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Auswirkungen von Celluloseether auf die Eigenschaften von zementhaltigen Materialien

Die modifizierenden Effekte von Celluloseether auf frische zementhaltige Materialien umfassen hauptsächlich Verdickung, Wasserrückhaltung, Lufteinschluss und Verzögerung. Mit der breiten Anwendung von Celluloseether in zementhaltigen Materialien wird die Wechselwirkung zwischen Celluloseether und Zementschlamm allmählich zu einem Forschungsschwerpunkt. Der Schwerpunkt liegt auf dem Einfluss der Molekülstruktur von Celluloseether auf die Mikrostruktur und die makroskopischen Eigenschaften von Zementschlamm sowie auf der Klärung des Mechanismus der Wechselwirkung zwischen Celluloseether und Zementschlamm.

Hydratationswärme

Gemäß der Kurve der Freisetzung von Hydratationswärme im Laufe der Zeit wird der Hydratationsprozess von Zement in der Regel in fünf Phasen unterteilt: Anfangshydratation (0–15 min), Induktionsperiode (15 min–4 h), Beschleunigungs- und Koagulationsperiode (4 h–8 h), Verzögerungs- und Aushärtungsperiode (8 h–24 h) und Aushärtungsperiode (1 d–28 d).

Die Testergebnisse zeigen, dass in der Vorinduktionszeit (d. h. der anfänglichen Hydratationszeit) im Vergleich zur Blindzementaufschlämmung bei einem HEMC-Gehalt von 0,1 % der erste exotherme Peak des Aufschlämmungskörpers vorgezogen und der Spitzenwert deutlich erhöht wird. Wenn der HEMC-Gehalt auf über 0,3 % erhöht wird, wird der erste exotherme Peak des Aufschlämmungskörpers verzögert und der Spitzenwert nimmt mit zunehmendem HEMC-Gehalt allmählich ab. HEMC verzögert die Induktionszeit und die Beschleunigungszeit der Zementaufschlämmung erheblich, und je größer der Gehalt, desto , desto länger verschiebt sich die Beschleunigungszeit weiter nach hinten und der exotherme Peak ist kleiner; Änderungen in der Dosierung von Celluloseether haben keinen signifikanten Einfluss auf die Länge der Verzögerungs- und Stabilisierungszeiträume der Zementschlämme, wie in Abbildung 3(a) dargestellt; Celluloseether reduziert auch die Hydratationswärme der Zementschlämme innerhalb von 72 Stunden, aber wenn die Hydratationswärmefreisetzungszeit über 36 Stunden liegt, haben Änderungen in der Dosierung von Celluloseether nur geringe Auswirkungen auf die Hydratationswärme der Zementschlämme.

Mechanische Eigenschaften

Eine Studie mit zwei Celluloseethern mit Viskositäten von 60.000 Pa·s und 100.000 Pa·s ergab, dass die Druckfestigkeit von modifizierten Mörteln mit einer Einzeldosis Methylcelluloseether mit zunehmender Dosierung allmählich abnahm. Die Druckfestigkeit von modifizierten Mörteln mit einer Einzeldosis Hydroxypropylmethylcelluloseether mit einer Viskosität von 100.000 Pa·s nahm mit zunehmender Dosierung zunächst zu und dann ab. Dies zeigt, dass die Zugabe von Methylcelluloseether die Druckfestigkeit von Zementmörtel erheblich verringert, und je mehr davon hinzugefügt wird, desto geringer ist die Festigkeit. Je niedriger die Viskosität, desto größer ist der Einfluss auf den Verlust der Druckfestigkeit des Mörtels. Hydroxypropylmethylcelluloseether kann die Druckfestigkeit des Mörtels angemessen erhöhen, wenn die Dosierung weniger als 0,1 % beträgt. Wenn die Dosierung jedoch mehr als 0,1 % beträgt, nimmt die Druckfestigkeit des Mörtels mit zunehmender Dosierung ab. Daher sollte die Dosierung auf 0,1 % eingestellt werden.

Abbindezeit

Durch Messung der Abbindezeit von Zementschlämme mit Hydroxypropylmethylcelluloseether mit einer Viskosität von 100.000 Pa·s bei unterschiedlichen Dosierungen wurde festgestellt, dass mit zunehmender HPMC-Dosierung sowohl die anfängliche als auch die endgültige Abbindezeit der Zementschlämme zunahm. Bei einer Dosierung von 1 % erreichte die anfängliche Abbindezeit 510 min und die endgültige Abbindezeit 850 min. Im Vergleich zur Blindprobe verlängerte sich die anfängliche Abbindezeit um 210 Minuten und die endgültige Abbindezeit um 470 Minuten. Ob es sich um HPMC mit einer Viskosität von 50000 Pa·s, 100000 Pa·s oder 200000 Pa·s handelt, es kann die Zementabbindung verzögern, aber im Vergleich zu den drei Celluloseethern verlängern sich sowohl die anfängliche als auch die endgültige Abbindezeit mit zunehmender Viskosität, wie in Abbildung 6 dargestellt. Dies liegt daran, dass der Celluloseether an der Oberfläche der Zementpartikel adsorbiert und verhindert, dass das Wasser mit den Zementpartikeln in Kontakt kommt, wodurch die Hydratation des Zements verzögert wird. Je höher die Viskosität des Celluloseethers ist, desto dicker ist die Adsorptionsschicht auf der Oberfläche der Zementpartikel und desto stärker ist der Verzögerungseffekt.

