Благодаря непрерывному прогрессу отрасли и совершенствованию технологий, а также внедрению и усовершенствованию зарубежных машин для распыления раствора, технология механического распыления и штукатурки в нашей стране в последние годы значительно развилась. Раствор, распыляемый механическим способом, отличается от обычного раствора тем, что требует высокой водоудерживающей способности, подходящей текучести и определенной устойчивости к провисанию. Обычно в раствор добавляют гидроксипропилметилцеллюлозу, из которых наиболее широко используется эфир целлюлозы (ГПМЦ). Основные функции гидроксипропилметилцеллюлозы (ГПМЦ) в растворе: загущение и повышение вязкости, регулирование реологии и отличная водоудерживающая способность. Однако нельзя игнорировать и недостатки ГПМЦ. ГПМЦ обладает воздухововлекающим эффектом, что приводит к большему количеству внутренних дефектов и серьезно снижает механические свойства раствора. Компания Shandong Chenbang Fine Chemical Co., Ltd. провела макроскопическое исследование влияния HPMC на водоудерживающую способность, плотность, содержание воздуха и механические свойства строительного раствора, а также микроскопическое исследование влияния гидроксипропилметилцеллюлозы (HPMC) на L-структуру строительного раствора.
1. Тест
1.1 Сырье
Цемент: имеющийся в продаже цемент P.0 42.5, его прочность на изгиб и сжатие через 28 дней составляет 6,9 и 48,2 МПа соответственно; песок: мелкий речной песок Чэнде, 40-100 меш; эфир целлюлозы: гидроксипропилметилцеллюлозный эфир производства Shandong Chenbang Fine Chemical Co., Ltd., белый порошок, номинальная вязкость 40, 100, 150, 200 Па·с; вода: чистая водопроводная вода.
1.2 Метод испытания
Согласно JGJ/T 105-2011 «Строительные нормы для механического распыления и штукатурки», консистенция раствора составляет 80-120 мм, а водоудерживающая способность — более 90%. В данном эксперименте соотношение извести и песка было установлено на уровне 1:5, консистенция контролировалась на уровне (93+2) мм, а целлюлозный эфир добавлялся извне, при этом количество добавки определялось исходя из массы цемента. Основные свойства раствора, такие как влажная плотность, содержание воздуха, водоудерживающая способность и консистенция, проверялись в соответствии с JGJ 70-2009 «Методы испытания основных свойств строительного раствора», а содержание воздуха определялось и рассчитывалось по методу плотности. Подготовка образцов, испытания на изгиб и сжатие проводились в соответствии с GB/T 17671-1999 «Методы испытания прочности цементного раствора с песком (метод ISO)». Диаметр личинок измеряли методом ртутной порометрии. Модель ртутного порометра — AUTOPORE 9500, диапазон измерения — 5,5 нм–360 мкм. Всего было проведено 4 серии испытаний. Соотношение цемента и песка составляло 1:5, вязкость HPMC — 100 Па·с, а дозировка — 0, 0,1%, 0,2%, 0,3% (обозначения A, B, C, D соответственно).
2. Результаты и анализ
2.1 Влияние HPMC на водоудерживающую способность цементного раствора
Водоудерживающая способность относится к способности раствора удерживать воду. В растворе, наносимом машинным способом, добавление эфира целлюлозы может эффективно удерживать воду, снижать скорость водоотделения и обеспечивать полное увлажнение цементных материалов. Влияние HPMC на водоудерживающую способность раствора.
С увеличением содержания ГПМЦ водоудерживающая способность раствора постепенно возрастает. Кривые для гидроксипропилметилцеллюлозного эфира с вязкостью 100, 150 и 200 Па·с в основном одинаковы. При содержании 0,05%-0,15% водоудерживающая способность линейно возрастает, а при содержании 0,15% водоудерживающая способность превышает 93%. Когда количество гранул превышает 0,20%, тенденция роста водоудерживающей способности становится плоской, что указывает на приближение количества ГПМЦ к насыщению. Кривая влияния количества ГПМЦ с вязкостью 40 Па·с на водоудерживающую способность представляет собой приблизительно прямую линию. При содержании более 0,15% водоудерживающая способность раствора значительно ниже, чем у трех других видов ГПМЦ с той же вязкостью. Принято считать, что механизм удержания воды эфиром целлюлозы заключается в следующем: гидроксильная группа в молекуле эфира целлюлозы и атом кислорода в эфирной связи связываются с молекулой воды, образуя водородную связь, в результате чего свободная вода становится связанной, обеспечивая тем самым хорошее удержание воды. Также считается, что взаимная диффузия между молекулами воды и молекулярными цепями эфира целлюлозы позволяет молекулам воды проникать внутрь макромолекулярных цепей эфира целлюлозы и подвергаться сильным связывающим силам, тем самым улучшая удержание воды в цементном растворе. Отличное удержание воды обеспечивает однородность раствора, предотвращает его расслоение и обеспечивает хорошее перемешивание, одновременно снижая механический износ и увеличивая срок службы распылительной машины для раствора.
2.2 Влияние гидроксипропилметилцеллюлозы (ГПМЦ) на плотность и содержание воздуха в цементном растворе
При содержании HPMC 0-0,20% плотность раствора резко снижается с увеличением его количества, с 2050 кг/м³ до примерно 1650 кг/м³, что примерно на 20% меньше; при содержании HPMC более 0,20% плотность снижается. Сравнивая 4 вида HPMC с различной вязкостью, можно заметить, что чем выше вязкость, тем ниже плотность раствора; кривые плотности растворов со смешанной вязкостью HPMC 150 и 200 Па·с в основном совпадают, что указывает на то, что по мере дальнейшего увеличения вязкости HPMC плотность перестает снижаться.
