Entschwefelungsgips entsteht als Rauchgas bei der Verbrennung schwefelhaltiger Brennstoffe (Kohle, Erdöl) und als industrieller Feststoffabfall aus dem Entschwefelungsprozess. Er ist außerdem Halbhydratgips (chemische Formel CaSO₄ · 0,5H₂O) und weist vergleichbare Eigenschaften wie natürlicher Baugips auf. Daher wird die Verwendung von entschwefeltem Gips anstelle von Naturgips zur Herstellung von selbstnivellierenden Materialien zunehmend erforscht und angewendet. Organische Polymerzusätze wie Fließmittel, Wasserrückhaltemittel und Verzögerer sind wesentliche Funktionskomponenten in selbstnivellierenden Mörteln. Die Wechselwirkung und der Wirkmechanismus dieser Zusätze mit zementären Materialien sind daher wichtige Forschungsfragen. Aufgrund der Eigenschaften des Herstellungsverfahrens weist entschwefeltes Gipspulver eine geringe Feinheit auf (die Partikelgröße liegt hauptsächlich zwischen 40 und 60 μm), und die Pulververteilung ist ungleichmäßig. Daher sind die rheologischen Eigenschaften von entschwefeltem Gipspulver schlecht, und der daraus hergestellte Mörtel neigt häufig zu Entmischung, Schichtung und Ausbluten. Celluloseether ist das am häufigsten verwendete Zusatzmittel in Mörtel, und seine kombinierte Anwendung mit einem Verflüssiger ist eine wichtige Voraussetzung für die Erzielung der Gesamtleistung von selbstnivellierenden Baustoffen auf Basis von entschwefeltem Gips, wie z. B. die Bauleistung sowie die späteren mechanischen Eigenschaften und die Dauerhaftigkeit.
In dieser Arbeit wird der Fließfähigkeitswert (Ausbreitgrad 145 mm ± 5 mm) als Kontrollindex verwendet. Der Fokus liegt auf dem Einfluss des Celluloseethergehalts und des Molekulargewichts (Viskositätswert) auf den Wasserverbrauch von selbstnivellierenden Materialien auf Basis von entschwefeltem Gips, dem Fließfähigkeitsverlust im Zeitverlauf und dem Einfluss grundlegender Eigenschaften wie Zeit und frühen mechanischen Eigenschaften auf die Koagulation. Gleichzeitig wird der Einfluss von Celluloseether auf die Wärmefreisetzung und die Wärmefreisetzungsrate bei der Hydratation von entschwefeltem Gips untersucht, sein Einfluss auf den Hydratationsprozess analysiert und die Kompatibilität dieser Art von Zusatzstoff mit dem Gelierungssystem von entschwefeltem Gips erstmals diskutiert.
1. Rohstoffe und Prüfmethoden
1.1 Rohstoffe
Gipspulver: Entschwefeltes Gipspulver, hergestellt von einem Unternehmen in Tangshan. Die Hauptmineralzusammensetzung ist Halbhydratgips. Die chemische Zusammensetzung ist in Tabelle 1 und die physikalischen Eigenschaften in Tabelle 2 dargestellt.
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Zu den Zusatzmitteln gehören: Celluloseether (Hydroxypropylmethylcellulose, kurz HPMC); Superplastifizierer WR; Entschäumer B-1; EVA-Redispergierbares Latexpulver S-05, die alle im Handel erhältlich sind.
Zuschlagstoffe: natürlicher Flusssand, selbst hergestellter Feinsand, gesiebt durch ein 0,6 mm Sieb.
1.2 Prüfverfahren
Festes Entschwefelungsgips: Sand: Wasser = 1:0,5:0,45, entsprechende Menge anderer Zusatzmittel, Fließfähigkeit als Kontrollindex (Expansion 145 mm ± 5 mm), durch Anpassung des Wasserverbrauchs, jeweils gemischt mit zementären Materialien (Entschwefelungsgips + Zement) 0, 0,5‰, 1,0‰, 2,0‰, 3,0‰ Celluloseether (HPMC-20.000); Um die Dosierung von Celluloseether auf 1 ‰ festzulegen, wurden HPMC-20.000, HPMC-40.000, HPMC-75.000 und HPMC-100.000 Hydroxypropylmethylcelluloseether mit unterschiedlichen Molekulargewichten (entsprechende Nummern: H2, H4, H7,5 bzw. H10) ausgewählt, um den Einfluss der Dosierung und des Molekulargewichts (Viskositätswert) von Celluloseether auf die Eigenschaften von selbstnivellierendem Gipsmörtel zu untersuchen. Dabei wurden die Auswirkungen der Änderungen auf die Fließfähigkeit, die Abbindezeit und die frühen mechanischen Eigenschaften der entschwefelten Gipsmörtelmischung diskutiert. Die spezifische Prüfmethode wurde gemäß den Anforderungen der Norm GB/T 17669.3-1999 „Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Baugips“ durchgeführt.
