Вплив температури навколишнього середовища на працездатність гіпсу, модифікованого ефіром целюлози

Ефективність гіпсу, модифікованого ефіром целюлози, при різних температурах навколишнього середовища дуже різна, але механізм цього не зрозумілий. Досліджено вплив ефіру целюлози на реологічні параметри та водоутримуваність гіпсового шламу при різних температурах навколишнього середовища. Методом динамічного розсіювання світла виміряно гідродинамічний діаметр ефіру целюлози в рідкій фазі та досліджено механізм впливу. Результати показують, що ефір целюлози добре утримує воду та згущує гіпс. Зі збільшенням вмісту ефіру целюлози збільшується в'язкість суспензії і підвищується водоутримуюча здатність. Проте з підвищенням температури водоутримуюча здатність модифікованого гіпсового шламу певною мірою знижується, а також змінюються реологічні параметри. Враховуючи, що колоїдна асоціація ефіру целюлози може досягти утримання води шляхом блокування каналу транспортування води, підвищення температури може призвести до розпаду асоціації великого об’єму, утвореної ефіром целюлози, таким чином зменшуючи утримання води та робочі характеристики модифікованого гіпсу.

Ключові слова:гіпс; ефір целюлози; температура; Затримка води; реології

0. Вступ

Гіпс, як вид екологічно чистого матеріалу з хорошими будівельними та фізичними властивостями, широко використовується в проектах оздоблення. При застосуванні матеріалів на основі гіпсу зазвичай додають водоутримувач для модифікації суспензії, щоб запобігти втраті води в процесі гідратації та затвердіння. Ефір целюлози є найпоширенішим в даний час агентом, що утримує воду. Оскільки іонний CE реагує з Ca2+, часто використовують неіонні CE, такі як: гідроксипропілметилцелюлозний ефір, гідроксиетилметилцелюлозний ефір і метилцелюлозний ефір. Важливо вивчити властивості гіпсу, модифікованого ефіром целюлози, для кращого застосування гіпсу в оздоблювальних роботах.

Ефір целюлози - це високомолекулярна сполука, що утворюється в результаті реакції лужної целюлози та етерифікуючого агента за певних умов. Неіоногенний ефір целюлози, який використовується в будівництві, має хорошу дисперсію, утримання води, зв’язування та ефект загущення. Додавання ефіру целюлози має дуже очевидний вплив на утримання води в гіпсі, але міцність на вигин і стиск гіпсового твердого тіла також трохи зменшується зі збільшенням кількості додавання. Це пов’язано з тим, що ефір целюлози має певний повітротягуючий ефект, який вводить бульбашки в процесі перемішування суспензії, таким чином знижуючи механічні властивості затверділого тіла. У той же час, занадто багато ефіру целюлози зробить гіпсову суміш занадто липкою, що призведе до погіршення її будівельних характеристик.

Процес гідратації гіпсу можна розділити на чотири етапи: розчинення напівгідрату сульфату кальцію, зародження кристалізації дигідрату сульфату кальцію, зростання кристалічного ядра та формування кристалічної структури. У процесі гідратації гіпсу гідрофільна функціональна група ефіру целюлози, яка адсорбується на поверхні частинок гіпсу, фіксує частину молекул води, таким чином затримуючи процес зародження гідратації гіпсу та подовжуючи час схоплювання гіпсу. За допомогою SEM-спостережень Мроз виявив, що хоча присутність ефіру целюлози затримує ріст кристалів, але збільшує перекриття та агрегацію кристалів.

Ефір целюлози містить гідрофільні групи, так що він має певну гідрофільність, полімер з довгим ланцюгом з'єднується один з одним, щоб він мав високу в'язкість, взаємодія двох робить целюлозу хорошим водоутримуючим ефектом загущення гіпсової суміші. Буліхен пояснив механізм утримання води ефіром целюлози в цементі. При слабкому змішуванні ефір целюлози адсорбується на цементі для внутрішньомолекулярного поглинання води та супроводжується набуханням для досягнення утримання води. У цей час утримання води погане. Висока доза ефіру целюлози утворює колоїдний полімер розміром від сотень нанометрів до кількох мікрон, ефективно блокуючи гелеву систему в отворі для досягнення ефективного утримання води. Механізм дії ефіру целюлози в гіпсі такий самий, як і в цементі, але більш висока концентрація SO42- в рідкій фазі гіпсового розчину послабить водоутримуючий ефект целюлози.