Methylcelluloseether und Hydroxypropylmethylcelluloseether können die Abbindezeit von Zementschlämmen erheblich verlängern und so sicherstellen, dass die Schlämme genügend Zeit und Feuchtigkeit haben, um die Hydratationsreaktion durchzuführen, wodurch die Probleme der geringen Festigkeit und Rissbildung nach dem Aushärten der Schlämme gelöst werden.

Wasserrückhaltevermögen

Mit zunehmender Menge an zugesetztem Celluloseether steigt das Wasserrückhaltevermögen des Mörtels. Wenn die Menge an zugesetztem Celluloseether größer als 0,6 % ist, stabilisiert sich das Wasserrückhaltevermögen tendenziell. Beim Vergleich der drei Celluloseether (HPMC mit Viskositäten von 50.000 Pa·s (MC-5), 100.000 Pa·s (MC-10) und 200.000 Pa·s (MC-20)) gibt es jedoch Unterschiede in der Auswirkung der Viskosität auf die Wasserretention. Bei gleicher Dosierung ist die Reihenfolge der Wasserretention: MC-5 < MC-10 < MC-20.

Kennen Sie die Rolle von Celluloseether in Zementmörtel?

Während des Baus verliert Mörtel oft zu schnell Wasser und hat nicht genug Zeit und Feuchtigkeit, um eine Hydratationsreaktion einzugehen, was zu einer unzureichenden Festigkeit und Rissen in der ausgehärteten Zementschlämme führt. Celluloseether ist ein gängiges Polymer-Zusatzmittel in Trockenmörtel. Er hat die Funktionen der Wasserrückhaltung, Verdickung, Verzögerung und Lufteinlagerung und kann die Leistung von Mörtel erheblich verbessern.

Um die Anforderungen an den Transport des Mörtels zu erfüllen und Probleme wie Rissbildung und geringe Haftfestigkeit zu lösen, ist es von großer Bedeutung, dem Mörtel Celluloseether zuzusetzen. Celluloseether wird durch Veretherung von Cellulose mit einem oder mehreren Veretherungsmitteln und anschließendes Trocknen und Mahlen hergestellt.

Klassifizierung von Celluloseether

Celluloseether können je nach chemischer Struktur des Ethersubstituenten in anionische, kationische und nichtionische Ether unterteilt werden. Der wichtigste ionische Celluloseether ist Carboxymethylcelluloseether (CMC); der wichtigste nichtionische Celluloseether ist Methylcelluloseether (MC), Hydroxypropylmethylcelluloseether (HPMC) und Hydroxyethylcelluloseether (HC). Nichtionische Ether werden weiter in wasserlösliche und öllösliche Ether unterteilt. Nichtionische wasserlösliche Ether werden hauptsächlich in Mörtelprodukten verwendet. Ionische Celluloseether sind in Gegenwart von Calciumionen instabil, sodass sie selten in Trockenmörtelprodukten mit Zement, Kalkhydrat usw. als Bindemittel verwendet werden. Nichtionische wasserlösliche Celluloseether werden jedoch aufgrund ihrer Suspensionsstabilität und Wasserrückhaltefähigkeit häufig in der Baustoffindustrie eingesetzt.

Je nach dem im Veretherungsprozess verwendeten Veretherungsmittel umfassen Celluloseetherprodukte Methylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxyethylmethylcellulose, Cyanoethylcellulose, Carboxymethylcellulose , Ethylcellulose, Benzylcellulose, Carboxymethylhydroxyethylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, Benzylcyanoethylcellulose und Phenylcellulose.

Zu den in Mörteln verwendeten Celluloseethern gehören im Allgemeinen Methylcelluloseether (MC), Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), Hydroxyethylmethylcelluloseether (HEMC) und Hydroxyethylcelluloseether (HEMC), von denen HPMC und HEMC am häufigsten verwendet werden.

Chemische Eigenschaften von Celluloseethern

Jeder Celluloseether hat die Grundstruktur von Cellulose – eine dehydrierte Glukosestruktur. Bei der Herstellung von Celluloseethern werden Cellulosefasern zunächst in einer alkalischen Lösung erhitzt und dann mit einem Veretherungsmittel behandelt. Die faserigen Reaktionsprodukte werden gereinigt und gemahlen, um ein einheitliches Pulver mit einer bestimmten Feinheit zu bilden.

