دور إيثر السليلوز في الملاط الجاهز

في الملاط الجاهز، تكون كمية إيثر السليلوز المضافة قليلة جدًا، لكنها تُحسّن بشكل ملحوظ أداء الملاط الرطب، وتُعدّ مادة مضافة رئيسية تؤثر على خصائصه الإنشائية. يُسهم الاختيار الأمثل لإيثرات السليلوز من أنواع مختلفة، ولزوجات متباينة، وأحجام جسيمات متباينة، ودرجات لزوجة متباينة، وكميات مضافة متباينة، في تحسين أداء الملاط الجاف. في الوقت الحالي، يُعاني العديد من أنواع ملاط ​​البناء والتجصيص من ضعف في الاحتفاظ بالماء، حيث ينفصل الملاط المائي بعد دقائق قليلة من تركه.

يُعدّ الاحتفاظ بالماء أحد أهم خصائص أداء الميثيلإيثر السليلوزكما أن هذه الخاصية تحظى باهتمام العديد من مصنعي الملاط الجاف المحليين، وخاصة في المناطق الجنوبية ذات درجات الحرارة المرتفعة. وتشمل العوامل المؤثرة على قدرة الملاط الجاف على الاحتفاظ بالماء كمية المادة المضافة، ولزوجة المادة المضافة، ونعومة الجزيئات، ودرجة حرارة بيئة الاستخدام.

إيثر السليلوز هو بوليمر صناعي يُصنع من السليلوز الطبيعي عبر تعديل كيميائي. وهو مشتق من السليلوز الطبيعي. يختلف إنتاج إيثر السليلوز عن إنتاج البوليمرات الصناعية الأخرى، إذ أن مادته الأساسية هي السليلوز، وهو مركب بوليمري طبيعي. ونظرًا لخصوصية بنية السليلوز الطبيعي، فإنه لا يتفاعل مع عوامل الإيثرة. ولكن بعد معالجته بعامل التورم، تتفكك الروابط الهيدروجينية القوية بين سلاسل جزيئات السليلوز، مما يؤدي إلى إطلاق مجموعة الهيدروكسيل، وبالتالي الحصول على إيثر السليلوز.

تعتمد خصائص إيثرات السليلوز على نوع وعدد وتوزيع البدائل. كما يُصنَّف إيثر السليلوز بناءً على نوع البدائل، ودرجة الأثيرية، والذوبانية، وخصائص التطبيق ذات الصلة. وفقًا لنوع البدائل على السلسلة الجزيئية، يمكن تقسيمه إلى إيثر أحادي وإيثر مختلط. يُعدّ MC المستخدم عادةً إيثرًا أحاديًا، بينما يُعدّ HPMC إيثرًا مختلطًا. ينتج إيثر ميثيل السليلوز (MC) عن استبدال مجموعة الهيدروكسيل في وحدة الجلوكوز في السليلوز الطبيعي بمجموعة ميثوكسي. يُستبدل جزء من مجموعة الهيدروكسيل في الوحدة بمجموعة ميثوكسي، بينما يُستبدل الجزء الآخر بمجموعة هيدروكسي بروبيل. يُعدّ إيثر إيثيل ميثيل السليلوز (HEMC) من الأنواع الرئيسية الشائعة الاستخدام والمتوفرة في السوق.

من حيث الذوبانية، يمكن تقسيمها إلى أيونية وغير أيونية. تتكون إيثرات السليلوز غير الأيونية القابلة للذوبان في الماء بشكل أساسي من سلسلتين: إيثرات الألكيل وإيثرات الهيدروكسي ألكيل. يُستخدم كربوكسي ميثيل السليلوز الأيوني (CMC) بشكل رئيسي في المنظفات الصناعية، وطباعة وصباغة المنسوجات، والأغذية، واستكشاف النفط. أما إيثرات السليلوز غير الأيونية (MC، HPMC، HEMC، وغيرها) فتُستخدم بشكل رئيسي في مواد البناء، وطلاءات اللاتكس، والأدوية، والمواد الكيميائية اليومية، وغيرها، كمُكثِّف، وعامل احتفاظ بالماء، ومُثبِّت، ومُشتِّت، وعامل مُكوِّن للأغشية.

