Десульфурированный гипс — это дымовые газы, образующиеся при сжигании серосодержащих топлив (угля, нефти), промышленных твердых отходов, образующихся в процессе десульфуризации, и полугидрат гипса (химическая формула CaSO4·0,5H2O), по своим характеристикам сопоставимые с природным строительным гипсом. Поэтому все больше исследований и применений посвящено использованию десульфурированного гипса вместо природного гипса для производства самовыравнивающихся материалов. Органические полимерные добавки, такие как водоредуцирующие, водоудерживающие и замедлительные агенты, являются важными функциональными компонентами в составе самовыравнивающихся растворов. Взаимодействие и механизм действия этих добавок с цементными материалами заслуживают особого внимания. Из-за особенностей процесса образования, тонкость помола обессеренного гипса невелика (размер частиц в основном находится в диапазоне от 40 до 60 мкм), а гранулометрический состав порошка нерационален, поэтому реологические свойства обессеренного гипса плохие, и приготовленные из него растворы часто склонны к расслоению, расслоению и водоотделению. Эфир целлюлозы является наиболее часто используемой добавкой в растворах, и его совместное использование с водоредуцирующим агентом является важной гарантией реализации комплексных характеристик самовыравнивающихся материалов на основе обессеренного гипса, таких как строительные характеристики, а впоследствии и механические свойства и долговечность.
В данной работе в качестве контрольного показателя используется значение текучести (степень растекаемости 145 мм ± 5 мм). Основное внимание уделяется влиянию содержания эфира целлюлозы и молекулярной массы (значения вязкости) на водопотребление самовыравнивающихся материалов на основе обессеренного гипса, потере текучести с течением времени, а также закономерностям коагуляции и влиянию на основные свойства, такие как время и начальные механические свойства. Одновременно исследуется закономерность влияния эфира целлюлозы на тепловыделение и скорость тепловыделения при гидратации обессеренного гипса, анализируется его влияние на процесс гидратации обессеренного гипса и обсуждается совместимость данного типа добавок с гелеобразующей системой обессеренного гипса.
1. Сырье и методы испытаний
1.1 Сырье
Гипсовый порошок: обессеренный гипсовый порошок, производимый компанией в Таншане, основной минеральный состав – полугидрат гипса, его химический состав показан в таблице 1, а физические свойства – в таблице 2.
картина
картина
В состав добавок входят: эфир целлюлозы (гидроксипропилметилцеллюлоза, сокращенно HPMC); суперпластификатор WR; пеногаситель B-1; редиспергируемый латексный порошок EVA S-05, все из которых имеются в продаже.
Заполнитель: природный речной песок, мелкозернистый песок собственного производства, просеянный через сито с размером ячейки 0,6 мм.
1.2 Метод испытания
Фиксированное соотношение десульфурирующего гипса: песок: вода = 1:0,5:0,45, соответствующее количество других добавок, текучесть в качестве контрольного показателя (расширение 145 мм ± 5 мм), путем регулирования водопотребления, соответственно смешивают с цементирующими материалами (десульфурирующий гипс + цемент) 0, 0,5‰, 1,0‰, 2,0‰, 3,0‰ эфира целлюлозы (ГПМЦ-20,000); Дополнительно фиксируется дозировка эфира целлюлозы на уровне 1‰, выбираются эфиры гидроксипропилметилцеллюлозы HPMC-20000, HPMC-40000, HPMC-75000 и HPMC-100000 с различной молекулярной массой (соответствующие числа H2, H4, H7.5 и H10 соответственно), чтобы изучить влияние дозировки и молекулярной массы (значения вязкости) эфира целлюлозы на свойства самовыравнивающегося раствора на основе гипса, а также влияние этих факторов на текучесть, время схватывания и ранние механические свойства смеси самовыравнивающегося раствора на основе обессеренного гипса. Конкретный метод испытаний проводится в соответствии с требованиями GB/T 17669.3-1999 «Определение механических свойств строительного гипса».
Испытание на теплоту гидратации проводится с использованием контрольного образца десульфурированного гипса и образцов с содержанием эфира целлюлозы 0,5‰ и 3‰ соответственно, а в качестве прибора используется тестер теплоты гидратации типа TA-AIR.
2. Результаты и анализ
2.1 Влияние содержания эфира целлюлозы на основные свойства строительного раствора
С увеличением содержания целлюлозного эфира значительно улучшаются удобоукладываемость и сцепление раствора, значительно снижается потеря текучести со временем, повышаются эксплуатационные характеристики, в затвердевшем растворе не наблюдается расслоения, а также значительно улучшается гладкость, ровность и эстетика поверхности. В то же время значительно увеличивается расход воды для достижения той же текучести раствора. При содержании 5‰ расход воды увеличился на 102%, а время схватывания увеличилось на 100 минут, что в 2,5 раза больше, чем у контрольного образца. Ранние механические свойства раствора значительно снижаются с увеличением содержания целлюлозного эфира. При содержании целлюлозного эфира 5‰ прочность на изгиб и прочность на сжатие через 24 часа снизились до 18,75% и 11,29% от контрольного образца соответственно. Прочность на сжатие составила 39,47% и 23,45% от контрольного образца соответственно. Стоит отметить, что с увеличением количества водоудерживающего агента насыпная плотность раствора также значительно снижалась: с 2069 кг/м³ при 0 до 1747 кг/м³ при 5‰, что составляет снижение на 15,56%. Плотность раствора уменьшается, а пористость увеличивается, что является одной из причин заметного снижения механических свойств раствора.
