Met de voortdurende vooruitgang van de industrie en de verbetering van de technologie, en door de introductie en verbetering van buitenlandse mortelspuitmachines, heeft de mechanische spuit- en pleistertechnologie in ons land de afgelopen jaren een grote ontwikkeling doorgemaakt. Mechanisch gespoten mortel verschilt van gewone mortel, omdat het een hoog waterretentievermogen, een geschikte vloeibaarheid en een zekere mate van anti-doorzakbaarheid vereist. Meestal wordt hydroxypropylmethylcellulose aan de mortel toegevoegd, waarvan cellulose-ether (HPMC) de meest gebruikte variant is. De belangrijkste functies van hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) in mortel zijn: verdikking en viscositeitsverhoging, aanpassing van de reologie en een uitstekend waterretentievermogen. De nadelen van HPMC mogen echter niet worden genegeerd. HPMC heeft een luchtinsluitend effect, wat leidt tot meer interne defecten en een aanzienlijke vermindering van de mechanische eigenschappen van de mortel. Shandong Chenbang Fine Chemical Co., Ltd. onderzocht de invloed van HPMC op het waterretentievermogen, de dichtheid, het luchtgehalte en de mechanische eigenschappen van mortel vanuit macroscopisch perspectief, en onderzocht de invloed van hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) op de L-structuur van de mortel vanuit microscopisch perspectief.
1. Test
1.1 Grondstoffen
Cement: commercieel verkrijgbaar P.0 42.5 cement, met een buigsterkte van 6,9 MPa en een druksterkte van 48,2 MPa na 28 dagen; zand: fijn rivierzand uit Chengde, 40-100 mesh; cellulose-ether: hydroxypropylmethylcellulose-ether, geproduceerd door Shandong Chenbang Fine Chemical Co., Ltd., wit poeder, nominale viscositeit 40, 100, 150, 200 Pa·s; water: schoon leidingwater.
1.2 Testmethode
Volgens JGJ/T 105-2011 “Bouwvoorschriften voor mechanisch spuiten en pleisteren” is de consistentie van de mortel 80-120 mm en het waterretentiepercentage hoger dan 90%. In dit experiment werd de kalk-zandverhouding ingesteld op 1:5, de consistentie gecontroleerd op (93+2) mm, en werd de cellulose-ether extern toegevoegd, waarbij de hoeveelheid werd gebaseerd op de cementmassa. De basiseigenschappen van de mortel, zoals natte dichtheid, luchtgehalte, waterretentie en consistentie, werden getest volgens JGJ 70-2009 “Testmethoden voor basiseigenschappen van bouwmortel”. Het luchtgehalte werd getest en berekend volgens de dichtheidsmethode. De voorbereiding, buig- en druksterkteproeven van de proefstukken werden uitgevoerd volgens GB/T 17671-1999 “Methoden voor het testen van de sterkte van cementmortelzand (ISO-methode)”. De diameter van de larven werd gemeten met behulp van kwikporosimetrie. Het gebruikte kwikporosimetermodel was AUTOPORE 9500, met een meetbereik van 5,5 nm tot 360 μm. In totaal werden 4 sets tests uitgevoerd. De cement-zandverhouding was 1:5, de viscositeit van HPMC was 100 Pa·s, en de dosering was 0, 0,1%, 0,2%, 0,3% (respectievelijk A, B, C, D).
2. Resultaten en analyse
2.1 Effect van HPMC op de waterretentiesnelheid van cementmortel
Waterretentie verwijst naar het vermogen van mortel om water vast te houden. Bij machinaal gespoten mortel kan de toevoeging van cellulose-ether effectief water vasthouden, de bloedingssnelheid verminderen en voldoen aan de eisen van volledige hydratatie van cementgebonden materialen. Effect van HPMC op de waterretentie van mortel.