قدرة إيثر السليلوز على الاحتفاظ بالماء: في إنتاج مواد البناء، وخاصةً الملاط الجاف، يلعب إيثر السليلوز دورًا لا غنى عنه، لا سيما في إنتاج الملاط المُعدَّل، حيث يُعدّ مكونًا أساسيًا لا بد منه. وتتمثل أهمية دور إيثر السليلوز القابل للذوبان في الماء في الملاط في ثلاثة جوانب رئيسية: أولها قدرته الممتازة على الاحتفاظ بالماء، وثانيها تأثيره على قوام الملاط وخواصه الانسيابية، وثالثها تفاعله مع الأسمنت. ويعتمد تأثير إيثر السليلوز في الاحتفاظ بالماء على امتصاص الطبقة الأساسية للماء، وتركيب الملاط، وسُمك طبقة الملاط، واحتياج الملاط للماء، ووقت تصلب المادة. وينتج احتفاظ إيثر السليلوز بالماء عن ذوبانه وجفافه. وكما هو معروف، فعلى الرغم من احتواء السلسلة الجزيئية للسليلوز على عدد كبير من مجموعات الهيدروكسيل (OH) عالية الترطيب، إلا أنها غير قابلة للذوبان في الماء، نظرًا لارتفاع درجة تبلور بنية السليلوز. لا تكفي قدرة مجموعات الهيدروكسيل على التميؤ وحدها لتغطية الروابط الهيدروجينية القوية وقوى فان دير فالس بين الجزيئات. لذلك، ينتفخ البوليمر فقط دون أن يذوب في الماء. عند إدخال بديل في السلسلة الجزيئية، لا يؤدي هذا البديل إلى تدمير الروابط الهيدروجينية فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى تدمير الروابط الهيدروجينية بين السلاسل نتيجةً لتداخل البديل بين السلاسل المتجاورة. كلما كبر حجم البديل، زادت المسافة بين الجزيئات. وكلما زادت المسافة، زاد تأثير تدمير الروابط الهيدروجينية، ليصبح إيثر السليلوز قابلاً للذوبان في الماء بعد تمدد شبكة السليلوز ودخول المحلول، مكونًا محلولًا عالي اللزوجة. مع ارتفاع درجة الحرارة، يضعف تميؤ البوليمر، ويُطرد الماء من بين السلاسل. وعندما يكون تأثير التجفيف كافيًا، تبدأ الجزيئات بالتجمع، مكونةً هلامًا ذا بنية شبكية ثلاثية الأبعاد.

تشمل العوامل المؤثرة على احتفاظ الملاط بالماء لزوجة إيثر السليلوز، والكمية المضافة، ونعومة الجزيئات، ودرجة حرارة الاستخدام.

كلما زادت لزوجة إيثر السليلوز، تحسّن أداء الاحتفاظ بالماء. تُعدّ اللزوجة معيارًا هامًا لأداء MC. حاليًا، يستخدم مُصنّعو MC طرقًا وأجهزةً مختلفة لقياس لزوجة MC. من أبرز هذه الطرق: هاكه روتوفيسكو، وهوبلر، وأوبيلوهدي، وبروكفيلد. بالنسبة للمنتج نفسه، تتباين نتائج قياس اللزوجة باستخدام طرق مختلفة تباينًا كبيرًا، وقد يصل التباين في بعضها إلى الضعف. لذا، عند مقارنة اللزوجة، يجب إجراء القياس باستخدام نفس طريقة الاختبار، بما في ذلك درجة الحرارة، وجهاز الدوران، وغيرها.

بشكل عام، كلما زادت اللزوجة، تحسّن احتفاظ الملاط بالماء. مع ذلك، كلما زادت اللزوجة وزاد الوزن الجزيئي لميثيل السليلوز، انخفض ذوبانه، مما يؤثر سلبًا على قوة الملاط وأدائه الإنشائي. كلما زادت اللزوجة، زاد تأثير زيادة كثافة الملاط، لكن العلاقة ليست طردية. فكلما زادت اللزوجة، زادت لزوجة الملاط الرطب، أي أنه أثناء البناء، يلتصق بالمكشطة ويلتصق بشدة بالسطح. لكن هذا لا يُسهم في زيادة قوة الملاط الرطب نفسه. أثناء البناء، لا يكون أداء مقاومة الترهل واضحًا. على النقيض من ذلك، تُظهر بعض أنواع إيثرات ميثيل السليلوز المعدلة ذات اللزوجة المتوسطة والمنخفضة أداءً ممتازًا في تحسين قوة الملاط الرطب.

كلما زادت كمية إيثر السليلوز المضافة إلى الملاط، كان أداء الاحتفاظ بالماء أفضل، وكلما زادت اللزوجة، كان أداء الاحتفاظ بالماء أفضل.

