Neionski celulozni eter v polimernem cementu

Neionski celulozni eter je bil kot nepogrešljiv dodatek v polimernem cementu deležen obsežne pozornosti in raziskav. Na podlagi relevantne literature doma in v tujini sta bila obravnavana zakonitost in mehanizem nastajanja neionske celulozne eter modificirane cementne malte z vidika vrst in izbora neionskega celuloznega etra, njegovega vpliva na fizikalne lastnosti polimernega cementa, njegov vpliv na mikromorfologijo in mehanske lastnosti ter izpostavljene pomanjkljivosti sedanjih raziskav. To delo bo spodbujalo uporabo celuloznega etra v polimernem cementu.

Ključne besede: neionski celulozni eter, polimerni cement, fizikalne lastnosti, mehanske lastnosti, mikrostruktura

1. Pregled

Z naraščajočim povpraševanjem in zahtevami po učinkovitosti polimernega cementa v gradbeništvu je dodajanje aditivov njegovi modifikaciji postalo žarišče raziskav, med katerimi se pogosto uporablja celulozni eter zaradi njegovega učinka na zadrževanje vode v cementni malti, zgoščevanje, zaviranje, zrak in tako naprej. V tem prispevku so opisane vrste celuloznega etra, učinki na fizikalne in mehanske lastnosti polimernega cementa ter mikromorfologija polimernega cementa, kar predstavlja teoretično referenco za uporabo celuloznega etra v polimernem cementu.

2. Vrste neionskega celuloznega etra

Celulozni eter je nekakšna polimerna spojina z etrno strukturo, narejeno iz celuloze. Obstaja veliko vrst celuloznega etra, ki ima velik vpliv na lastnosti materialov na osnovi cementa in ga je težko izbrati. Glede na kemijsko zgradbo substituentov jih lahko razdelimo na anionske, kationske in neionske etre. Neionski celulozni eter s substituentom stranske verige H, cH3, c2H5, (cH2cH20)nH, [cH2cH(cH3)0]nH in drugimi neločljivimi skupinami je najbolj razširjen v cementu, tipični predstavniki so metil celulozni eter, hidroksipropil metil celulozni eter, hidroksietil metil celulozni eter, hidroksietil celulozni eter in tako naprej. Različne vrste celuloznih etrov imajo različne učinke na čas strjevanja cementa. Glede na prejšnja poročila iz literature ima HEC najmočnejšo sposobnost zadrževanja cementa, sledita ji HPMc in HEMc, Mc pa ima najslabšo. Za isto vrsto celuloznega etra je molekulska masa ali viskoznost, vsebnost metila, hidroksietila, hidroksipropila v teh skupinah različna, drugačen je tudi njegov zaviralni učinek. Na splošno velja, da večja kot je viskoznost in večja kot je vsebnost neločljivih skupin, slabša je sposobnost zakasnitve. Zato je mogoče v dejanskem proizvodnem procesu glede na zahteve komercialne koagulacije malte izbrati ustrezno vsebnost funkcionalne skupine celuloznega etra. Ali pri proizvodnji celuloznega etra hkrati prilagodite vsebnost funkcionalnih skupin, tako da ustreza zahtevam različnih malt.

3、vpliv neionskega celuloznega etra na fizikalne lastnosti polimernega cementa

3.1 Počasna koagulacija

Da bi podaljšali čas strjevanja cementa pri hidrataciji, tako da na novo mešana malta dolgo časa ostane plastična, da bi prilagodili čas strjevanja novo mešane malte, izboljšali njeno delovanje, v malto običajno dodajte zaviralec, ne- ionski celulozni eter je primeren za polimerni cement in je pogost zaviralec.