Закон изменения содержания воздуха в растворе противоположен закону изменения плотности раствора. При содержании гидроксипропилметилцеллюлозы (ГПМЦ) 0-0,20% содержание воздуха в растворе увеличивается почти линейно; при содержании ГПМЦ выше 0,20% содержание воздуха практически не изменяется, что указывает на приближение воздухововлекающего эффекта раствора к насыщению. Воздухововлекающий эффект ГПМЦ с вязкостью 150 и 200 Па·с выше, чем у ГПМЦ с вязкостью 40 и 100 Па·с.
Воздухововлекающий эффект эфира целлюлозы в основном определяется его молекулярной структурой. Эфир целлюлозы содержит как гидрофильные группы (гидроксильные, эфирные), так и гидрофобные группы (метильные, глюкозные кольца) и является поверхностно-активным веществом. Он обладает поверхностной активностью, тем самым оказывая воздухововлекающее действие. С одной стороны, вводимый газ может действовать как шарикоподшипник в растворе, улучшая его рабочие характеристики, увеличивая объем и производительность, что выгодно производителю. Но с другой стороны, воздухововлекающий эффект увеличивает содержание воздуха в растворе и пористость после затвердевания, что приводит к увеличению количества вредных пор и значительному снижению механических свойств. Хотя HPMC обладает определенным воздухововлекающим эффектом, он не может заменить воздухововлекающую добавку. Кроме того, при одновременном использовании HPMC и воздухововлекающей добавки воздухововлекающая добавка может оказаться неэффективной.
2.3 Влияние HPMC на механические свойства цементного раствора
При содержании HPMC всего 0,05% прочность раствора на изгиб значительно снижается, примерно на 25% ниже, чем у контрольного образца без гидроксипропилметилцеллюлозы (HPMC), а прочность на сжатие достигает лишь 65% от прочности контрольного образца (80%). При содержании HPMC более 0,20% снижение прочности на изгиб и прочности на сжатие раствора не столь заметно. Вязкость HPMC мало влияет на механические свойства раствора. HPMC образует множество мельчайших пузырьков воздуха, и воздухововлекающий эффект увеличивает внутреннюю пористость и количество вредных пор в растворе, что приводит к значительному снижению прочности на сжатие и изгиб. Другой причиной снижения прочности раствора является водоудерживающий эффект эфира целлюлозы, который удерживает воду в затвердевшем растворе, а большое водосвязующее приводит к снижению прочности испытательного блока. В случае механических строительных растворов, хотя эфир целлюлозы может значительно повысить водоудерживающую способность раствора и улучшить его удобоукладываемость, слишком большая дозировка серьезно повлияет на механические свойства раствора, поэтому соотношение между ними следует выбирать разумно.
С увеличением содержания гидроксипропилметилцеллюлозы (ГПМЦ) коэффициент складывания раствора демонстрировал общую тенденцию к увеличению, которая в основном носила линейный характер. Это объясняется тем, что добавление эфира целлюлозы приводит к образованию большого количества пузырьков воздуха, что вызывает больше дефектов внутри раствора, и прочность на сжатие раствора резко снижается, хотя прочность на изгиб также в некоторой степени уменьшается; однако эфир целлюлозы может улучшить гибкость раствора, что благоприятно сказывается на прочности на изгиб и замедляет темпы снижения. В целом, комбинированный эффект этих двух факторов приводит к увеличению коэффициента складывания.
2.4 Влияние HPMC на диаметр L раствора
Из кривой распределения размеров пор, данных о распределении размеров пор и различных статистических параметров образцов AD видно, что HPMC оказывает большое влияние на пористую структуру цементного раствора:
(1) После добавления HPMC размер пор цементного раствора значительно увеличивается. На кривой распределения размеров пор площадь изображения смещается вправо, а значение пор, соответствующее пиковому значению, становится больше. После добавления HPMC медианный диаметр пор цементного раствора значительно больше, чем у контрольного образца, а медианный диаметр пор образца с 0,3% дозировкой увеличивается на 2 порядка по сравнению с контрольным образцом.
(2) Разделим поры в бетоне на четыре типа: безвредные поры (≤20 нм), менее вредные поры (20-100 нм), вредные поры (100-200 нм) и множество вредных пор (≥200 нм). Из таблицы 1 видно, что количество безвредных или менее вредных пор значительно уменьшается после добавления HPMC, а количество вредных или более вредных пор увеличивается. Количество безвредных или менее вредных пор в образцах без HPMC составляет около 49,4%. После добавления HPMC количество безвредных или менее вредных пор значительно уменьшается. Например, при дозировке 0,1% количество безвредных или менее вредных пор уменьшается примерно на 45%, а количество вредных пор размером более 10 мкм увеличивается примерно в 9 раз.
(3) Медианный диаметр пор, средний диаметр пор, удельный объем пор и удельная площадь поверхности не следуют строгому правилу изменения с увеличением содержания гидроксипропилметилцеллюлозы (ГПМЦ), что может быть связано с выбором образца при ртутном инжекционном тесте, связанным с большой дисперсией. Но в целом, медианный диаметр пор, средний диаметр пор и удельный объем пор образца, смешанного с ГПМЦ, имеют тенденцию к увеличению по сравнению с контрольным образцом, в то время как удельная площадь поверхности уменьшается.
Дата публикации: 03.04.2023