بالنسبة لحجم الجسيمات، كلما كانت الجسيمات أدق، كان احتفاظها بالماء أفضل. فعندما تتلامس الجسيمات الكبيرة من إيثر السليلوز مع الماء، يذوب سطحها فورًا مكونًا هلامًا يغلف المادة ويمنع جزيئات الماء من التغلغل فيها. أحيانًا، لا يمكن تشتيتها وذوبانها بشكل متجانس حتى بعد التقليب لفترة طويلة، مما يؤدي إلى تكوين محلول عكر متكتل أو تكتلات. يؤثر ذلك بشكل كبير على احتفاظ إيثر السليلوز بالماء، وتُعد الذوبانية أحد العوامل المهمة لاختيار إيثر السليلوز. كما تُعد النعومة مؤشر أداء مهمًا لإيثر ميثيل السليلوز. يجب أن يكون إيثر ميثيل السليلوز المستخدم في ملاط ​​المسحوق الجاف مسحوقًا، ذو محتوى مائي منخفض، كما يجب أن تتراوح النعومة بين 20% و60% من حجم الجسيمات بين أقل من 63 ميكرومتر. تؤثر النعومة على ذوبانية إيثر ميثيل السليلوز. عادةً ما يكون مسحوق الميثيل سليلوز الخشن حبيبيًا، ويسهل ذوبانه في الماء دون تكتل، إلا أن معدل ذوبانه بطيء جدًا، مما يجعله غير مناسب للاستخدام في الملاط الجاف. في هذا النوع من الملاط، يتوزع الميثيل سليلوز بين مواد الربط مثل الركام والحشو الناعم والأسمنت، ولا يمكن تجنب تكتله إلا باستخدام مسحوق ناعم جدًا عند مزجه بالماء. عند إضافة الميثيل سليلوز إلى الماء لإذابة التكتلات، يصعب تشتيته وذوبانه. إن استخدام مسحوق الميثيل سليلوز الخشن ليس فقط غير مُجدٍ، بل يُقلل أيضًا من قوة الملاط الموضعية. عند تطبيق هذا النوع من الملاط الجاف على مساحة واسعة، تنخفض سرعة تصلب الملاط الجاف الموضعي بشكل ملحوظ، وتظهر تشققات نتيجة اختلاف أوقات التصلب. أما بالنسبة للملاط المرشوش في الإنشاءات الميكانيكية، فإن متطلبات النعومة تكون أعلى نظرًا لقصر وقت الخلط.

تؤثر نعومة مادة الميثيل سليلوز أيضاً على قدرتها على الاحتفاظ بالماء. وبشكل عام، بالنسبة لإيثرات ميثيل السليلوز ذات اللزوجة نفسها ولكن بنعومة مختلفة، وبنفس الكمية المضافة، كلما كانت المادة أنعم كان تأثيرها في الاحتفاظ بالماء أفضل.

يرتبط احتفاظ الملاط بالماء بدرجة الحرارة المستخدمة، حيث يقل احتفاظ إيثر ميثيل السليلوز بالماء مع ارتفاع درجة الحرارة. ومع ذلك، في التطبيقات العملية، يُستخدم الملاط الجاف غالبًا على أسطح ساخنة في درجات حرارة عالية (أعلى من 40 درجة مئوية) في العديد من البيئات، مثل تجصيص الجدران الخارجية تحت أشعة الشمس في الصيف، مما يُسرّع من تصلب الأسمنت وتصلب الملاط الجاف. ويؤدي انخفاض معدل الاحتفاظ بالماء إلى تأثر كل من قابلية التشغيل ومقاومة التشقق، ومن الأهمية بمكان تقليل تأثير عوامل درجة الحرارة في هذه الحالة. على الرغم من أن إضافات إيثر ميثيل هيدروكسي إيثيل السليلوز تُعتبر حاليًا في طليعة التطور التكنولوجي، إلا أن اعتمادها على درجة الحرارة سيؤدي إلى إضعاف أداء الملاط الجاف. وحتى مع زيادة كمية إيثر ميثيل هيدروكسي إيثيل السليلوز (في التركيبة الصيفية)، فإن قابلية التشغيل ومقاومة التشقق لا تزالان غير كافيتين لتلبية احتياجات الاستخدام. من خلال بعض المعالجة الخاصة على MC، مثل زيادة درجة الأثيرية، وما إلى ذلك، يمكن الحفاظ على تأثير الاحتفاظ بالماء عند درجة حرارة أعلى، بحيث يمكن أن يوفر أداءً أفضل في ظل الظروف القاسية.