Na zaviralni učinek neionskega celuloznega etra na cement vplivajo predvsem njegova vrsta, viskoznost, doziranje, različna sestava cementnih mineralov in drugi dejavniki. Pourchez J et al. je pokazalo, da višja kot je stopnja metilacije celuloznega etra, slabši je učinek zadrževanja, medtem ko imata molekulska masa celuloznega etra in vsebnost hidroksipropoksi šibek učinek na zaviranje hidratacije cementa. S povečanjem viskoznosti in količine dopinga neionskega celuloznega etra se adsorpcijska plast na površini cementnih delcev zgosti, začetni in končni čas strjevanja cementa se podaljšata, učinek zaviranja pa je bolj očiten. Študije so pokazale, da je zgodnje sproščanje toplote cementnih brozg z različno vsebnostjo HEMC približno 15 % nižje kot pri čistih cementnih brozgah, vendar ni bistvene razlike v poznejšem procesu hidratacije. Singh NK et al. je pokazalo, da je s povečanjem količine dopinga HEc sproščanje hidratacijske toplote modificirane cementne malte pokazalo trend najprej naraščanja in nato upadanja, vsebnost HEC pri doseganju največjega sproščanja hidratacijske toplote pa je bila povezana s starostjo strjevanja.

Poleg tega je ugotovljeno, da je zaviralni učinek neionskega celuloznega etra tesno povezan s sestavo cementa. Peschard et al. ugotovili, da nižja kot je vsebnost trikalcijevega aluminata (C3A) v cementu, bolj očiten je zadrževalni učinek celuloznega etra. schmitz L et al. je verjel, da je to posledica različnih poti celuloznega etra do hidratacijske kinetike trikalcijevega silikata (C3S) in trikalcijevega aluminata (C3A). Celulozni eter bi lahko zmanjšal reakcijsko hitrost v obdobju pospeševanja C3S, medtem ko bi za C3A lahko podaljšal indukcijsko obdobje in končno upočasnil proces strjevanja in strjevanja malte.

Obstajajo različna mnenja o mehanizmu neionskega celuloznega etra, ki zadržuje hidratacijo cementa. Silva idr. Liu je verjel, da bi uvedba celuloznega etra povzročila povečanje viskoznosti raztopine por, s čimer bi blokirala gibanje ionov in odložila kondenzacijo. Vendar pa Pourchez et al. je verjel, da obstaja očitna povezava med zakasnitvijo celuloznega etra pri hidrataciji cementa in viskoznostjo cementne brozge. Druga teorija pravi, da je zaviralni učinek celuloznega etra tesno povezan z razgradnjo alkalij. Polisaharidi se zlahka razgradijo, da proizvedejo hidroksil karboksilno kislino, ki lahko upočasni hidratacijo cementa v alkalnih pogojih. Vendar pa so študije pokazale, da je celulozni eter zelo stabilen v alkalnih pogojih in se le rahlo razgradi, razgradnja pa malo vpliva na zakasnitev hidratacije cementa. Trenutno je bolj dosledno mnenje, da je učinek zaviranja v glavnem posledica adsorpcije. Natančneje, hidroksilna skupina na površini molekule celuloznega etra je kisla, ca(0H) v sistemu hidratacijskega cementa, druge mineralne faze pa so alkalne. Pod sinergističnim delovanjem vodikovih vezi, kompleksiranja in hidrofobnosti se bodo molekule kislega celuloznega etra adsorbirale na površini alkalnih cementnih delcev in produktov hidratacije. Poleg tega se na njegovi površini oblikuje tanek film, ki ovira nadaljnjo rast teh kristalnih jeder mineralne faze in upočasnjuje hidratacijo in strjevanje cementa. Močnejša kot je adsorpcijska sposobnost med produkti hidratacije cementa in celuloznim etrom, bolj očitna je zakasnitev hidratacije cementa. Po eni strani ima velikost sterične ovire odločilno vlogo pri adsorpcijski sposobnosti, kot je majhna sterična ovira hidroksilne skupine, njena močna kislost, močna je tudi adsorpcija. Po drugi strani pa je adsorpcijska sposobnost odvisna tudi od sestave produktov hidratacije cementa. Pourchez et al. ugotovili, da se celulozni eter zlahka adsorbira na površino produktov hidratacije, kot so ca (0H) 2, csH gel in hidrat kalcijevega aluminata, vendar ga ni enostavno adsorbirati z etringitom in nehidrirano fazo. Mullertova študija je tudi pokazala, da je imel celulozni eter močno adsorpcijo na c3s in njegove produkte hidratacije, zato je bila hidratacija silikatne faze znatno zakasnjena. Adsorpcija etringita je bila nizka, vendar je bila tvorba etringita znatno zakasnjena. To je bilo zato, ker je na zakasnitev tvorbe etringita vplivalo ravnotežje ca2+ v raztopini, kar je bilo nadaljevanje zakasnitve celuloznega etra pri hidrataciji silikata.

