硫酸鈉對(duì)纖維素醚改性水泥漿粘度的影響

歐志華,毛泰威,劉錫軍,王　彥

(1.湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，株洲　412007；2.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湘潭　411201)

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硫酸鈉對(duì)纖維素醚改性水泥漿粘度的影響

歐志華1,2,毛泰威1,劉錫軍2,王彥2

(1.湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，株洲412007；2.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湘潭411201)

纖維素醚在應(yīng)用過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)粘性明顯降低。本文研究了硫酸鈉對(duì)纖維素醚溶液和纖維素醚改性水泥漿的粘度的影響。結(jié)果表明，超過(guò)一定摻量的硫酸鈉可以使纖維素醚溶液和纖維素醚改性水泥漿中的纖維素醚發(fā)生鹽析，使纖維素醚失去對(duì)水泥漿的增粘作用；不同種類的纖維素醚，發(fā)生鹽析時(shí)的最低硫酸鈉摻量不同；纖維素醚發(fā)生鹽析取決于硫酸鈉的在水溶液中的濃度，受纖維素醚濃度和水泥摻量的影響很小。

硫酸鈉; 纖維素醚; 水泥漿; 粘度; 鹽析

1　引　言

纖維素醚是砂漿和混凝土等水泥基材料的重要增粘劑[1,2]。根據(jù)取代基的不同，用于水泥基材料中的纖維素醚通常包括甲基纖維素醚(methyl cellulose，MC)、羥乙基纖維素醚(hydroxyethyl cellulose，HEC)、羥乙基甲基纖維素醚(hydroxyethyl methyl cellulose，HEMC)和羥丙基甲基纖維素醚(hydroxypropyl methyl cellulose，HPMC)，其中以HPMC和HEMC的應(yīng)用最為普遍。

纖維素醚的增粘作用能夠賦予濕砂漿優(yōu)良的粘稠性，顯著增加濕砂漿與基層的粘結(jié)能力，提高砂漿的抗下垂性能。還可以增加新拌水泥基材料的勻質(zhì)性和抗分散能力，防止砂漿和混凝土的分層、離析和泌水[3]。但在工程應(yīng)用過(guò)程中，有時(shí)候出現(xiàn)纖維素醚粘性明顯降低甚至失去增粘效果的情況，這可能是由于纖維素醚存在質(zhì)量問(wèn)題，也可能是因?yàn)槔w維素醚與其它外加劑之間發(fā)生相互物理和化學(xué)作用。硫酸鈉是水泥基材料中一種常用外加劑，無(wú)機(jī)鹽可能導(dǎo)致纖維素醚溶液發(fā)生鹽析[4]，但在水泥漿中，幾乎未看到有文獻(xiàn)研究無(wú)機(jī)鹽與纖維素醚相互作用。本文研究硫酸鈉對(duì)纖維素醚溶液和纖維素醚改性水泥漿粘度的影響，為在水泥漿中正確使用纖維素醚和無(wú)機(jī)鹽類外加劑提供依據(jù)。

2　實(shí)　驗(yàn)

2.1原材料

(1)纖維素醚。選擇了在我國(guó)國(guó)內(nèi)常用的9種纖維素醚(未改性)用于試驗(yàn)研究。纖維素醚的編號(hào)、種類和粘度如表1所示。纖維素醚的黏度采用NDJ-1B型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)(上海昌吉公司)測(cè)試，測(cè)試溶液濃度為2.0%，溫度為20 ℃，粘度計(jì)旋轉(zhuǎn)速率為12 r/min。

表1　纖維素醚的編號(hào)、種類和粘度

(2)水泥。武漢華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，規(guī)格為P·O 42.5(GB 175-2007)。

(3)無(wú)水硫酸鈉。分析純(GB/T 9853-2008)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