Виходячи з наведеного вище, можна виявити, що поточні дослідження гіпсу, модифікованого ефіром целюлози, здебільшого зосереджені на процесі гідратації ефіру целюлози на гіпсовій суміші, властивостях утримання води, механічних властивостях і мікроструктурі затверділого тіла, а також механізмі ефіру целюлози утримання води. Проте дослідження взаємодії між ефіром целюлози та гіпсовою суспензією при високій температурі все ще недостатні. Водний розчин ефіру целюлози клейстеризується при певній температурі. З підвищенням температури в'язкість водного розчину ефіру целюлози поступово зменшуватиметься. При досягненні температури клейстеризації ефір целюлози випадатиме в осад у білий гель. Наприклад, у літньому будівництві температура навколишнього середовища висока, властивості термічного гелю ефіру целюлози обов’язково призведуть до змін у працездатності модифікованого гіпсового шламу. У цій роботі досліджується вплив підвищення температури на працездатність гіпсового матеріалу, модифікованого целюлозним ефіром, за допомогою систематичних експериментів і надаються вказівки щодо практичного застосування гіпсу, модифікованого целюлозним ефіром.

1. Експеримент

1.1 Сировина

Гіпс — це природний будівельний гіпс β-типу, що надається Beijing Ecological Home Group.

Ефір целюлози, вибраний з ефіру гідроксипропілметилцелюлози групи Shandong Yiteng, специфікації продукту для 75 000 мПа·с, 100 000 мПа·с і 200 000 мПа·с, температура гелеутворення вище 60 ℃. Як сповільнювач гіпсування була обрана лимонна кислота.

1.2 Реологічний тест

Використаним реологічним інструментом був реометр RST⁃CC виробництва BROOKFIELD США. Реологічні параметри, такі як пластична в’язкість і межа текучості при зсуві гіпсової суспензії, визначали за допомогою контейнера для зразків MBT⁃40F⁃0046 і ротора CC3⁃40, а дані обробляли програмним забезпеченням RHE3000.

Характеристики гіпсової суміші відповідають реологічній поведінці рідини Бінгема, яка зазвичай вивчається за допомогою моделі Бінгема. Однак через псевдопластичність ефіру целюлози, доданого до модифікованого полімером гіпсу, суспензія зазвичай демонструє певну властивість розрідження при зсуві. У цьому випадку модифікована модель Бінгема (M⁃B) може краще описати реологічну криву гіпсу. Для вивчення деформації зсуву гіпсу в цій роботі також використовується модель Гершеля⁃Балклі (H⁃B).

1.3 Тест на утримання води

Процедура випробування див. GB/T28627⁃2012 Штукатурка. Під час експерименту з температурою як змінною гіпс попередньо нагрівали за 1 годину до відповідної температури в печі, а змішану воду, використану в експерименті, попередньо нагрівали 1 годину за відповідної температури у водяній бані постійної температури, і використовувався прилад був попередньо нагрітий.

1.4 Випробування на гідродинамічний діаметр

Гідродинамічний діаметр (D50) полімерної асоціації HPMC у рідкій фазі вимірювали за допомогою аналізатора розміру частинок динамічного світлорозсіювання (Malvern Zetasizer NanoZS90).

2. Результати та їх обговорення

2.1 Реологічні властивості модифікованого ГПМЦ гіпсу

Уявна в’язкість – це відношення напруги зсуву до швидкості зсуву, що діє на рідину, і є параметром для характеристики потоку неньютонівських рідин. Видима в’язкість модифікованої гіпсової суспензії змінювалася залежно від вмісту ефіру целюлози за трьома різними характеристиками (75000 мПа·с, 100 000 мПа·с і 200000 мПа·с). Температура випробувань була 20 ℃. Коли швидкість зсуву реометра становить 14 хв-1, можна виявити, що в’язкість гіпсової суспензії збільшується зі збільшенням включення HPMC, і чим вище в’язкість HPMC, тим вищою буде в’язкість модифікованої гіпсової суспензії. Це вказує на те, що HPMC має очевидний ефект згущення та згущення гіпсової суспензії. Гіпсовий шлам і ефір целюлози є речовинами з певною в'язкістю. У модифікованій гіпсовій суміші ефір целюлози адсорбується на поверхні продуктів гідратації гіпсу, а мережа, утворена ефіром целюлози, і мережа, утворена гіпсовою сумішшю, переплітаються, що призводить до «ефекту суперпозиції», що значно покращує загальну в’язкість модифікований матеріал на основі гіпсу.