بالإضافة إلى ذلك، تعتمد خاصية التكثيف والانسيابية لإيثر السليلوز، وهي الوظيفة الثانية لإيثر السليلوز - التكثيف - على: درجة بلمرة إيثر السليلوز، وتركيز المحلول، ومعدل القص، ودرجة الحرارة، وغيرها من الظروف. وتُعد خاصية التجلط للمحلول فريدة من نوعها في ألكيل السليلوز ومشتقاته المُعدلة. وترتبط خصائص التجلط بدرجة الاستبدال، وتركيز المحلول، والمواد المضافة. بالنسبة للمشتقات المُعدلة بالهيدروكسي ألكيل، ترتبط خصائص التجلط أيضًا بدرجة تعديل الهيدروكسي ألكيل. بالنسبة لـ MC وHPMC منخفضي اللزوجة، يمكن تحضير محلول بتركيز 10-15%، وبالنسبة لـ MC وHPMC متوسطي اللزوجة، يمكن تحضير محلول بتركيز 5-10%، بينما بالنسبة لـ MC وHPMC عاليي اللزوجة...هيدروكسي بروبيل ميثيل سليلوز (HPMC)لا يمكن تحضير سوى محلول بتركيز 2-3%، وعادةً ما يُصنّف إيثر السليلوز حسب لزوجته بناءً على محلول بتركيز 1-2%. يتميز إيثر السليلوز ذو الوزن الجزيئي العالي بكفاءة عالية في زيادة اللزوجة. في المحلول ذي التركيز نفسه، تختلف لزوجة البوليمرات ذات الأوزان الجزيئية المختلفة. لا يمكن الوصول إلى اللزوجة المطلوبة إلا بإضافة كمية كبيرة من إيثر السليلوز ذي الوزن الجزيئي المنخفض. تعتمد لزوجته بشكل طفيف على معدل القص، وعند الوصول إلى اللزوجة المطلوبة، تكون كمية الإضافة المطلوبة صغيرة، وتعتمد اللزوجة على كفاءة زيادة اللزوجة. لذلك، لتحقيق قوام معين، يجب ضمان تركيز معين من إيثر السليلوز (تركيز المحلول) ولزوجة المحلول. تنخفض درجة حرارة تجلط المحلول خطيًا مع زيادة تركيزه، ويتجمد عند درجة حرارة الغرفة بعد الوصول إلى تركيز معين. يكون تركيز تجلط هيدروكسي بروبيل ميثيل سليلوز (HPMC) مرتفعًا نسبيًا عند درجة حرارة الغرفة.

يمكن أيضًا ضبط القوام عن طريق اختيار حجم الجسيمات واختيار إيثرات السليلوز بدرجات تعديل مختلفة. يُقصد بالتعديل إدخال درجة معينة من استبدال مجموعات الهيدروكسي ألكيل على البنية الأساسية لـ MC. من خلال تغيير قيم الاستبدال النسبية للمستبدلين، أي قيم الاستبدال النسبية DS و ms لمجموعتي الميثوكسي والهيدروكسي ألكيل، يمكن الحصول على متطلبات أداء متنوعة لإيثر السليلوز عن طريق تغيير قيم الاستبدال النسبية للمستبدلين.

العلاقة بين الاتساق والتعديل: تؤثر إضافة إيثر السليلوز على استهلاك الماء في الملاط، وتغيير نسبة الماء إلى المادة الرابطة للماء والأسمنت هو تأثير التكثيف، وكلما زادت الجرعة زاد استهلاك الماء.

يجب أن تذوب إيثرات السليلوز المستخدمة في مواد البناء المسحوقة بسرعة في الماء البارد وأن توفر قوامًا مناسبًا للنظام. وإذا تعرضت لمعدل قص معين، فإنها ستظل متكتلة ومتكتلة، مما ينتج عنه منتج دون المستوى المطلوب أو رديء الجودة.