Der Hydratationswärmetest wird mit einer Blindprobe aus entschwefeltem Gips und Proben mit einem Celluloseethergehalt von 0,5‰ bzw. 3‰ durchgeführt. Als Messgerät wird ein Hydratationswärmetester vom Typ TA-AIR verwendet.
2. Ergebnisse und Analyse
2.1 Einfluss des Celluloseethergehalts auf die grundlegenden Eigenschaften des Mörtels
Mit steigendem Gehalt verbessern sich die Verarbeitbarkeit und der Zusammenhalt des Mörtels deutlich, der Fließfähigkeitsverlust im Laufe der Zeit wird signifikant reduziert, die Bauleistung ist hervorragend, der erhärtete Mörtel zeigt keine Delamination, und die Oberflächenglätte sowie die Ästhetik sind deutlich verbessert. Gleichzeitig steigt der Wasserverbrauch des Mörtels zur Erzielung der gleichen Fließfähigkeit signifikant an. Bei 5 ‰ erhöht sich der Wasserverbrauch um 102 %, und die Endbindezeit verlängert sich um 100 Minuten, was dem 2,5-Fachen derjenigen der Vergleichsprobe entspricht. Die frühen mechanischen Eigenschaften des Mörtels verschlechtern sich mit steigendem Celluloseethergehalt signifikant. Bei einem Celluloseethergehalt von 5 ‰ sinken die Biegefestigkeit und die Druckfestigkeit nach 24 Stunden auf 18,75 % bzw. 11,29 % der Werte der Vergleichsprobe. Die Druckfestigkeit beträgt 39,47 % bzw. 23,45 % der Werte der Vergleichsprobe. Es ist bemerkenswert, dass mit zunehmender Menge an Wasserrückhaltemittel auch die Rohdichte des Mörtels deutlich abnahm, von 2069 kg/m³ bei 0 ‰ auf 1747 kg/m³ bei 5 ‰, was einer Abnahme von 15,56 % entspricht. Die sinkende Dichte und die erhöhte Porosität des Mörtels sind einer der Gründe für die deutliche Verschlechterung seiner mechanischen Eigenschaften.
Celluloseether ist ein nichtionisches Polymer. Die Hydroxylgruppen der Celluloseetherkette und die Sauerstoffatome der Etherbindung können mit Wassermolekülen Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden und so freies Wasser in gebundenes Wasser umwandeln. Dies trägt zur Wasserretention bei. Makroskopisch äußert sich dies in einer erhöhten Kohäsion der Suspension [5]. Die erhöhte Viskosität der Suspension führt nicht nur zu einem höheren Wasserverbrauch, sondern auch zur Adsorption des gelösten Celluloseethers an der Oberfläche der Gipspartikel. Dies behindert die Hydratationsreaktion und verlängert die Abbindezeit. Beim Rühren entstehen zudem zahlreiche Luftblasen. Beim Aushärten des Mörtels bilden sich Hohlräume, die letztendlich die Festigkeit des Mörtels verringern. Unter Berücksichtigung des Wasserverbrauchs der Mörtelmischung, der Bauleistung, der Abbindezeit, der mechanischen Eigenschaften und der späteren Dauerhaftigkeit sollte der Celluloseethergehalt in selbstnivellierendem Mörtel auf Basis von entschwefeltem Gips 1 ‰ nicht überschreiten.
