การปรับปรุงประสิทธิภาพของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส (HPMC) ในวัสดุซีเมนต์

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีฉนวนกันความร้อนภายนอก ความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีการผลิตเซลลูโลส และคุณลักษณะที่ยอดเยี่ยมของ HPMC เอง ทำให้ HPMC ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการก่อสร้าง

เพื่อศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับกลไกการออกฤทธิ์ระหว่าง HPMC และวัสดุที่มีส่วนประกอบของซีเมนต์ บทความนี้จึงมุ่งเน้นไปที่ผลของการปรับปรุงคุณสมบัติการยึดเกาะของวัสดุที่มีส่วนประกอบของซีเมนต์โดย HPMC

เวลาการแข็งตัวของเลือด

เวลาการแข็งตัวของคอนกรีตส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับเวลาการแข็งตัวของซีเมนต์ และมวลรวมมีอิทธิพลน้อย ดังนั้นจึงสามารถใช้เวลาการแข็งตัวของปูนฉาบแทนเพื่อศึกษาอิทธิพลของ HPMC ต่อเวลาการแข็งตัวของส่วนผสมคอนกรีตที่ไม่กระจายตัวใต้น้ำได้ เนื่องจากเวลาการแข็งตัวของปูนฉาบได้รับผลกระทบจากน้ำ ดังนั้น เพื่อประเมินอิทธิพลของ HPMC ต่อเวลาการแข็งตัวของปูนฉาบ จึงจำเป็นต้องกำหนดอัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์และอัตราส่วนปูนฉาบให้คงที่

จากการทดลองพบว่า การเติม HPMC มีผลชะลอการแข็งตัวของส่วนผสมปูนอย่างเห็นได้ชัด และระยะเวลาการแข็งตัวของปูนจะยาวนานขึ้นเรื่อยๆ ตามปริมาณ HPMC ที่เพิ่มขึ้น ที่ปริมาณ HPMC เท่ากัน ปูนที่ขึ้นรูปใต้น้ำจะแข็งตัวเร็วกว่าปูนที่ขึ้นรูปในอากาศ ระยะเวลาการแข็งตัวของปูนที่ขึ้นรูปในตัวกลางจะนานกว่า เมื่อวัดในน้ำ เปรียบเทียบกับตัวอย่างที่ไม่ได้ผสม HPMC พบว่า ระยะเวลาการแข็งตัวเริ่มต้นจะช้าลง 6-18 ชั่วโมง และระยะเวลาการแข็งตัวสุดท้ายช้าลง 6-22 ชั่วโมง ดังนั้น ควรใช้ HPMC ร่วมกับสารเร่งการแข็งตัว

HPMC เป็นพอลิเมอร์โมเลกุลสูงที่มีโครงสร้างเชิงเส้นระดับมหภาคและมีหมู่ไฮดรอกซิลอยู่ในหมู่ฟังก์ชัน ซึ่งสามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนกับโมเลกุลของน้ำที่ใช้ผสมและเพิ่มความหนืดของน้ำที่ใช้ผสมได้ โซ่โมเลกุลยาวของ HPMC จะดึงดูดซึ่งกันและกัน ทำให้โมเลกุลของ HPMC พันกันเป็นโครงสร้างเครือข่าย ห่อหุ้มซีเมนต์และน้ำที่ใช้ผสมไว้ เนื่องจาก HPMC สร้างโครงสร้างเครือข่ายคล้ายฟิล์มและห่อหุ้มซีเมนต์ จึงช่วยป้องกันการระเหยของน้ำในปูนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และขัดขวางหรือชะลออัตราการไฮเดรชั่นของซีเมนต์

เลือดออก

ปรากฏการณ์การแยกตัวของปูนฉาบคล้ายกับของคอนกรีต ซึ่งจะทำให้มวลรวมทรุดตัวลงอย่างรุนแรง ส่งผลให้อัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์ของชั้นบนสุดของปูนเพิ่มขึ้น ทำให้เกิดการหดตัวแบบพลาสติกอย่างมากของชั้นบนสุดของปูนในระยะแรก และอาจถึงขั้นแตกร้าว ส่งผลให้ความแข็งแรงของชั้นผิวหน้าของปูนลดลงอย่างมาก