Криві зсуву ⁃ напруги чистого гіпсу (G⁃H) і модифікованої гіпсової (G⁃H) пасти, легованої 75000 мПа·с-HPMC, як виведено з переглянутої моделі Бінгема (M⁃B). Можна виявити, що зі збільшенням швидкості зсуву напруга зсуву суміші також зростає. Отримано значення пластичної в’язкості (ηp) і межі текучості при зсуві (τ0) чистого гіпсу та модифікованого HPMC гіпсу при різних температурах.

Зі значень пластичної в’язкості (ηp) і межі текучості при зсуві (τ0) чистого гіпсу та гіпсу, модифікованого ГПМЦ, при різних температурах можна побачити, що межа текучості модифікованого ГПМЦ гіпсу буде безперервно зменшуватися з підвищенням температури, а текучість стрес зменшиться на 33% при 60 ℃ порівняно з 20 ℃. Спостерігаючи за кривою пластичної в'язкості, можна виявити, що пластична в'язкість модифікованого гіпсового шламу також зменшується з підвищенням температури. Проте межа текучості та пластична в’язкість суспензії чистого гіпсу дещо зростають із підвищенням температури, що вказує на те, що зміна реологічних параметрів суспензії модифікованого ГПМЦ у процесі підвищення температури викликана зміною властивостей ГПМЦ.

Значення межі текучості гіпсового шламу відображає максимальне значення напруги зсуву, коли шлам чинить опір деформації зсуву. Чим більше значення межі текучості, тим стабільнішим може бути гіпсовий розчин. Пластична в'язкість відображає швидкість деформації гіпсового шламу. Чим більша пластична в'язкість, тим довшим буде час деформації суспензії при зсуві. Підсумовуючи, два реологічні параметри гіпсової суспензії, модифікованої HPMC, очевидно зменшуються з підвищенням температури, а ефект загущення HPMC на гіпсову суспензію послаблюється.

Деформація суспензії при зсуві означає потовщення або розрідження при зсуві, відображену суспензією під дією сили зсуву. Про ефект деформації зсуву суспензії можна судити за індексом псевдопластичності n, отриманим з підгоночної кривої. Коли n < 1, гіпсова суспензія демонструє розрідження при зсуві, і ступінь розрідження зсуву гіпсової суспензії стає вищою зі зменшенням n. Коли n > 1, гіпсова суспензія показала потовщення при зсуві, і ступінь згущення зсуву гіпсової суспензії збільшилася зі збільшенням n. Реологічні криві суспензії гіпсу, модифікованого HPMC, при різних температурах на основі підгонки моделі Гершеля⁃Балклі (H⁃B), отже, отримують індекс псевдопластичності n суспензії модифікованого HPMC гіпсу.

Відповідно до індексу псевдопластичності n гіпсової суспензії, модифікованої HPMC, деформація зсуву гіпсової суспензії, змішаної з HPMC, є розрідженням при зсуві, і значення n поступово збільшується з підвищенням температури, що вказує на те, що поведінка розрідження гіпсу, модифікованого HPMC, буде бути певною мірою ослабленим під впливом температури.

На основі видимих ​​змін в’язкості модифікованої гіпсової суспензії зі швидкістю зсуву, розрахованої за даними напруги зсуву 75000 мПа · HPMC при різних температурах, можна виявити, що пластична в’язкість модифікованої гіпсової суспензії швидко зменшується зі збільшенням швидкості зсуву, який перевіряє результат підгонки моделі H⁃B. Модифікований гіпсовий шлам продемонстрував характеристики розрідження при зсуві. З підвищенням температури уявна в'язкість суміші зменшується до певної міри при низькій швидкості зсуву, що вказує на те, що ефект розрідження зсуву модифікованої гіпсової суспензії послаблюється.

При фактичному використанні гіпсової шпаклівки гіпсовий шлам повинен легко деформуватися в процесі тертя та залишатися стабільним у стані спокою, що вимагає, щоб гіпсовий шлам мав хороші характеристики розрідження при зсуві, а зміна зсуву гіпсу, модифікованого HPMC, рідко відбувається. певною мірою, що не сприяє будівництву гіпсових матеріалів. В'язкість HPMC є одним із важливих параметрів, а також основною причиною того, що він відіграє роль загусника для покращення змінних характеристик потоку змішування. Сам ефір целюлози має властивості гарячого гелю, в'язкість його водного розчину поступово зменшується з підвищенням температури, і білий гель випадає в осад при досягненні температури гелеутворення. Зміна реологічних параметрів гіпсу, модифікованого ефіром целюлози, з температурою тісно пов’язана зі зміною в’язкості, оскільки ефект загущення є результатом суперпозиції ефіру целюлози та змішаної суспензії. У практичній інженерії слід враховувати вплив температури навколишнього середовища на продуктивність HPMC. Наприклад, температуру сировини слід контролювати при високій температурі влітку, щоб уникнути поганих робочих характеристик модифікованого гіпсу, викликаних високою температурою.