2.2 Der Einfluss des Molekulargewichts von Celluloseether auf die Eigenschaften des Mörtels
Im Allgemeinen gilt: Je höher die Viskosität und je feiner die Partikelgröße von Celluloseether ist, desto besser sind Wasserrückhaltevermögen und Haftfestigkeit. Die Eigenschaften von selbstnivellierenden Mörteln auf Gipsbasis werden jedoch negativ beeinflusst. Daher wurde der Einfluss von Celluloseethern unterschiedlicher Molekulargewichte auf die Grundeigenschaften dieser Mörtel weiter untersucht. Der Wasserbedarf des Mörtels stieg zwar an, hatte aber keinen nennenswerten Einfluss auf Abbindezeit und Fließfähigkeit. Gleichzeitig zeigten die Biege- und Druckfestigkeiten des Mörtels in verschiedenen Zuständen einen abnehmenden Trend, der jedoch deutlich geringer war als der Einfluss des Celluloseethergehalts auf die mechanischen Eigenschaften. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Erhöhung des Molekulargewichts von Celluloseether keinen signifikanten Einfluss auf die Eigenschaften von Mörtelmischungen hat. Aus Gründen der praktischen Anwendung sollten niedrigviskose Celluloseether mit niedrigem Molekulargewicht als selbstnivellierende Mörtel auf Basis von entschwefeltem Gips verwendet werden.
2.3 Einfluss von Celluloseether auf die Hydratationswärme von entschwefeltem Gips
Mit steigendem Celluloseethergehalt nahm der exotherme Hydratationspeak des entschwefelten Gipses allmählich ab, und der Zeitpunkt des Peaks verzögerte sich leicht. Die exotherme Hydratationswärme sank ebenfalls, jedoch nicht signifikant. Dies zeigt, dass Celluloseether die Hydratationsgeschwindigkeit und den Hydratationsgrad von entschwefeltem Gips bis zu einem gewissen Grad verzögern kann. Daher sollte die Dosierung nicht zu hoch sein und innerhalb von 1 ‰ liegen. Der nach dem Kontakt von Celluloseether mit Wasser entstehende kolloidale Film adsorbiert an der Oberfläche der entschwefelten Gipspartikel und reduziert so die Hydratationsgeschwindigkeit des Gipses in den ersten zwei Stunden. Gleichzeitig verzögern seine einzigartigen wasserbindenden und verdickenden Eigenschaften die Verdunstung des Suspensionswassers und fördern dessen Abbau im späteren Verlauf der Hydratation des entschwefelten Gipses. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Celluloseether bei korrekter Dosierung nur einen geringen Einfluss auf die Hydratationsgeschwindigkeit und den Hydratationsgrad des entschwefelten Gipses hat. Gleichzeitig führt ein Anstieg des Celluloseethergehalts und des Molekulargewichts zu einer deutlichen Erhöhung der Viskosität der Suspension und einer ausgezeichneten Wasserrückhalteleistung. Um die Fließfähigkeit des selbstnivellierenden Mörtels aus entschwefeltem Gips zu gewährleisten, ist ein deutlich erhöhter Wasserverbrauch erforderlich, der auf die verlängerte Abbindezeit des Mörtels zurückzuführen ist. Dies ist der Hauptgrund für die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften.
3. Schlussfolgerung
(1) Bei Verwendung der Fließfähigkeit als Kontrollparameter verlängert sich mit steigendem Celluloseethergehalt die Abbindezeit von selbstnivellierendem Mörtel auf Basis von entschwefeltem Gips deutlich, und die mechanischen Eigenschaften verschlechtern sich erheblich. Im Vergleich zum Gehalt hat die Erhöhung des Molekulargewichts des Celluloseethers nur einen geringen Einfluss auf die genannten Eigenschaften des Mörtels. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Celluloseether mit niedrigem Molekulargewicht (Viskosität unter 20.000 Pa·s) gewählt und die Dosierung innerhalb von 1 ‰ der des Zements gehalten werden sollte.
(2) Die Ergebnisse der Hydratationswärmeprüfung von entschwefeltem Gips zeigen, dass Celluloseether im Rahmen dieser Prüfung nur einen geringen Einfluss auf die Hydratationsgeschwindigkeit und den Hydratationsprozess von entschwefeltem Gips hat. Der erhöhte Wasserverbrauch und die verringerte Rohdichte sind die Hauptgründe für die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften von Mörtel auf Basis von entschwefeltem Gips.
Veröffentlichungsdatum: 08. Mai 2023