3.2 Ohranjanje vode

Drug pomemben modifikacijski učinek celuloznega etra v cementni malti je, da deluje kot sredstvo za zadrževanje vode, ki lahko prepreči, da bi vlaga v mokri malti prezgodaj izhlapela ali jo absorbirala podlaga, in upočasni hidratacijo cementa, hkrati pa podaljša čas delovanja mokra malta, da se zagotovi česanje tanke malte, nanos ometane malte in malte, ki se lahko vpije, ni treba predhodno navlažiti.

Zmogljivost celuloznega etra za zadrževanje vode je tesno povezana z njegovo viskoznostjo, odmerkom, vrsto in temperaturo okolja. Drugi pogoji so enaki, večja kot je viskoznost celuloznega etra, boljši je učinek zadrževanja vode, majhna količina celuloznega etra lahko močno izboljša stopnjo zadrževanja vode v malti; Za isti celulozni eter velja, da večja kot je dodana količina, višja je stopnja zadrževanja vode modificirane malte, vendar obstaja optimalna vrednost, nad katero se stopnja zadrževanja vode počasi povečuje. Za različne vrste celuloznega etra obstajajo tudi razlike v zadrževanju vode, kot je HPMc pod enakimi pogoji kot Mc boljše zadrževanje vode. Poleg tega se sposobnost zadrževanja vode celuloznega etra zmanjšuje s povišanjem temperature okolja.

Na splošno velja, da je razlog, zakaj ima celulozni eter funkcijo zadrževanja vode, v glavnem posledica 0H na molekuli in atom 0 na etrski vezi, ki bo povezan z molekulami vode za sintetiziranje vodikove vezi, tako da prosta voda postane zavezujoča voda, tako da igra dobro vlogo pri zadrževanju vode; Verjame se tudi, da ima makromolekularna veriga celuloznega etra omejevalno vlogo pri difuziji vodnih molekul, tako da učinkovito nadzoruje izhlapevanje vode in doseže visoko zadrževanje vode; Pourchez J je trdil, da je celulozni eter dosegel učinek zadrževanja vode z izboljšanjem reoloških lastnosti na novo zmešane cementne brozge, strukturo porozne mreže in tvorbo filma celuloznega etra, ki je oviral difuzijo vode. Laetitia P et al. prav tako verjamejo, da so reološke lastnosti malte ključni dejavnik, vendar tudi verjamejo, da viskoznost ni edini dejavnik, ki določa odlično zmogljivost malte za zadrževanje vode. Treba je omeniti, da čeprav ima celulozni eter dobro zmogljivost zadrževanja vode, se bo absorpcija vode v modificirani utrjeni cementni malti zmanjšala, razlog je v tem, da je celulozni eter v filmu malte in v malti veliko število majhnih zaprtih por, ki blokirajo malta znotraj kapilare.

3.3 Zgostitev

Konzistenca malte je eden od pomembnih kazalcev za merjenje njene delovne učinkovitosti. Za povečanje konsistence se pogosto uvaja celulozni eter. “Konzistentnost” predstavlja sposobnost sveže zamešane malte, da teče in se deformira pod delovanjem gravitacije ali zunanjih sil. Obe lastnosti zgoščevanje in zadrževanje vode se dopolnjujeta. Dodajanje ustrezne količine celuloznega etra lahko ne samo izboljša zmogljivost zadrževanja vode malte, zagotovi gladko gradnjo, ampak tudi poveča konsistenco malte, znatno poveča protidisperzijsko sposobnost cementa, izboljša učinkovitost vezi med malto in matrico ter zmanjšajo pojav povešanja malte.

Učinek zgoščevanja celuloznega etra izhaja predvsem iz njegove lastne viskoznosti, večja kot je viskoznost, boljši je učinek zgoščevanja, če pa je viskoznost prevelika, bo zmanjšala tekočnost malte, kar bo vplivalo na konstrukcijo. Dejavniki, ki vplivajo na spremembo viskoznosti, kot so molekulska masa (ali stopnja polimerizacije) in koncentracija celuloznega etra, temperatura raztopine, strižna hitrost, bodo vplivali na končni učinek zgoščevanja.