Met de toename van het HPMC-gehalte neemt het waterretentiepercentage van de mortel geleidelijk toe. De curves voor hydroxypropylmethylcellulose-ether met viscositeiten van 100, 150 en 200 Pa·s zijn in principe gelijk. Bij een gehalte van 0,05% tot 0,15% neemt het waterretentiepercentage lineair toe, en bij een gehalte van 0,15% is het waterretentiepercentage hoger dan 93%. Wanneer de hoeveelheid korrels meer dan 0,20% bedraagt, vlakt de stijgende trend van het waterretentiepercentage af, wat aangeeft dat de hoeveelheid HPMC bijna verzadigd is. De invloedcurve van de hoeveelheid HPMC met een viscositeit van 40 Pa·s op het waterretentiepercentage is nagenoeg een rechte lijn. Bij een hoeveelheid groter dan 0,15% is het waterretentiepercentage van de mortel aanzienlijk lager dan dat van de andere drie soorten HPMC met dezelfde viscositeit. Algemeen wordt aangenomen dat het waterretentiemechanisme van cellulose-ether als volgt werkt: de hydroxylgroep op het cellulose-ethermolecuul en het zuurstofatoom in de etherbinding vormen waterstofbruggen met watermoleculen, waardoor vrij water wordt gebonden en een goede waterretentie wordt bereikt. Men denkt ook dat de interdiffusie tussen watermoleculen en de moleculaire ketens van cellulose-ether ervoor zorgt dat watermoleculen de macromoleculaire ketens van cellulose-ether binnendringen en daar sterke bindingskrachten ondervinden, waardoor de waterretentie van cementmortel verbetert. Een uitstekende waterretentie zorgt ervoor dat de mortel homogeen blijft, minder snel segregeert en een goede mengbaarheid heeft, terwijl tegelijkertijd de mechanische slijtage wordt verminderd en de levensduur van de mortelspuitmachine wordt verlengd.
2.2 Het effect van hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) op de dichtheid en het luchtgehalte van cementmortel
Wanneer de hoeveelheid HPMC tussen 0 en 0,20% ligt, neemt de dichtheid van de mortel sterk af naarmate de hoeveelheid HPMC toeneemt, van 2050 kg/m³ tot ongeveer 1650 kg/m³, wat een daling van ongeveer 20% betekent. Wanneer de hoeveelheid HPMC meer dan 0,20% bedraagt, neemt de dichtheid verder af. Bij vergelijking van de vier soorten HPMC met verschillende viscositeiten blijkt dat hoe hoger de viscositeit, hoe lager de dichtheid van de mortel. De dichtheidscurven van de mortels met gemengde viscositeiten van 150 en 200 Pa·s HPMC overlappen elkaar vrijwel, wat aangeeft dat de dichtheid niet langer afneemt naarmate de viscositeit van HPMC verder toeneemt.
De verandering van het luchtgehalte in mortel verloopt tegengesteld aan de verandering van de dichtheid van de mortel. Wanneer het gehalte aan hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) tussen 0 en 0,20% ligt, neemt het luchtgehalte van de mortel vrijwel lineair toe met een toenemend HPMC-gehalte. Boven de 0,20% HPMC-concentratie verandert het luchtgehalte nauwelijks meer, wat aangeeft dat het luchtinsluitende effect van de mortel bijna verzadigd is. Het luchtinsluitende effect van HPMC met een viscositeit van 150 en 200 Pa·s is groter dan dat van HPMC met een viscositeit van 40 en 100 Pa·s.
Het luchtinsluitende effect van cellulose-ether wordt voornamelijk bepaald door de moleculaire structuur. Cellulose-ether bevat zowel hydrofiele groepen (hydroxyl, ether) als hydrofobe groepen (methyl, glucosering) en is een oppervlakteactieve stof. Het heeft een oppervlakteactieve werking en daardoor een luchtinsluitend effect. Enerzijds kan het ingebrachte gas fungeren als een kogellager in de mortel, waardoor de verwerkbaarheid van de mortel verbetert, het volume toeneemt en de opbrengst stijgt, wat gunstig is voor de fabrikant. Anderzijds verhoogt het luchtinsluitende effect echter het luchtgehalte van de mortel en de porositeit na uitharding, wat leidt tot een toename van schadelijke poriën en een aanzienlijke afname van de mechanische eigenschappen. Hoewel HPMC een zeker luchtinsluitend effect heeft, kan het een luchtinsluitend middel niet vervangen. Bovendien kan het luchtinsluitend middel falen wanneer HPMC en een luchtinsluitend middel tegelijkertijd worden gebruikt.