2.2纖維素醚溶液的粘度測(cè)量方法

取規(guī)定質(zhì)量的纖維素醚樣品，加入到250 mL的玻璃燒杯中，然后加入90 ℃左右的熱水250 g；用玻璃棒充分?jǐn)嚢瑁估w維素醚在熱水中形成均勻的分散體系，同時(shí)將燒杯置于空氣中冷卻，當(dāng)溶液開(kāi)始產(chǎn)生粘度，并不會(huì)再沉淀時(shí)，立即停止攪拌；溶液在空氣中冷卻至顏色均勻時(shí)，將燒杯放入恒溫水浴鍋中，恒溫至規(guī)定溫度(如20 ℃)，誤差為±0.1 ℃；2 h(從纖維素醚與熱水接觸的時(shí)間算起)后，用溫度計(jì)測(cè)量溶液中心的溫度，若已經(jīng)達(dá)到規(guī)定溫度，將旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)(NDJ-1B型，上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn))的轉(zhuǎn)子插入溶液中至規(guī)定深度，靜置5 min后，測(cè)定其粘度，測(cè)試時(shí)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度為12 r/min。

2.3纖維素醚改性水泥漿的粘度測(cè)量

實(shí)驗(yàn)前將所有原材料恒溫至規(guī)定溫度，稱取規(guī)定質(zhì)量的纖維素醚、水泥和硫酸鈉粉末，充分混合，在250 mL玻璃燒杯中按規(guī)定水灰比加入規(guī)定溫度的拌合水(自來(lái)水)；再將干粉加入燒杯中，在3 min內(nèi)用玻璃棒充分?jǐn)嚢?00次，將旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)(NDJ-1B型，上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn))的轉(zhuǎn)子插入水泥漿中至規(guī)定深度，靜置2 min后，測(cè)定其粘度。

3　結(jié)果與討論

3.1硫酸鈉對(duì)纖維素醚溶液粘度的影響

圖1反映了無(wú)水硫酸鈉對(duì)纖維素醚溶液粘度的影響，其中圖1a是無(wú)水硫酸鈉對(duì)P2、E1、M1、M2、H1和H2共6種纖維素醚溶液粘度的影響，纖維素醚溶液的濃度都是2%，圖1b是無(wú)水硫酸鈉對(duì)P2和E1兩種纖維素醚溶液在濃度分別為1%和2%時(shí)的粘度的影響。由圖1可知，隨著硫酸鈉濃度的增加，纖維素醚溶液的粘度開(kāi)始基本保持不變，當(dāng)硫酸鈉的濃度超過(guò)一定值時(shí)，所有纖維素醚溶液都會(huì)發(fā)生“鹽析”而失去粘性，表現(xiàn)為粘度驟降接近1，溶液靜置后變成絮凝狀或松散沉淀(圖2)。

通過(guò)圖1a還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于濃度為2%的6種纖維素醚溶液，開(kāi)始發(fā)生鹽析時(shí)的硫酸鈉濃度不相同，HEC(H1和H2)溶液開(kāi)始發(fā)生鹽析時(shí)的硫酸鈉濃度最高，在10%～12%之間，HEMC(E1)和HPMC(P2)溶液開(kāi)始發(fā)生鹽析時(shí)的硫酸鈉的濃度在4%～5%之間，MC(M1和M2)溶液開(kāi)始發(fā)生鹽析時(shí)的硫酸鈉濃度最小，在3%～5%之間。從圖1b中還可以看出，對(duì)于同一種纖維素醚溶液(P2或E1)，在濃度為1%和2%時(shí)，開(kāi)始發(fā)生鹽析時(shí)的硫酸鈉濃度是一樣的，這說(shuō)明纖維素醚溶液的鹽析主要取決于硫酸鈉的濃度，與纖維素醚溶液的濃度無(wú)關(guān)，或者說(shuō)與硫酸鈉和纖維素醚的質(zhì)量比無(wú)關(guān)。

圖1　硫酸鈉對(duì)纖維素醚溶液粘度的影響Fig.1　Influence of sodium sulfate on the viscosity of cellulose ethers solution