Mehanizem zgoščevanja celuloznega etra v glavnem izhaja iz hidracije in prepletanja med molekulami. Po eni strani je polimerna veriga celuloznega etra enostavno tvoriti vodikovo vez z vodo v vodi, vodikova vez omogoča visoko hidracijo; Po drugi strani pa, ko malti dodamo celulozni eter, bo le-ta absorbirala veliko vode, tako da se bo njen lastni volumen močno razširil, zmanjšal prosti prostor delcev, hkrati pa se molekularne verige celuloznega etra med seboj prepletajo da tvorijo tridimenzionalno mrežno strukturo, so delci malte obdani v kateri, ne pa prost pretok. Z drugimi besedami, pri teh dveh dejanjih se viskoznost sistema izboljša, s čimer se doseže želeni učinek zgoščevanja.

4. Vpliv neionskega celuloznega etra na morfologijo in strukturo por polimernega cementa

Kot je razvidno iz zgoraj navedenega, ima neionski celulozni eter ključno vlogo v polimernem cementu in njegov dodatek bo zagotovo vplival na mikrostrukturo celotne cementne malte. Rezultati kažejo, da neionski celulozni eter običajno poveča poroznost cementne malte, poveča pa se število por v velikosti 3nm ~ 350um, med katerimi se najbolj poveča število por v območju 100nm ~ 500nm. Vpliv na strukturo por cementne malte je tesno povezan z vrsto in viskoznostjo dodanega neionskega celuloznega etra. Ou Zhihua et al. menil, da je poroznost cementne malte, modificirane s HEC, manjša, ko je viskoznost enaka, kot pri HPMc in Mc, dodanih kot modifikatorjih. Za isti celulozni eter, manjša kot je viskoznost, manjša je poroznost modificirane cementne malte. S proučevanjem učinka HPMc na odprtino izolacijske plošče iz penastega cementa so Wang Yanru et al. ugotovili, da dodatek HPMC ne spremeni bistveno poroznosti, lahko pa znatno zmanjša zaslonko. Vendar pa Zhang Guodian et al. ugotovili, da večja kot je vsebnost HEMc, bolj očiten je vpliv na strukturo por cementne brozge. Dodatek HEMc lahko znatno poveča poroznost, skupni volumen por in povprečni polmer por cementne brozge, vendar se specifična površina por zmanjša, število velikih kapilarnih por, večjih od 50 nm v premeru, pa se znatno poveča, in vnesene pore so večinoma zaprte pore.

Analiziran je bil vpliv neionskega celuloznega etra na proces tvorbe strukture por cementne brozge. Ugotovljeno je bilo, da je dodatek celuloznega etra spremenil predvsem lastnosti tekoče faze. Po eni strani se površinska napetost tekoče faze zmanjša, zaradi česar je enostavno nastajanje mehurčkov v cementni malti, in bo upočasnila drenažo tekoče faze in difuzijo mehurčkov, tako da se majhni mehurčki težko zberejo v velike mehurčke in izpraznijo, zato je praznina se močno poveča; Po drugi strani pa se poveča viskoznost tekoče faze, kar zavira tudi drenažo, difuzijo mehurčkov in zlivanje mehurčkov ter poveča sposobnost stabilizacije mehurčkov. Zato je mogoče pridobiti način vpliva celuloznega etra na porazdelitev velikosti por cementne malte: v območju velikosti por več kot 100 nm se lahko mehurčki vnesejo z zmanjšanjem površinske napetosti tekoče faze, difuzijo mehurčkov pa lahko zavremo z povečanje viskoznosti tekočine; v območju 30 nm ~ 60 nm lahko na število por v območju vplivamo z zaviranjem združevanja manjših mehurčkov.