Эфир целлюлозы — неионогенный полимер. Гидроксильные группы в цепи эфира целлюлозы и атомы кислорода в эфирной связи могут соединяться с молекулами воды, образуя водородные связи, превращая свободную воду в связанную, тем самым играя роль в удержании воды. Макроскопически это проявляется как увеличение когезии суспензии [5]. Увеличение вязкости суспензии не только увеличивает расход воды, но и растворенный эфир целлюлозы адсорбируется на поверхности частиц гипса, препятствуя реакции гидратации и продлевая время схватывания; в процессе перемешивания также образуется большое количество пузырьков воздуха. По мере затвердевания раствора образуются пустоты, что в конечном итоге снижает прочность раствора. С учетом одностороннего расхода воды в растворной смеси, строительных характеристик, времени схватывания и механических свойств, а также последующей долговечности и т. д., содержание эфира целлюлозы в самовыравнивающемся растворе на основе обессеренного гипса не должно превышать 1‰.
2.2 Влияние молекулярной массы эфира целлюлозы на характеристики строительного раствора
Как правило, чем выше вязкость и мельче помол эфира целлюлозы, тем лучше водоудержание и повышается прочность сцепления. Однако это негативно сказывается на эксплуатационных характеристиках. Поэтому было проведено дальнейшее исследование влияния эфиров целлюлозы различной молекулярной массы на основные свойства самовыравнивающихся растворов на основе гипса. Потребность раствора в воде увеличилась в определенной степени, но это не оказало заметного влияния на время схватывания и текучесть. В то же время прочность на изгиб и сжатие раствора в разных состояниях показала тенденцию к снижению, но это снижение было значительно меньше, чем влияние содержания эфира целлюлозы на механические свойства. В целом, увеличение молекулярной массы эфира целлюлозы не оказывает заметного влияния на характеристики растворных смесей. С учетом удобства строительства, в качестве самовыравнивающихся материалов на основе десульфурированного гипса следует выбирать эфир целлюлозы с низкой вязкостью и малой молекулярной массой.
2.3 Влияние эфира целлюлозы на теплоту гидратации обессеренного гипса
С увеличением содержания эфира целлюлозы экзотермический пик гидратации обессеренного гипса постепенно уменьшался, а время достижения пикового положения немного смещалось, при этом экзотермическая теплота гидратации снижалась, но не существенно. Это показывает, что эфир целлюлозы может в определенной степени замедлять скорость и степень гидратации обессеренного гипса, поэтому дозировка не должна быть слишком большой и должна контролироваться в пределах 1‰. Видно, что коллоидная пленка, образующаяся после контакта эфира целлюлозы с водой, адсорбируется на поверхности частиц обессеренного гипса, что снижает скорость гидратации гипса до 2 часов. В то же время его уникальные водоудерживающие и загущающие свойства замедляют испарение воды из суспензии и способствуют дальнейшей гидратации обессеренного гипса на более поздней стадии. В заключение, при правильном дозировании эфир целлюлозы оказывает ограниченное влияние на скорость и степень гидратации самого обессеренного гипса. В то же время, увеличение содержания эфира целлюлозы и его молекулярной массы значительно повышает вязкость суспензии и демонстрирует отличные водоудерживающие свойства. Для обеспечения текучести самовыравнивающегося раствора из обессеренного гипса значительно увеличивается расход воды, что обусловлено увеличением времени схватывания раствора и является основной причиной снижения механических свойств.
3. Заключение
(1) При использовании текучести в качестве контрольного показателя, с увеличением содержания эфира целлюлозы время схватывания самовыравнивающегося раствора на основе обессеренного гипса значительно увеличивается, а механические свойства значительно ухудшаются; по сравнению с содержанием, увеличение молекулярной массы эфира целлюлозы оказывает незначительное влияние на вышеуказанные свойства раствора. В целом, следует выбирать эфир целлюлозы с малой молекулярной массой (значение вязкости ниже 20 000 Па·с), а дозировку следует контролировать в пределах 1‰ от цементного материала.
(2) Результаты испытаний теплоты гидратации обессеренного гипса показывают, что в рамках данного испытания эфир целлюлозы оказывает ограниченное влияние на скорость и процесс гидратации обессеренного гипса. Увеличение расхода воды и снижение насыпной плотности являются основными причинами снижения механических свойств раствора на основе обессеренного гипса.
Дата публикации: 08 мая 2023 г.