纤维素醚在水泥基干拌砂浆产品中的应用

纤维素醚在水泥基干拌砂浆产品中的应用0引言纤维素醚是天然材料纤维素的衍生物,可作为添加剂来改善产品的性能。例如,醚化的纤维素可作为保水剂、增稠剂、粘合剂和分散剂,也可作为保护胶体、稳定剂、悬浮剂、乳化剂和成膜助剂等。纤维素是木材、亚麻或棉花的基本材料,由无支链的长纤维分子构成。一个单一的纤维素纤维可以由多达1万个独立的脱水葡萄糖单元构成。在纤维素中,纤维分子呈束状排列,由此形成微小的原纤维,最终得到紧密交织的网状结构的纤维素分子。大量的强氢键使每个纤维素纤维之间的结合十分紧密。纤维素醚分子的化学结构与纤维素非常相似(见图1、图2)。在醚化过程中,一个独立的无水葡萄糖单元中的3个自由—OH基团被取代(至少部分取代),使得原始纤维素分子之间的紧密结合被减弱,因此纤维素才变成了水溶性的产品。1纤维素醚的增稠作用纤维素醚最重要的性能是增加液体黏性的能力,因此可作为增稠剂使用。纤维素醚的增稠作用取决于:聚合度、纤维素醚的浓度、剪切速率、温度、溶解的盐的浓度等。在其它参数不变的情况下,纤维素醚溶液的黏度随聚合度的提高而增大,这种作用在低聚合度的情况下表现得比在高聚合度下更为明显。图3为不同品质TyloseMH和TyloseMO的黏度与聚合度的函数关系,图中曲线为10种以上具有不同醚化程度的纤维素醚的平均值[黏度根据布鲁克菲尔德方法测试,1.9%(绝对干燥,无自由水)水溶液,20°C,25°德国硬度等级]。2甲基纤维素醚的保水性不同等级的甲基纤维素醚(MC)最重要的性能是它们在建筑材料系统中的保水能力。为了获得良好的工作性,需要在较长的时间里保持砂浆中含有足够的水分。由于水在无机组份之间起到了润滑剂和溶剂的作用,因此薄层砂浆才可以进行梳理,抹灰砂浆才可以用抹子进行摊铺。易吸水的墙体或瓷砖在使用了添加纤维素醚的砂浆后不需要进行预湿。所以MC可以带来快速和经济的施工效果。为了凝结,胶凝材料如水泥和石膏需要用水进行水化。合理掺量的MC可以在足够长的时间里保持砂浆中的水分,使得凝结硬化过程得以持续进行。获得足够的保水能力所需要的MC掺量取决于基层的吸收性、砂浆的组成、砂浆层的厚度、砂浆的需水量及胶凝材料的凝结时间等。保水性是通过测试某一固定的时段内在搅拌好的砂浆中保留下来的水量与总用水量之比。为了模拟易吸水的基层,使用滤纸板,或者使用某一特定的真空度。这些试验在DIN18555-7和ASTMC91进行了描述。相同的MC掺量下,黏度增加时保水性也提高。图4为掺0.2%不同黏度TyloseMH的石膏基抹灰砂浆的保水率(标准醚化,DS=1.7,MS=0.15)。未掺加TyloseMC的砂浆保水率约为75%,增大MC的掺量可以明显提高砂浆的保水能力。图5为掺不同量TyloseMH15000P4的石膏基抹灰砂浆的保水率(标准醚化,DS=1.7,MS=0.15;细颗粒)。3辅助增稠剂对砂浆稠度和抗垂流性的影响通过控制TyloseMC的掺量、黏度和改性程度,可以使砂浆达到适宜的抗垂流性和最佳的稠度。采用辅助增稠剂改性的MC产品可以对砂浆的施工性能产生如下影响:提高抗垂流性、改善可工作性、增加需水量、增加稠度、降低黏性、提高屈服值、延缓凝结时间等。稠度可以通过改变颗粒尺寸分布和选择不同程度的改性TyloseMC进行调节。MC的颗粒尺寸越细,砂浆稠化的速度越快。图6中的砂浆稠度是通过测量砂浆搅拌过程中对Hobart搅拌机的输入功率确定的,其中的机械施工抹灰砂浆为掺TyloseMH60017P4(DS=1.7,MS=0.15,细颗粒,含Tylose辅助增稠剂),瓷砖胶为掺TyloseMB30002P2的瓷砖胶(DS=1.9,MS=0.05,颗粒180目,含Tylose辅助增稠剂)。图7为MC改性程度对砂浆需水量的影响。按EN1308测试的瓷砖滑移值保持一定,以此来控制稠度。MC的改性程度越高,需水量越大。对新拌砂浆流变性能的测试已变得越来越重要。例如,瓷砖的滑移可以采用蠕变试验进行模拟。样品在规定的时间内受到恒定剪切应力的作用,然后测试瓷砖胶产生的变形。变形越小,瓷砖胶越硬。图8为采用旋转黏度计(板-板)测得的2种不同强度、不同抗滑移性的水泥基瓷砖胶的蠕变结果。