אתר תאית משתלבות זו בזו. כדי ליצור מבנה רשת תלת מימדי, חלקיקי מרגמה מוקפים בהם, לא זרימה חופשית. במילים אחרות, בשתי פעולות אלו, צמיגות המערכת משתפרת ובכך משיגה את אפקט העיבוי הרצוי.

4. השפעת אתר תאית לא יונית על המורפולוגיה ומבנה הנקבוביות של צמנט פולימרי

כפי שניתן לראות מהאמור לעיל, אתר תאית לא-יוני ממלא תפקיד חיוני בצמנט פולימרי, והוספה שלו בהחלט תשפיע על המיקרו-מבנה של טיט הצמנט כולו. התוצאות מראות כי אתר תאית לא יוני בדרך כלל מגביר את הנקבוביות של טיט צמנט, ומספר הנקבוביות בגודל של 3nm ~ 350um עולה, ביניהם מספר הנקבוביות בטווח של 100nm ~ 500nm גדל ביותר. ההשפעה על מבנה הנקבוביות של טיט צמנט קשורה קשר הדוק לסוג ולצמיגות של אתר תאית לא-יוני המוסף. Ou Zhihua et al. האמינו שכאשר הצמיגות זהה, הנקבוביות של טיט צמנט ששונה על ידי HEC קטנה מזו של HPMc ו-Mc שנוספו כמדיפים. עבור אותו אתר תאית, ככל שהצמיגות קטנה יותר, כך הנקבוביות של טיט המלט המותאם קטנה יותר. על ידי לימוד ההשפעה של HPMc על הפתח של לוח בידוד צמנט מוקצף, Wang Yanru et al. גילה שתוספת HPMC אינה משנה משמעותית את הנקבוביות, אך יכולה להפחית משמעותית את הצמצם. עם זאת, Zhang Guodian et al. מצא שככל שתכולת HEMc גדולה יותר, כך ההשפעה ברורה יותר על מבנה הנקבוביות של תמיסת מלט. התוספת של HEMc יכולה להגדיל באופן משמעותי את הנקבוביות, נפח הנקבוביות הכולל ורדיוס הנקבוביות הממוצע של תמיסת מלט, אך שטח הפנים הספציפי של הנקבוביות פוחת, ומספר הנקבוביות הנימים הגדולות בקוטר של יותר מ-50 ננומטר גדל באופן משמעותי, והנקבוביות המוכנסות. הם בעיקר נקבוביות סגורות.

נותחה ההשפעה של אתר תאית לא-יוני על תהליך היווצרות של מבנה נקבוביות מלט צמנט. נמצא שהוספת אתר תאית שינתה בעיקר את תכונות הפאזה הנוזלית. מצד אחד, מתח הפנים של השלב הנוזלי יורד, מה שמקל על יצירת בועות בטיט מלט, ויאט את ניקוז הפאזה הנוזלית ופיזור הבועות, כך שלבועות קטנות קשה לאסוף לבועות גדולות ולפרוק, כך שהריק גדל מאוד; מצד שני, צמיגות הפאזה הנוזלית עולה, מה שגם מעכב ניקוז, דיפוזי בועות ומיזוג בועות, ומשפר את יכולת ייצוב הבועות. לכן, ניתן לקבל את אופן ההשפעה של אתר תאית על חלוקת גודל הנקבוביות של טיט צמנט: בטווח גודל הנקבוביות של יותר מ-100 ננומטר, ניתן להחדיר בועות על ידי הפחתת מתח הפנים של שלב נוזלי, וניתן לעכב דיפוזיה של בועות על ידי הגדלת צמיגות הנוזל; באזור של 30nm ~ 60nm, מספר הנקבוביות באזור יכול להיות מושפע על ידי עיכוב מיזוג של בועות קטנות יותר.