Bei der Herstellung von MC wird nur Methylchlorid als Veretherungsmittel verwendet; bei der Herstellung von HPMC wird zusätzlich zu Methylchlorid auch Epichlorhydrin verwendet, um Hydroxypropylsubstituenten zu erhalten. Verschiedene Celluloseether weisen unterschiedliche Methyl- und Hydroxypropylsubstitutionsraten auf, die sich auf die Eigenschaften der Celluloseetherlösung auswirken, wie z. B. die organische Verträglichkeit und die Gelierungstemperatur.

Die Anzahl der Substituenten an den dehydratisierten Glukose-Struktureinheiten der Cellulose kann als Massenprozentsatz oder als durchschnittliche Anzahl der Substituenten (d. h. Substitutionsgrad DS) ausgedrückt werden. Die Anzahl der Substituenten bestimmt die Eigenschaften des Celluloseetherprodukts. Der durchschnittliche Substitutionsgrad wirkt sich wie folgt auf die Löslichkeit des Veretherungsprodukts aus:

(1) Veretherungsprodukte mit niedrigem Substitutionsgrad sind in alkalischen Lösungen leicht löslich;

(2) etwas höhere Substitutionsgrade sind in Wasser löslich;

(3) höhere Substitutionsgrade sind in polaren organischen Lösungsmitteln löslich;

(4) noch höhere Substitutionsgrade sind in unpolaren organischen Lösungsmitteln löslich.

Löslichkeitseigenschaften von Celluloseethern

Die Löslichkeit von Celluloseethern hat einen erheblichen Einfluss auf die Verarbeitbarkeit von Zementmörtel. Celluloseether können zur Verbesserung der Kohäsion und des Wasserrückhaltevermögens von Zementmörtel verwendet werden, dies hängt jedoch von der vollständigen und gründlichen Auflösung des Celluloseethers in Wasser ab. Zu den Faktoren, die die Auflösung von Celluloseethern beeinflussen, gehören die Auflösungszeit, die Rührgeschwindigkeit und die Pulverfeinheit.

Die Rolle von Celluloseethern in Zementmörtel

Celluloseether sind ein wichtiger Zusatzstoff für Zementmörtel, und ihre Rolle spiegelt sich in den folgenden Aspekten wider.

(1) Sie verbessern die Verarbeitbarkeit und Konsistenz von Mörtel.

Die Beimischung von Celluloseethern verhindert die Entmischung des Mörtels und führt zu einer homogenen plastischen Masse. So erleichtert beispielsweise die Beimischung von HEMC und HPMC das Auftragen von Dünnbettmörtel und Putzmörtel. Die verdickende Wirkung von Celluloseethern hängt hauptsächlich von folgenden Faktoren ab: Polymerisationsgrad, Schergeschwindigkeit, Temperatur, Konzentration des Celluloseethers und Konzentration des gelösten Salzes usw.

(2) Es hat eine luftporenbildende Wirkung.

Die Einführung von Alkylgruppen in den Celluloseether verringert die Oberflächenenergie der wässrigen Lösung des Celluloseethers, wodurch es einfach wird, während des Mischvorgangs stabile, gleichmäßige, feine Blasen in den mit Celluloseether vermischten Mörtel einzubringen. Das Einbringen von Blasen hat nicht nur einen „Kugeleffekt“, der die Verarbeitbarkeit des Mörtels verbessert, sondern verringert auch die Nassdichte des Mörtels und trägt dazu bei, die Wärmeleitfähigkeit des Mörtels zu verringern. Es sollte jedoch beachtet werden, dass eine Erhöhung des Luftgehalts auch erhebliche negative Auswirkungen auf die Druck-, Biege- und Haftfestigkeit des Mörtels hat. Tests haben gezeigt, dass der Mörtel bei einer Dosierung von 0,5 % HEMC und HPMC den höchsten Luftgehalt aufweist, der bei etwa 55 % liegt. Bei einer Dosierung von mehr als 0,5 % nimmt der Luftgehalt des Mörtels tendenziell mit zunehmender Dosierung ab.

(3) Verringerung des Feuchtigkeitsverlusts.

Feuchtigkeit im Mörtel kann eine schmierende und mischende Rolle spielen und das Auftragen von Dünnschichtmörtel und Putzmörtel erleichtern. Die Beimischung von Celluloseether hilft, den Feuchtigkeitsverlust in Dünnschichtmörtel zu reduzieren. Während des Baus müssen Wandfliesen, Blöcke usw. nicht im Voraus benetzt werden, und das zementartige Material kann nach dem Bau lange genug hydratisieren, um die Haftung des Mörtels auf dem Untergrund zu verbessern.