توجد علاقة خطية جيدة بين قوام عجينة الأسمنت وجرعة إيثر السليلوز. يُمكن لإيثر السليلوز أن يزيد لزوجة الملاط بشكل كبير، وكلما زادت الجرعة، كان التأثير أوضح. يتميز محلول إيثر السليلوز المائي عالي اللزوجة بخاصية الانسيابية العالية، وهي سمة رئيسية لإيثر السليلوز. عادةً ما تتميز المحاليل المائية لبوليمرات MC بسيولة شبه لدنة وغير انسيابية تحت درجة حرارة التجلط، ولكنها تُظهر خصائص تدفق نيوتوني عند معدلات القص المنخفضة. تزداد اللدونة الكاذبة مع الوزن الجزيئي أو تركيز إيثر السليلوز، بغض النظر عن نوع البديل ودرجة الاستبدال. لذلك، فإن إيثرات السليلوز من نفس درجة اللزوجة، سواء كانت MC أو HPMC أو HEMC، ستُظهر دائمًا نفس الخصائص الريولوجية طالما بقي التركيز ودرجة الحرارة ثابتين. تتشكل الهلامات البنيوية عند رفع درجة الحرارة، ويحدث تدفق انسيابي عالي. تُظهر إيثرات السليلوز عالية التركيز ومنخفضة اللزوجة خاصية الانسيابية حتى عند درجات حرارة أقل من درجة حرارة التصلب. تُعد هذه الخاصية مفيدة للغاية في ضبط استواء وتخفيف الترهل في ملاط ​​البناء. تجدر الإشارة إلى أنه كلما زادت لزوجة إيثر السليلوز، تحسّن احتفاظه بالماء، ولكن مع زيادة اللزوجة، يزداد وزنه الجزيئي النسبي، ويقلّ ذوبانه تبعًا لذلك، مما يؤثر سلبًا على تركيز الملاط وأداء البناء. كلما زادت اللزوجة، ازداد تأثير زيادة اللزوجة على الملاط، ولكن العلاقة ليست طردية تمامًا. بعض أنواع إيثر السليلوز ذات اللزوجة المتوسطة والمنخفضة تُظهر أداءً أفضل في تحسين قوة الملاط الرطب. مع زيادة اللزوجة، يتحسن احتفاظ إيثر السليلوز بالماء.

إبطاء عملية إماهة الأسمنت بواسطة إيثر السليلوز: تتمثل الوظيفة الثالثة لإيثر السليلوز في إبطاء عملية إماهة الأسمنت. يُكسب إيثر السليلوز الملاط خصائص مفيدة متعددة، كما يُقلل من حرارة الإماهة المبكرة للأسمنت ويُؤخر عملية الإماهة الديناميكية. وهذا غير مُناسب لاستخدام الملاط في المناطق الباردة. وينتج هذا التأثير المُبطئ عن امتزاز جزيئات إيثر السليلوز على نواتج الإماهة مثل سيليكات الكالسيوم المائية (CSH) وهيدروكسيد الكالسيوم (Ca(OH)2). وبسبب زيادة لزوجة محلول المسام، يُقلل إيثر السليلوز من حركة الأيونات في المحلول، مما يُؤخر عملية الإماهة. وكلما زاد تركيز إيثر السليلوز في مادة الهلام المعدني، ازداد تأثير تأخير الإماهة وضوحًا. لا يُؤخر إيثر السليلوز التصلب فحسب، بل يُؤخر أيضًا عملية تصلب نظام ملاط ​​الأسمنت. ويعتمد تأثير إيثر السليلوز المُبطئ ليس فقط على تركيزه في نظام الهلام المعدني، بل أيضًا على تركيبه الكيميائي. كلما زادت درجة مثيلة HEMC، كان تأثير إيثر السليلوز في إبطاء التفاعل أفضل. وكلما زادت نسبة الاستبدال المحب للماء إلى الاستبدال الذي يزيد من قدرة الماء على الارتباط، كان تأثير الإبطاء أقوى. مع ذلك، فإن لزوجة إيثر السليلوز لا تؤثر بشكل كبير على حركية إماهة الأسمنت.

مع زيادة محتوى إيثر السليلوز، يزداد زمن تصلب الملاط بشكل ملحوظ. توجد علاقة غير خطية جيدة بين زمن التصلب الأولي للملاط ومحتوى إيثر السليلوز، وعلاقة خطية جيدة بين زمن التصلب النهائي ومحتوى إيثر السليلوز. يمكننا التحكم في زمن تصلب الملاط بتغيير كمية إيثر السليلوز.

باختصار، في الملاط الجاهز،إيثر السليلوزيلعب دورًا هامًا في الاحتفاظ بالماء، وزيادة الكثافة، وتأخير عملية إماهة الأسمنت، وتحسين أداء البناء. فالقدرة الجيدة على الاحتفاظ بالماء تُحسّن من اكتمال إماهة الأسمنت، وتُحسّن من لزوجة الملاط الرطب، وتزيد من قوة تماسك الملاط، وتُساعد في ضبط وقت الإماهة. كما أن إضافة إيثر السليلوز إلى الملاط المُرشوش ميكانيكيًا تُحسّن من سهولة الرش أو الضخ، وتُعزز من قوة الملاط الهيكلية. ولذلك، يُستخدم إيثر السليلوز على نطاق واسع كمادة مضافة مهمة في الملاط الجاهز.