圖2　纖維素醚溶液的“鹽析”Fig.2　"Salt precipitation" of cellulose ethers solution

3.2硫酸鈉對(duì)纖維素醚改性水泥漿粘度的影響

圖3　硫酸鈉對(duì)纖維素醚改性水泥漿粘度的影響Fig.3　Influence of sodium sulphate on the viscosity of cement pastes modified by cellulose ethers(w/c=0.65,p/c=0.6%)

圖3反映了無(wú)水硫酸鈉對(duì)E1、P1、M3和H3四種纖維素醚改性水泥漿粘度的影響，由于實(shí)驗(yàn)材料需求量大，做這一部分實(shí)驗(yàn)時(shí)，3.1節(jié)實(shí)驗(yàn)中的P2、M1、M2、H1和H2已經(jīng)用完，因此使用了P1、M3和H3三種纖維素醚。考慮到工程實(shí)踐應(yīng)用中，硫酸鈉的摻量通常是以相對(duì)水泥質(zhì)量的百分比來(lái)描述的，圖3中的橫坐標(biāo)為硫酸鈉與水泥的質(zhì)量比的百分?jǐn)?shù)，即硫酸鈉相對(duì)水泥的摻量。水泥漿的水灰比w/c為0.65，聚灰比p/c(纖維素醚與水泥的質(zhì)量比)為0.6%。從圖3可以看出，隨著硫酸鈉摻量的增加，纖維素醚改性水泥漿的粘度開(kāi)始基本保持不變，當(dāng)硫酸鈉相對(duì)水泥的摻量超過(guò)一定值時(shí)，纖維素醚改性水泥漿的粘度會(huì)突然大幅降低，降低后的粘度值與純水泥漿的粘度值大致相當(dāng)。顯然，在水泥漿中，硫酸鈉仍可使纖維素醚發(fā)生“鹽析”，從而使纖維素醚失去對(duì)水泥漿的增粘作用。

與纖維素醚溶液中的情況一致，不同種類的纖維素醚改性水泥漿中，纖維素醚開(kāi)始發(fā)生鹽析時(shí)的硫酸鈉摻量也不相同，HEC(H3)改性水泥漿中，纖維素醚開(kāi)始發(fā)生鹽析時(shí)的硫酸鈉摻量在7%～8%之間，HEMC(E1)和HPMC(P1)改性水泥漿中，纖維素醚開(kāi)始發(fā)生鹽析時(shí)的硫酸鈉摻量在3%～4%之間，而MC(M3)改性水泥漿中，纖維素醚開(kāi)始發(fā)生鹽析時(shí)的硫酸鈉摻量最小，大約在2%～3%之間。由于水泥漿的水灰比為0.65，將上述硫酸鈉相對(duì)水泥的摻量換算成硫酸鈉在水溶液中的濃度，它們分別是，HEC：10.8%～12.3%，HEMC和HPMC：4.6%～6.2%，MC：3.1%～4.6%，這與纖維素醚在水溶液中開(kāi)始發(fā)生鹽析時(shí)的硫酸鈉的濃度是大致相同的(圖1)，這說(shuō)明纖維素醚發(fā)生鹽析現(xiàn)象主要取決于硫酸鈉的在水溶液中的濃度，受水泥摻入的影響很小。

3.3分析與討論

硫酸鈉在水泥基材料中的摻量通常小于水泥質(zhì)量的1%，根據(jù)3.2的結(jié)果，這個(gè)摻量不足以導(dǎo)致纖維素醚在新拌水泥基材料中發(fā)生鹽析，但是，在硫酸鈉的摻量較高，或者添加其它無(wú)機(jī)外加劑時(shí)，纖維素醚(尤其是MC)有可能發(fā)生鹽析；此外，由于含甲基的纖維素醚分子具有熱致凝膠性[5]，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，纖維素醚的水合作用減弱，使纖維素醚產(chǎn)生鹽析的最低硫酸鈉濃度還會(huì)降低，因此，在工程應(yīng)用中還是應(yīng)該注意硫酸鈉可能導(dǎo)致纖維素醚對(duì)水泥基材料增粘失效，必要時(shí)可以使用HEC代替MC、HPMC和HEMC，防止鹽析的發(fā)生。