2.2 Затримка водигіпс, модифікований HPMC

Утримання води гіпсовою суспензією, модифікованою трьома різними характеристиками ефіру целюлози, змінюється залежно від кривої дозування. Зі збільшенням дозування HPMC швидкість утримання води гіпсовою суспензією значно покращується, і тенденція збільшення стає стабільною, коли доза HPMC досягає 0,3%. Нарешті, швидкість утримання води в гіпсовій суспензії стабільна на рівні 90% ~ 95%. Це вказує на те, що HPMC має очевидний водоутримуючий ефект на пасту для кам’яної пасти, але водоутримуючий ефект значно не покращується, оскільки дозування продовжує збільшуватися. Три специфікації швидкості утримання води HPMC відрізняються невеликими, наприклад, коли вміст становить 0,3%, діапазон швидкості утримання води становить 5%, стандартне відхилення становить 2,2. HPMC з найвищою в’язкістю не є найвищим рівнем утримання води, а HPMC з найнижчою в’язкістю не є найнижчим рівнем утримання води. Проте, порівняно з чистим гіпсом, ступінь водоутримання трьох HPMC для гіпсової суспензії значно покращується, а швидкість утримання води модифікованим гіпсом із вмістом 0,3% збільшується на 95%, 106%, 97% порівняно з гіпсовим розчином. пуста контрольна група. Ефір целюлози, очевидно, може покращити утримання води гіпсовою суспензією. Зі збільшенням вмісту HPMC швидкість утримання води в модифікованому HPMC гіпсовому шламі з різною в'язкістю поступово досягає точки насичення. 10000 мПа·с HPMC досягли точки насичення при 0,3%, 75000 мПа·с і 20000 мПа·с HPMC досягли точки насичення при 0,2%. Результати показують, що водоутримання 75000 мПа·с гіпсу, модифікованого HPMC, змінюється залежно від температури при різних дозах. Зі зниженням температури швидкість водоутримання модифікованого гіпсу HPMC поступово зменшується, тоді як швидкість утримання води чистого гіпсу в основному залишається незмінною, що вказує на те, що підвищення температури послаблює ефект утримання води HPMC на гіпс. Рівень утримання води HPMC зменшився на 31,5%, коли температура підвищилася з 20 ℃ до 40 ℃. Коли температура підвищується від 40 ℃ до 60 ℃, швидкість утримання води гіпсом, модифікованим HPMC, в основному така ж, як і чистого гіпсу, що вказує на те, що HPMC втратив ефект покращення утримання води гіпсом у цей час. Цзянь Цзянь і Ван Пеймін припустили, що сам ефір целюлози має феномен термічного гелю, зміна температури призведе до змін у в’язкості, морфології та адсорбції ефіру целюлози, що обов’язково призведе до змін у продуктивності суспензії. Буліхен також виявив, що динамічна в'язкість цементних розчинів, що містять ГПМЦ, зменшується з підвищенням температури.

Зміна водоутримання суміші, викликана підвищенням температури, повинна поєднуватися з механізмом ефіру целюлози. Буліхен пояснив механізм, за допомогою якого ефір целюлози може утримувати воду в цементі. У системах на основі цементу HPMC покращує швидкість утримання води в суспензії, зменшуючи проникність «фільтрованого корка», утвореного цементуючою системою. Певна концентрація HPMC у рідкій фазі сформує колоїдну асоціацію розміром від кількох сотень нанометрів до кількох мікрон, це має певний об’єм полімерної структури, яка може ефективно закупорити канал передачі води в суміші, зменшити проникність «осадку на фільтрі», для досягнення ефективного утримання води. Буліхен також показав, що HPMCS у гіпсі демонструють той самий механізм. Отже, дослідження гідромеханічного діаметра асоціації, утвореної ГПМЦ у рідкій фазі, може пояснити вплив ГПМЦ на водоутримування гіпсу.