2.3 Het effect van HPMC op de mechanische eigenschappen van cementmortel
Wanneer de hoeveelheid HPMC slechts 0,05% bedraagt, neemt de buigsterkte van de mortel aanzienlijk af, tot ongeveer 25% lager dan die van het blanco monster zonder hydroxypropylmethylcellulose (HPMC). De druksterkte bereikt slechts 65% van die van het blanco monster, tot zelfs 80%. Bij een HPMC-gehalte van meer dan 0,20% is de afname van de buig- en druksterkte van de mortel minder显著. De viscositeit van HPMC heeft weinig invloed op de mechanische eigenschappen van de mortel. HPMC introduceert veel kleine luchtbelletjes, en het luchtinsluitende effect op de mortel verhoogt de interne porositeit en schadelijke poriën, wat resulteert in een aanzienlijke afname van de druk- en buigsterkte. Een andere reden voor de afname van de mortelsterkte is het waterbindende effect van cellulose-ether, dat water vasthoudt in de uitgeharde mortel. Een hoge water-bindmiddelverhouding leidt tot een afname van de sterkte van het testblok. Bij mechanische constructiemortel kan cellulose-ether weliswaar het waterretentievermogen van de mortel aanzienlijk verhogen en de verwerkbaarheid verbeteren, maar een te hoge dosering kan de mechanische eigenschappen ernstig beïnvloeden. Daarom moet de balans tussen beide zorgvuldig worden afgewogen.
Met de toename van het gehalte aan hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) vertoonde de vouwverhouding van de mortel een algemene stijgende trend, die in principe lineair was. Dit komt doordat de toegevoegde cellulose-ether een groot aantal luchtbellen introduceert, wat leidt tot meer defecten in de mortel en een scherpe daling van de druksterkte van de geleideroosmortel, hoewel de buigsterkte ook tot op zekere hoogte afneemt. De cellulose-ether kan echter de flexibiliteit van de mortel verbeteren, wat gunstig is voor de buigsterkte en de afname van de buigsterkte vertraagt. Al met al leidt het gecombineerde effect van beide tot een toename van de vouwverhouding.
2.4 Het effect van HPMC op de L-diameter van de mortel
Uit de poriegrootteverdelingscurve, de poriegrootteverdelingsgegevens en diverse statistische parameters van de AD-monsters blijkt dat HPMC een grote invloed heeft op de poriestructuur van cementmortel.
(1) Na toevoeging van HPMC neemt de poriegrootte van cementmortel aanzienlijk toe. Op de poriegrootteverdelingscurve verschuift het gebied van de afbeelding naar rechts en wordt de poriewaarde die overeenkomt met de piekwaarde groter. Na toevoeging van HPMC is de mediane poriediameter van de cementmortel aanzienlijk groter dan die van het blanco monster, en de mediane poriediameter van het monster met een dosering van 0,3% is met twee ordes van grootte toegenomen ten opzichte van het blanco monster.
(2) Verdeel de poriën in beton in vier typen, namelijk onschadelijke poriën (≤20 nm), minder schadelijke poriën (20-100 nm), schadelijke poriën (100-200 nm) en zeer schadelijke poriën (≥200 nm). Uit tabel 1 blijkt dat het aantal onschadelijke of minder schadelijke poriën aanzienlijk afneemt na toevoeging van HPMC, terwijl het aantal schadelijke of zeer schadelijke poriën toeneemt. Het percentage onschadelijke of minder schadelijke poriën in de monsters zonder HPMC-toevoeging bedraagt ongeveer 49,4%. Na toevoeging van HPMC neemt het percentage onschadelijke of minder schadelijke poriën aanzienlijk af. Neem bijvoorbeeld een dosering van 0,1%: het percentage onschadelijke of minder schadelijke poriën neemt met ongeveer 45% af, terwijl het aantal schadelijke poriën groter dan 10 µm met ongeveer negen keer toeneemt.
(3) De mediane poriediameter, de gemiddelde poriediameter, het specifieke porievolume en het specifieke oppervlak volgen geen strikte veranderingsregel met de toename van het hydroxypropylmethylcellulose (HPMC)-gehalte, wat mogelijk verband houdt met de monsterselectie in de kwikinjectietest. Over het algemeen nemen de mediane poriediameter, de gemiddelde poriediameter en het specifieke porievolume van het monster gemengd met HPMC echter toe in vergelijking met het blanco monster, terwijl het specifieke oppervlak afneemt.
Geplaatst op: 3 april 2023