เมื่อปริมาณการใช้สูงกว่า 0.5% แทบจะไม่มีปรากฏการณ์การแยกตัวของส่วนผสมเกิดขึ้นเลย เนื่องจากเมื่อผสม HPMC ลงในปูนแล้ว HPMC จะมีโครงสร้างเป็นฟิล์มและเป็นเครือข่าย และการดูดซับหมู่ไฮดรอกซิลบนสายโซ่ยาวของโมเลกุลขนาดใหญ่จะทำให้ซีเมนต์และน้ำที่ใช้ผสมในปูนเกิดการตกตะกอน ทำให้โครงสร้างของปูนมีความเสถียร หลังจากเติม HPMC ลงในปูนแล้ว จะเกิดฟองอากาศขนาดเล็กจำนวนมากขึ้น ฟองอากาศเหล่านี้จะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในปูนและช่วยป้องกันการตกตะกอนของมวลรวม คุณสมบัติทางเทคนิคของ HPMC มีผลอย่างมากต่อวัสดุที่ใช้ซีเมนต์เป็นส่วนประกอบหลัก และมักใช้ในการเตรียมวัสดุผสมซีเมนต์ชนิดใหม่ เช่น ปูนผงแห้งและปูนโพลิเมอร์ ทำให้มีคุณสมบัติในการกักเก็บน้ำและคงความยืดหยุ่นได้ดี

ความต้องการน้ำสำหรับปูนฉาบ

เมื่อปริมาณ HPMC มีน้อย จะมีผลอย่างมากต่อปริมาณน้ำที่ต้องการของปูน ในกรณีที่อัตราการขยายตัวของปูนสดคงที่ ปริมาณ HPMC และปริมาณน้ำที่ต้องการของปูนจะเปลี่ยนแปลงไปในความสัมพันธ์เชิงเส้นภายในช่วงเวลาหนึ่ง โดยปริมาณน้ำที่ต้องการของปูนจะลดลงก่อนแล้วจึงเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด เมื่อปริมาณ HPMC น้อยกว่า 0.025% ปริมาณน้ำที่ต้องการของปูนจะลดลงเมื่อปริมาณเพิ่มขึ้นภายใต้อัตราการขยายตัวเดียวกัน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเมื่อปริมาณ HPMC มีน้อย จะมีผลลดปริมาณน้ำในปูน และ HPMC มีผลในการดักอากาศ มีฟองอากาศขนาดเล็กจำนวนมากในปูน และฟองอากาศเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นสารหล่อลื่นเพื่อเพิ่มความลื่นไหลของปูน เมื่อปริมาณมากกว่า 0.025% ปริมาณน้ำที่ต้องการของปูนจะเพิ่มขึ้นตามปริมาณที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากโครงสร้างเครือข่ายของ HPMC นั้นสมบูรณ์ยิ่งขึ้น และช่องว่างระหว่างกลุ่มอนุภาคบนสายโซ่โมเลกุลยาวนั้นสั้นลง ซึ่งมีผลในการดึงดูดและยึดเกาะ ทำให้ความลื่นไหลของปูนลดลง ดังนั้น ภายใต้เงื่อนไขที่ระดับการขยายตัวโดยพื้นฐานแล้วเท่ากัน สารละลายจึงแสดงให้เห็นถึงความต้องการน้ำที่เพิ่มขึ้น

01. การทดสอบความต้านทานการกระจายตัว:

ค่าการป้องกันการกระจายตัวเป็นดัชนีทางเทคนิคที่สำคัญในการวัดคุณภาพของสารป้องกันการกระจายตัว HPMC เป็นสารประกอบโพลีเมอร์ที่ละลายน้ำได้ หรือที่รู้จักกันในชื่อเรซินที่ละลายน้ำได้หรือโพลีเมอร์ที่ละลายน้ำได้ มันช่วยเพิ่มความสม่ำเสมอของส่วนผสมโดยการเพิ่มความหนืดของน้ำที่ใช้ผสม เป็นวัสดุโพลีเมอร์ที่ชอบน้ำซึ่งสามารถละลายในน้ำเพื่อสร้างสารละลายหรือสารกระจายตัวได้

จากการทดลองพบว่า เมื่อปริมาณสารลดน้ำประสิทธิภาพสูงชนิดแนฟทาลีนเพิ่มขึ้น ความต้านทานการกระจายตัวของปูนซีเมนต์ผสมใหม่จะลดลง เนื่องจากสารลดน้ำประสิทธิภาพสูงชนิดแนฟทาลีนเป็นสารลดแรงตึงผิว เมื่อเติมสารลดน้ำลงในปูน สารลดน้ำจะไปเกาะอยู่บนพื้นผิวของอนุภาคซีเมนต์ ทำให้พื้นผิวของอนุภาคซีเมนต์มีประจุเดียวกัน แรงผลักทางไฟฟ้าดังกล่าวทำให้โครงสร้างการจับตัวเป็นก้อนของซีเมนต์แตกตัว และน้ำที่ถูกกักอยู่ในโครงสร้างจะถูกปล่อยออกมา ซึ่งจะทำให้ซีเมนต์บางส่วนสูญเสียไป ในขณะเดียวกัน พบว่าเมื่อปริมาณ HPMC เพิ่มขึ้น ความต้านทานการกระจายตัวของปูนซีเมนต์สดจะดีขึ้นเรื่อยๆ