5. השפעת אתר תאית לא יונית על תכונות מכניות של צמנט פולימרי

התכונות המכניות של צמנט פולימרי קשורות קשר הדוק למורפולוגיה שלו. עם תוספת של אתר תאית לא-יוני, הנקבוביות גדלה, אשר חייבת להשפיע לרעה על החוזק שלו, במיוחד חוזק הלחיצה וחוזק הכיפוף. הפחתת חוזק הלחיצה של טיט צמנט גדול משמעותית מחוזק הכיפוף. Ou Zhihua et al. חקר את ההשפעה של סוגים שונים של אתר תאית לא-יוני על התכונות המכניות של טיט צמנט, ומצא כי החוזק של טיט צמנט שונה עם אתר תאית נמוך מזה של טיט צמנט טהור, וחוזק הלחיצה הנמוך ביותר של 28d היה רק ​​44.3% מזה של מלט טהור. חוזק הלחיצה וחוזק הכפיפה של אתר תאית מסוג HPMc, HEMC ו-MC עם שינויים דומים, בעוד חוזק הלחיצה וחוזק הכפיפה של תרחיץ מלט שעבר שינוי HEc בכל גיל גבוהים משמעותית. זה קשור קשר הדוק לצמיגות או למשקל המולקולרי שלהם, ככל שהצמיגות או המשקל המולקולרי של אתר תאית גבוהים יותר, או ככל שפעילות פני השטח גדולה יותר, כך חוזק טיט המלט המותאם שלו נמוך יותר.

עם זאת, הוכח גם כי אתר תאית לא יוני יכול לשפר את חוזק המתיחה, הגמישות והלכידות של טיט צמנט. Huang Liangen et al. מצא שבניגוד לחוק השינוי של חוזק הלחיצה, חוזק הגזירה וחוזק המתיחה של התרחץ גדל עם העלייה בתכולת האתר התאית בטיט צמנט. ניתוח הסיבה, לאחר הוספה של אתר תאית ותחליב פולימר יחדיו ליצירת מספר רב של סרט פולימר צפוף, משפר מאוד את הגמישות של התרחיץ, ומוצרי הידרציה של מלט, מלט לא מותח, חומרי מילוי וחומרים אחרים שמולאים בסרט זה , כדי להבטיח את חוזק המתיחה של מערכת הציפוי.

על מנת לשפר את הביצועים של צמנט פולימרי שונה תאית לא-יוני, לשפר את התכונות הפיזיקליות של טיט צמנט בו זמנית, לא להפחית משמעותית את התכונות המכניות שלו, הנוהג המקובל הוא להתאים את אתר תאית ותערובות אחרות, שנוספו ל טיט המלט. Li Tao-wen et al. מצא שהתוסף המרוכב המורכב מאתר תאית ואבקת דבק פולימרי לא רק שיפר במעט את חוזק הכיפוף וחוזק הלחיצה של טיט, כך שהלכידות והצמיגות של טיט צמנט מתאימות יותר לבניית הציפוי, אלא גם שיפרו משמעותית את החזקת המים. קיבולת טיט בהשוואה לאתר תאית בודד. Xu Qi et al. הוסיפו אבקת סיגים, חומר הפחתת מים ו-HEMc, וגילו שחומר מפחית מים ואבקת מינרלים יכולים להגדיל את צפיפות הטיט, להפחית את מספר החורים, כדי לשפר את החוזק ואת מודול הגמישות של המרגמה. HEMc יכול להגביר את חוזק קשר המתיחה של טיט, אבל זה לא טוב לחוזק הלחיצה ולמודוס האלסטי של טיט. Yang Xiaojie et al. מצא כי ניתן להפחית באופן משמעותי את פיצוח ההתכווצות הפלסטית של טיט צמנט לאחר ערבוב סיבי HEMc ו-PP.

6. מסקנה

אתר תאית לא-ניוני ממלא תפקיד חשוב בצמנט פולימרי, שיכול לשפר באופן משמעותי את התכונות הפיזיקליות (כולל עיכוב קרישה, שימור מים, עיבוי), מורפולוגיה מיקרוסקופית ותכונות מכניות של טיט צמנט. נעשתה עבודה רבה על השינוי של חומרים מבוססי צמנט על ידי אתר תאית, אך עדיין יש כמה בעיות שצריכות מחקר נוסף. לדוגמה, ביישומים הנדסיים מעשיים, תשומת לב מועטה מוקדשת לריאולוגיה, תכונות דפורמציה, יציבות נפח ועמידות של חומרים מבוססי צמנט שעברו שינוי, ולא נוצר קשר תואם קבוע עם תוספת אתר תאית. המחקר על מנגנון ההגירה של תוצרי הידרציה של פולימר אתר תאית ומוצרי הידרציה בתגובת הידרציה עדיין אינו מספיק. תהליך הפעולה והמנגנון של התוספים המורכבים מאתר תאית ותערובות אחרות אינם ברורים מספיק. התוספת המרוכבת של אתר תאית וחומרים מחוזקים אנאורגניים כמו סיבי זכוכית לא השתכללה. כל אלה יהיו המוקד של מחקר עתידי כדי לספק הדרכה תיאורטית לשיפור נוסף בביצועים של צמנט פולימרי.