1-掺TyloseMB3002P6(DS=1.7,MS=0.15,超细颗粒180目,含中等掺量的Tylose辅助增稠剂)的低抗滑移瓷砖胶;2-TyloseMB3003P6(DS=1.7,MS=0.15,超细颗粒180目,含较高掺量的Tylose辅助增稠剂)的高抗滑移瓷砖胶4纤维素醚-水泥之间的相互作用纤维素醚除了赋予砂浆上述良好的性能,还会延缓水泥的水化动力学过程,这种作用效果在较为寒冷的地区对砂浆是不利的。这种缓凝作用主要是由于纤维素醚分子吸附在正在水化的水泥系统中的各种矿物相上,但较一致的看法是,纤维素醚分子主要吸附在C—S—H和氢氧化钙等水化产物上,很少吸附在熟料原始矿物相上。此外,由于孔溶液黏度的增加,纤维素醚降低了离子(Ca2+、SO42-……)在孔溶液中的活动性,从而进一步延缓了水化过程。采用等温热量测定法系统研究了纤维素醚的缓凝作用。等温热量测定是非常精确的试验方法,常用于矿物胶凝材料系统水化动力学、凝结时间的研究,该方法对研究建筑材料添加剂的缓凝/促凝作用非常有效。在我们进行的研究中使用的仪器为TAMAir(ThermometricAB,瑞典)。观察纤维素醚引起的水化延迟,可以发现水泥基系统中的纤维素醚掺量越高,水化延迟作用就越强烈。此外,纤维素醚不仅延缓凝结,而且也会推迟水泥砂浆系统的硬化过程。研究发现,纤维素醚对水泥熟料矿物相中硅酸三钙(C3S)和铝酸三钙(C3A)水化动力学的影响方式是不同的。纤维素醚主要降低C3S加速期的反应速度,而对于C3A/CaSO4系统则是由于纤维素醚延长了诱导期[见图9、图10,为掺TyloseMH15000P6(DS=1.7,MS=0.15,颗粒180目)]。以上述方式对C3S水化的阻碍会造成砂浆硬化过程的延迟,而C3A/CaSO4系统诱导期的延长则会使砂浆的凝结推迟。纤维素醚的缓凝作用不仅取决于它在矿物胶凝材料系统中的浓度,而且取决于它的化学结构。对HEMC来说,甲基化的程度越高,纤维素醚的缓凝作用就越小。此外,亲水取代(如对HEC的取代)较憎水取代(如对MH、HEMC、HMPC的取代)的缓凝作用更强。这种作用如图11所示,试验用纤维素醚为Tylose实验室级,MHEC的DS=1.5～1.9、MS=0.15;HEC的MS=2.1,用于研究的瓷砖胶含有45%的OPC(CEMI42.5R)。黏度是表现纤维素醚化学特性的另一个重要参数。如上所述,黏度主要影响保水能力,对新拌砂浆的工作性也有显著影响。但是,试验研究发现,纤维素醚的黏度对水泥水化动力学几乎没有任何影响,这种效果是有好处的,至少在一定程度上可以简化十分复杂的砂浆配方。高度改进和创新的纤维素醚通过加入不同的辅助增稠剂进行改性。这些添加剂与大部分水泥相之间有强烈的相互作用,从而对水泥的水化动力学产生显著的影响。这些添加剂由天然聚合物(如淀粉醚)以及各种合成聚合物组成。一般的规则是辅助增稠剂对水化过程的延迟程度要比纤维素醚大得多[见图12,试验用纤维素醚为TyloseMH15000P6(DS=1.7,MS=0.15,颗粒180目),用于研究的瓷砖胶含有45%的OPC(CEMI42.5R)]。但是,水泥水化的主要影响是否来自天然或合成辅助增稠剂,还无法得到一个一般性的结论。纤维素醚的等级取决于醚化程度和用于醚化的化学取代物的种类(—CH3、—C2H4OH、—C3H6OH……)。纤维素醚的缓凝效果主要受这两个参数的影响,也就是说有些纤维素醚表现出较强的缓凝作用,特别适用于炎热地区,另外一些纤维素醚几乎没有任何缓凝作用,因此可以很好地用在寒冷地区。此外,也有各种促凝剂如甲酸钙可以补偿纤维素醚的缓凝作用。5结语纤维素醚特别是甲基纤维素醚如HEMC和HPMC,在许多干拌砂浆产品的应用中都是必不可少的添加剂。纤维素醚最重要的性能是其在矿物建筑材料中的保水性。如果不添加纤维素醚,薄层新拌砂浆就会很快干透,使得水泥无法以正常的方式水化,从而造成砂浆无法硬化和无法获得对基层的良好粘结性能。有许多因素影响纤维素醚的保水性,如掺量和黏度。此外,纤维素醚还用在干拌砂浆产品配方中改善新拌砂浆的工作性。推荐使用经特殊改性的甲基纤维素醚以保证瓷砖胶和抹灰砂浆等具有适宜的抗垂流性和良好的工作性。在实际应用过程中,适宜的抗垂流性和和易性可以通过优选泰乐士纤维素醚的掺量、黏度和改性程度来获得。纤维素醚除了具有许多有益的性能之外,它也会延缓水泥的水化速度。不同纤维素醚的缓凝效果已在本文做出了说明。此外,进一步的研究发现,纤维素醚对最重要的熟料相C3S和C3A的影响是不同的。无论矿物胶凝材料和纤维素醚之间的相互作用有多么复杂,SETylose公司都有信心提供最优的解决方案。