5. Vpliv neionskega celuloznega etra na mehanske lastnosti polimernega cementa

Mehanske lastnosti polimernega cementa so tesno povezane z njegovo morfologijo. Z dodatkom neionskega celuloznega etra se poveča poroznost, kar bo zagotovo negativno vplivalo na njegovo trdnost, predvsem na tlačno in upogibno trdnost. Zmanjšanje tlačne trdnosti cementne malte je bistveno večje od upogibne trdnosti. Ou Zhihua et al. preučevali vpliv različnih vrst neionskega celuloznega etra na mehanske lastnosti cementne malte in ugotovili, da je trdnost cementne malte, modificirane s celuloznim etrom, nižja od trdnosti čiste cementne malte, najnižja tlačna trdnost 28d pa je bila le 44,3 %. čiste cementne brozge. Tlačna in upogibna trdnost HPMc, HEMC in MC celuloznega etra modificiranega sta podobni, medtem ko sta tlačna in upogibna trdnost HEc modificirane cementne brozge v vsaki starosti bistveno višji. To je tesno povezano z njihovo viskoznostjo ali molekulsko maso, večja kot je viskoznost ali molekulska masa celuloznega etra ali večja kot je površinska aktivnost, nižja je trdnost njegove modificirane cementne malte.

Vendar pa je bilo tudi dokazano, da lahko neionski celulozni eter poveča natezno trdnost, prožnost in kohezibilnost cementne malte. Huang Liangen et al. ugotovili, da se v nasprotju z zakonom o spreminjanju tlačne trdnosti strižna in natezna trdnost brozge povečujeta z večanjem vsebnosti celuloznega etra v cementni malti. Analiza razloga, po dodatku celuloznega etra in polimerne emulzije skupaj, da se tvori veliko gosto polimerno folijo, močno izboljša prožnost brozge in izdelkov za hidratacijo cementa, nehidriranega cementa, polnil in drugih materialov, napolnjenih v tem filmu. , da se zagotovi natezna trdnost prevlečnega sistema.

Da bi izboljšali učinkovitost polimernega cementa, modificiranega z neionskim celuloznim etrom, hkrati izboljšali fizikalne lastnosti cementne malte, ne zmanjšajo bistveno njenih mehanskih lastnosti, je običajna praksa, da se ujemajo celulozni eter in drugi dodatki, dodani cementna malta. Li Tao-wen idr. ugotovili, da kompozitni dodatek, sestavljen iz celuloznega etra in polimernega lepila v prahu, ni le nekoliko izboljšal upogibne in tlačne trdnosti malte, tako da sta kohezivnost in viskoznost cementne malte primernejši za konstrukcijo premaza, ampak je tudi bistveno izboljšal zadrževanje vode zmogljivost malte v primerjavi z enojnim celuloznim etrom. Xu Qi et al. dodal prah žlindre, redukcijsko sredstvo za vodo in HEMc ter ugotovil, da lahko redukcijsko sredstvo za vodo in mineralni prah povečata gostoto malte, zmanjšata število lukenj, da izboljšata trdnost in modul elastičnosti malte. HEMc lahko poveča natezno oprijemno trdnost malte, ni pa dober za tlačno trdnost in modul elastičnosti malte. Yang Xiaojie et al. ugotovili, da se lahko razpoke cementne malte zaradi plastičnega krčenja znatno zmanjšajo po mešanju HEMc in PP vlaken.

6. Zaključek

Neionski celulozni eter ima pomembno vlogo v polimernem cementu, ki lahko znatno izboljša fizikalne lastnosti (vključno z zaviranjem koagulacije, zadrževanjem vode, zgoščevanjem), mikroskopsko morfologijo in mehanske lastnosti cementne malte. Veliko dela je bilo opravljenega na področju modifikacije materialov na osnovi cementa s celuloznim etrom, vendar še vedno obstajajo nekateri problemi, ki jih je treba dodatno preučiti. Na primer, v praktičnih inženirskih aplikacijah se malo pozornosti posveča reologiji, deformacijskim lastnostim, volumski stabilnosti in trajnosti modificiranih materialov na osnovi cementa, prav tako ni bilo vzpostavljeno pravilno ustrezno razmerje z dodanim celuloznim etrom. Raziskave mehanizma migracije polimera celuloznega etra in produktov hidratacije cementa v reakciji hidratacije so še vedno nezadostne. Postopek in mehanizem delovanja sestavljenih dodatkov, sestavljenih iz celuloznega etra in drugih primesi, ni dovolj jasen. Sestavljeni dodatek celuloznega etra in anorganskih ojačenih materialov, kot so steklena vlakna, ni bil izpopolnjen. Vse to bo v središču prihodnjih raziskav, da bi zagotovili teoretične smernice za nadaljnje izboljšanje učinkovitosti polimernega cementa.