4　結(jié)　論

本文分別研究了硫酸鈉對(duì)纖維素醚溶液粘度和纖維素醚改性水泥漿粘度的影響，主要結(jié)論如下：

(1)硫酸鈉加入到纖維素醚溶液中并超過(guò)一定濃度后，纖維素醚溶液會(huì)發(fā)生鹽析而失去粘性；不同品種的纖維素醚溶液開(kāi)始發(fā)生鹽析時(shí)的硫酸鈉濃度不同，HEC溶液中比較高(11%～12%)，MC溶液中比較低(3%～5%)，HPMC溶液和HEMC溶液中略高于MC溶液(3%～5%)；纖維素醚溶液的鹽析只取決于硫酸鈉的濃度，與纖維素醚溶液的濃度無(wú)關(guān)；

(2)硫酸鈉對(duì)纖維素醚改性水泥漿粘度的影響規(guī)律與硫酸鈉對(duì)纖維素醚溶液粘度的影響規(guī)律相似；超過(guò)一定摻量的硫酸鈉可以使水泥漿中的纖維素醚發(fā)生鹽析，從而使纖維素醚失去對(duì)水泥漿的增粘作用；不同種類的纖維素醚改性水泥漿中，纖維素醚開(kāi)始發(fā)生鹽析時(shí)的硫酸鈉摻量也不相同，HEC改性水泥漿在7%～8%之間，HEMC和HPMC改性水泥漿在3%～4%之間，MC改性水泥漿在2%～3%之間。纖維素醚發(fā)生鹽析現(xiàn)象取決于硫酸鈉的在水溶液中的濃度，受水泥摻入的影響很小。

[1] 歐志華,馬保國(guó),蹇守衛(wèi).非離子纖維素醚在新拌水泥基材料中的作用及研究進(jìn)展[J].硅酸鹽通報(bào),2012,31(1):1-4.

[2] 黃洪財(cái),馬保國(guó),邢偉宏.礦物摻合料對(duì)建筑石膏的改性及機(jī)理研究[J].非金屬礦,2008,31(2):27-30.

[3] 鐘世云,鮑明軒, 薛明.聚羧酸鹽減水劑自密實(shí)混凝土的流變性能參數(shù)[J].建筑材料學(xué)報(bào),2006,(5):521-526.

[4] 邵自強(qiáng).纖維素醚[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007:44.

[5] 歐志華,毛泰威,劉錫軍,等.干混砂漿用纖維素醚溶液的黏度測(cè)試方法探討[J].湖南工業(yè)大學(xué)報(bào),2015,29(3):15-19.

Influence of Sodium Sulfate on the Viscosity of Cement Pastes Modified by Cellulose Ethers

OUZhi-hua2,MAOTai-wei1,LIUXi-jun2,WANGYan2

(1.School of Civil Engineering, Hunan University of Technology,Zhuzhou 412007,China;2.College of Civil Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China)

The viscosity of cellulose ethers sometimes decrease obviously during application. The influence of sodium sulfate on the viscosity of cellulose ethers solutions and cellulose ethers containing cement pastes is investigated in this article. The result show that the salt precipitation of cellulose ethers appears in cellulose ethers solutions and cellulose ethers containing cement pastes when sodium sulfate more than some dosage added, which lead to lose of thickening effect of cellulose ethers on cement pastes. For different type cellulose ethers, the lowest dosages of sodium sulfate are different when the salt precipitation appears. The salt precipitation of cellulose ethers is decided on the concentration of sodium sulfate and little concerned with concentration of cellulose ethers and amount of cement.

Sodium sulfate;cellulose ethers;cement paste;viscosity;salt precipitation

湖南省建設(shè)廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(C10108)

歐志華(1975-)，男，博士，高級(jí)工程師.主要從事建筑材料與建筑節(jié)能方面的研究.

TQ172

A

1001-1625(2016)03-0721-04