Hidroxipropilmetilcel·lulosa (HPMC)és un èter de cel·lulosa no iònic àmpliament utilitzat en materials a base de ciment com ara morters de construcció, adhesius per a rajoles, morters autonivelants i guix de ciment. La seva funció principal és millorar la treballabilitat, la retenció d'aigua i l'estabilitat de la consistència de la mescla. Tanmateix, com a additiu orgànic d'alt pes molecular, l'HPMC també té un impacte significatiu en les reaccions físiques i químiques durant el procés d'hidratació del ciment.
1. Propietats fisicoquímiques de l'HPMC
L'HPMC és un polímer soluble en aigua format a partir de cel·lulosa natural mitjançant una reacció d'eterificació que introdueix grups metoxi i hidroxipropoxi. La seva estructura molecular conté nombrosos enllaços hidroxil i èter, cosa que li permet formar una xarxa estable d'enllaços d'hidrogen amb molècules d'aigua, donant lloc a excel·lents propietats de retenció d'aigua i formació de pel·lícules. La seva solució aquosa presenta característiques de fluid pseudoplàstic, és a dir, la seva viscositat disminueix sota cisallament, cosa que és beneficiosa per a les operacions de construcció. A causa de les seves propietats no iòniques, l'HPMC interactua relativament suaument amb els components iònics del ciment. Tanmateix, a través de l'adsorció física i els efectes d'impediment estèric, encara influeix en el procés d'hidratació de les partícules de ciment.
2. La influència de l'HPMC en l'etapa inicial de la hidratació del ciment
En les primeres etapes de la hidratació del ciment, les molècules d'HPMC es poden adsorbir a la superfície de les partícules de ciment, formant una pel·lícula polimèrica. Aquesta pel·lícula dificulta la penetració de l'aigua a les partícules de ciment, retardant la dissolució del C₃S (silicat tricàlcic) i del C₃A (aluminat tricàlcic). Els estudis han demostrat que l'addició d'HPMC retarda significativament el període d'inducció del ciment, desplaçant el pic exotèrmic del sistema més tard, cosa que provoca una disminució de la taxa d'hidratació.
Aquest efecte retardador prové principalment de dos aspectes:
Impediment físic: la pel·lícula HPMC inhibeix la difusió de l'aigua i l'intercanvi iònic, reduint la formació de nuclis d'hidratació primerenca.
Efecte de competència per l'absorció d'aigua: l'HPMC té una forta capacitat d'absorció d'aigua, competint amb el ciment per l'aigua lliure del sistema, cosa que comporta una relació aigua-ciment efectiva relativament baixa, alentint així la velocitat de reacció d'hidratació.
Per tant, en sistemes de morters que contenen HPMC, els temps d'enduriment inicial i final generalment es prolongen, però això és beneficiós per millorar la treballabilitat.
3. La influència de l'HPMC en els productes d'hidratació del ciment
Tot i que l'HPMC inicialment inhibeix la reacció d'hidratació, el seu efecte retardador no destrueix el grau final d'hidratació del ciment. Amb el temps, l'HPMC es dissol o es dispersa gradualment en un ambient alcalí, alterant la capa de recobriment i permetent que la hidratació del ciment continuï.
Durant la hidratació posterior, les estructures de productes com el silicat de calci hidratat (gel CSH) i l'hidròxid de calci (CH4) generats al sistema tendeixen a densificar-se i la porositat disminueix. L'efecte de retenció d'aigua de l'HPMC garanteix la continuïtat de la hidratació en un ambient sec, promovent així la reacció d'hidratació completa i reduint la formació d'esquerdes per retracció per assecat. Alguns estudis també indiquen que l'HPMC pot promoure la formació uniforme de CSH regulant la migració d'ions i el pH local, augmentant així la densitat de la capa interfacial.
4. Efectes de l'HPMC sobre la microestructura i les propietats mecàniques
La presència d'HPMC altera significativament la microestructura de la pasta de ciment. La seva xarxa de polímers tridimensional ajuda a retenir la humitat durant l'enduriment, donant lloc a una distribució més uniforme dels productes d'hidratació i una estructura de porus més fina. Les observacions de microscòpia electrònica de rastreig (SEM) mostren que la pasta de ciment amb HPMC afegida té menys porus superficials i una distribució de gel CSH més densa.
Tanmateix, les propietats orgàniques de l'HPMC també poden debilitar la resistència inicial del cos endurit fins a cert punt. Això es deu al fet que, en la fase inicial, algunes zones no estan completament hidratades i el retard en l'enduriment alenteix la velocitat de formació de la resistència. Tanmateix, a mesura que la reacció d'hidratació continua, la resistència es recupera i fins i tot millora lleugerament més tard. Aquest patró d'"inhibició primerenca, millora posterior" és particularment pronunciat en sistemes d'HPMC de baixa dosi (<0,5%).
5. Equilibri entre la dosi i els efectes de l'HPMC
La dosi d'HPMC és un factor clau que afecta la seva eficàcia. Generalment, quan la dosi d'HPMC és del 0,1% al 0,5% de la massa de ciment, pot millorar significativament la retenció d'aigua i la treballabilitat sense inhibir excessivament el procés d'hidratació. Una dosi excessiva pot provocar un retard prolongat en la reacció d'hidratació, una major porositat de la pasta de ciment i, en última instància, un impacte negatiu en les propietats mecàniques.
El grau de substitució (DS), el grau de viscositat i el pes molecular de l'HPMC també afecten el comportament d'hidratació. L'HPMC d'alta viscositat i alt grau de substitució té efectes d'adsorció i barrera més forts, cosa que resulta en un retard més significatiu en la hidratació; mentre que l'HPMC de baixa viscositat pot equilibrar la treballabilitat i el rendiment d'enduriment.
L'HPMC juga un doble paper en el procés d'hidratació dels materials a base de ciment:
Fase inicial: Retarda la reacció d'hidratació de les partícules de ciment mitjançant l'adsorció, la formació de pel·lícules i l'absorció d'aigua, allargant el temps d'enduriment.
Etapa mitjana-tarda: Promou la hidratació contínua mitjançant la retenció d'aigua i la regulació interfacial, millorant la densitat estructural i l'estabilitat del volum.
Dosi adequada i estructura molecular adequada deHPMCno només pot millorar la treballabilitat, sinó que també pot optimitzar la microestructura i el rendiment a llarg termini de la pasta de ciment fins a cert punt. Per tant, en enginyeria de la construcció, el control científic del tipus i la dosi de HPMC és la clau per aconseguir un equilibri i una optimització del rendiment dels materials a base de ciment.
Data de publicació: 06 de novembre de 2025