2.3 Гідродинамічний діаметр колоїдної асоціації ГПМЦ

Криві розподілу частинок різних концентрацій 75000 мПа·с HPMC у рідкій фазі та криві розподілу частинок трьох специфікацій HPMC у рідкій фазі при концентрації 0,6%. З кривої розподілу частинок ГПМЦ трьох специфікацій у рідкій фазі, коли концентрація становить 0,6%, можна побачити, що зі збільшенням концентрації ГПМЦ розмір частинок асоційованих сполук, утворених у рідкій фазі, також збільшується. Коли концентрація низька, частинки, утворені агрегацією HPMC, малі, і лише невелика частина HPMC агрегує в частинки приблизно 100 нм. Коли концентрація HPMC становить 1%, існує велика кількість колоїдних асоціацій з гідродинамічним діаметром близько 300 нм, що є важливою ознакою молекулярного перекриття. Ця полімеризаційна структура «великого об’єму» може ефективно блокувати канал передачі води в суміші, зменшувати «проникність кека», і відповідне водоутримання гіпсової суміші при цій концентрації також перевищує 90%. Гідромеханічні діаметри HPMC з різною в'язкістю в рідкій фазі в основному однакові, що пояснює подібну швидкість утримання води модифікованої HPMC гіпсової суспензії з різною в'язкістю.

Криві розподілу частинок за розміром 75000 мПа·с HPMC з 1% концентрацією при різних температурах. З підвищенням температури можна очевидно виявити розкладання колоїдної асоціації HPMC. При 40 ℃ великий об’єм асоціації 300 нм повністю зник і розклався на частинки невеликого об’єму 15 нм. З подальшим підвищенням температури ГПМЦ стає меншими частинками, і водостійкість гіпсової суспензії повністю втрачається.

Феномен зміни властивостей HPMC із підвищенням температури також відомий як властивості гарячого гелю. Існує загальна думка, що за низької температури макромолекули HPMC спочатку диспергуються у воді для розчинення розчину, молекули HPMC у високій концентрації утворюють велику асоціацію частинок. . Коли температура підвищується, гідратація HPMC послаблюється, вода між ланцюгами поступово скидається, великі асоційовані сполуки поступово диспергуються на дрібні частинки, в'язкість розчину зменшується, і при гелеутворенні утворюється тривимірна мережева структура. температура досягається, і білий гель випадає в осад.

Бодвік виявив, що мікроструктура та адсорбційні властивості HPMC у рідкій фазі були змінені. У поєднанні з теорією Булічена про блокування колоїдної асоціації ГПМЦ каналу транспортування води суспензією було зроблено висновок, що підвищення температури призвело до розпаду колоїдної асоціації ГПМЦ, що призвело до зменшення водоутримування модифікованого гіпсу.

3. Висновок

(1) Ефір целюлози сам по собі має високу в’язкість і ефект «накладення» на гіпсову суспензію, відіграючи очевидний ефект загущення. При кімнатній температурі ефект загущення стає більш очевидним зі збільшенням в'язкості та дозування ефіру целюлози. Проте з підвищенням температури в'язкість ефіру целюлози зменшується, послаблюється його загущувальний ефект, знижується межа текучості при зсуві та пластична в'язкість гіпсової суміші, послаблюється псевдопластичність і погіршуються будівельні властивості.

(2) Ефір целюлози покращив водоутримання гіпсу, але з підвищенням температури водоутримання модифікованого гіпсу також значно зменшилося, навіть при 60 ℃ ефект утримання води повністю втрачається. Швидкість утримання води в гіпсовій суспензії була значно покращена за допомогою ефіру целюлози, і швидкість утримання води в модифікованому HPMC гіпсовому шламі з різною в’язкістю поступово досягла точки насичення зі збільшенням дозування. Гіпсове утримання води, як правило, пропорційне в'язкості ефіру целюлози, при високій в'язкості має незначний ефект.

(3) Внутрішні фактори, які змінюють водоутримання ефіру целюлози з температурою, тісно пов’язані з мікроскопічною морфологією ефіру целюлози в рідкій фазі. При певній концентрації ефір целюлози має тенденцію до агрегації з утворенням великих колоїдних асоціацій, блокуючи канал транспортування води гіпсовою сумішшю для досягнення високого утримання води. Однак із підвищенням температури, завдяки властивостям термічного гелеутворення самого ефіру целюлози, раніше утворена велика колоїдна асоціація повторно диспергується, що призводить до зниження ефективності утримання води.