02. คุณสมบัติความแข็งแรงของคอนกรีต:

ในโครงการนำร่องฐานราก ได้มีการประยุกต์ใช้สารผสมคอนกรีตที่ไม่กระจายตัวใต้น้ำ HPMC โดยมีเกรดความแข็งแรงที่ออกแบบไว้คือ C25 จากการทดสอบเบื้องต้นพบว่า ปริมาณซีเมนต์คือ 400 กก. ซิลิกาฟูมผสมคือ 25 กก./ลบ.ม. ปริมาณ HPMC ที่เหมาะสมคือ 0.6% ของปริมาณซีเมนต์ อัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์คือ 0.42 อัตราส่วนทรายคือ 40% และปริมาณสารลดน้ำประสิทธิภาพสูงชนิดแนฟทาลีนคือ 8% ของปริมาณซีเมนต์ ความแข็งแรงเฉลี่ย 28 วันของตัวอย่างคอนกรีตในอากาศคือ 42.6 MPa ความแข็งแรงเฉลี่ย 28 วันของคอนกรีตใต้น้ำที่ความสูงการตก 60 มม. คือ 36.4 MPa และอัตราส่วนความแข็งแรงของคอนกรีตที่ขึ้นรูปในน้ำต่อคอนกรีตที่ขึ้นรูปในอากาศคือ 84.8% ซึ่งให้ผลลัพธ์ที่สำคัญมาก

03. ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า:

(1) การเติม HPMC มีผลชะลอการแข็งตัวของส่วนผสมปูนอย่างเห็นได้ชัด เมื่อปริมาณ HPMC เพิ่มขึ้น เวลาการแข็งตัวของปูนจะยืดออกไปเรื่อยๆ ภายใต้ปริมาณ HPMC ที่เท่ากัน ปูนที่ขึ้นรูปใต้น้ำจะแข็งตัวเร็วกว่าปูนที่ขึ้นรูปในอากาศ เวลาการแข็งตัวของปูนที่ขึ้นรูปด้วยตัวกลางจะนานกว่า คุณสมบัตินี้เป็นประโยชน์สำหรับการสูบส่งคอนกรีตใต้น้ำ

(2) ปูนซีเมนต์ผสมใหม่ผสมกับไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสมีคุณสมบัติการยึดเกาะที่ดีและแทบไม่มีการแยกตัวของน้ำ

(3) ปริมาณ HPMC และความต้องการน้ำของปูนลดลงก่อนแล้วจึงเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด

(4) การผสมสารลดน้ำช่วยปรับปรุงปัญหาความต้องการน้ำที่เพิ่มขึ้นสำหรับปูนฉาบ แต่ต้องควบคุมปริมาณให้เหมาะสม มิฉะนั้นความต้านทานการกระจายตัวใต้น้ำของปูนซีเมนต์ผสมใหม่จะลดลงในบางครั้ง

(5) โครงสร้างของตัวอย่างปูนซีเมนต์ที่ผสมกับ HPMC กับตัวอย่างเปล่ามีความแตกต่างกันเล็กน้อย และโครงสร้างและความหนาแน่นของตัวอย่างปูนซีเมนต์ที่เทในน้ำและในอากาศก็มีความแตกต่างกันเล็กน้อยเช่นกัน ตัวอย่างที่ก่อตัวใต้น้ำเป็นเวลา 28 วันจะค่อนข้างแข็ง สาเหตุหลักคือ การเติม HPMC ช่วยลดการสูญเสียและการกระจายตัวของซีเมนต์เมื่อเทในน้ำได้อย่างมาก แต่ก็ลดความแน่นของปูนซีเมนต์ลงด้วย ในโครงการนี้ ภายใต้เงื่อนไขที่ต้องมั่นใจว่าไม่เกิดการกระจายตัวใต้น้ำ ควรลดปริมาณ HPMC ให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

(6) การเพิ่มสารผสมคอนกรีตที่ไม่กระจายตัวใต้น้ำ HPMC โดยควบคุมปริมาณจะช่วยเพิ่มความแข็งแรง โครงการนำร่องแสดงให้เห็นว่าอัตราส่วนความแข็งแรงของคอนกรีตที่ขึ้นรูปด้วยน้ำและคอนกรีตที่ขึ้นรูปด้วยอากาศอยู่ที่ 84.8% และมีผลค่อนข้างสำคัญ