Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Industrie und der technologischen Verbesserung sowie der Einführung und Verbesserung ausländischer Mörtelspritzmaschinen hat sich die maschinelle Spritz- und Verputztechnologie in China in den letzten Jahren stark weiterentwickelt. Maschinell gespritzter Mörtel unterscheidet sich von herkömmlichem Mörtel dadurch, dass er ein hohes Wasserrückhaltevermögen, eine geeignete Fließfähigkeit und eine gewisse Standfestigkeit aufweisen muss. Üblicherweise wird Mörtel Hydroxypropylmethylcellulose zugesetzt, wobei Celluloseether (HPMC) am häufigsten verwendet wird. Die Hauptfunktionen von Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) im Mörtel sind: Verdickung und Viskositätserhöhung, Anpassung der Rheologie und ein hervorragendes Wasserrückhaltevermögen. Die Nachteile von HPMC sind jedoch nicht zu vernachlässigen. HPMC hat eine luftporenbildende Wirkung, die zu mehr inneren Defekten führt und die mechanischen Eigenschaften des Mörtels erheblich beeinträchtigt. Shandong Chenbang Fine Chemical Co., Ltd. untersuchte den Einfluss von HPMC auf das Wasserrückhaltevermögen, die Dichte, den Luftgehalt und die mechanischen Eigenschaften von Mörtel aus makroskopischer Sicht sowie den Einfluss von Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) auf die L-Struktur des Mörtels aus mikroskopischer Sicht.
1. Test
1.1 Rohstoffe
Zement: handelsüblicher P.0 42,5-Zement, seine 28d-Biegefestigkeit beträgt 6,9 MPa und seine Druckfestigkeit 48,2 MPa; Sand: feiner Flusssand aus Chengde, Maschenweite 40–100; Celluloseether: hergestellt von Shandong Chenbang Fine Chemical Co., Ltd. Hydroxypropylmethylcelluloseether, weißes Pulver, Nennviskosität 40, 100, 150, 200 Pa-s; Wasser: sauberes Leitungswasser.
1.2 Prüfverfahren
Gemäß JGJ/T 105-2011 „Bauvorschriften für maschinelles Spritzen und Verputzen“ beträgt die Konsistenz des Mörtels 80–120 mm und die Wasserrückhalterate liegt bei über 90 %. In diesem Experiment wurde das Kalk-Sand-Verhältnis auf 1:5 festgelegt, die Konsistenz auf (93+2) mm kontrolliert und der Celluloseether extern beigemischt, wobei die Beimischungsmenge auf der Zementmasse beruhte. Die grundlegenden Eigenschaften des Mörtels wie Nassdichte, Luftgehalt, Wasserrückhaltevermögen und Konsistenz werden unter Bezugnahme auf JGJ 70-2009 „Prüfverfahren für grundlegende Eigenschaften von Baumörtel“ geprüft, und der Luftgehalt wird gemäß der Dichtemethode geprüft und berechnet. Die Vorbereitung sowie die Biegezug- und Druckfestigkeitsprüfungen der Proben wurden gemäß GB/T 17671-1999 „Verfahren zur Prüfung der Festigkeit von Zementmörtelsand (ISO-Methode)“ durchgeführt. Der Durchmesser der Larven wurde mittels Quecksilberporosimetrie gemessen. Das Quecksilberporosimeter wurde vom Typ AUTOPORE 9500 verwendet, der Messbereich lag zwischen 5,5 nm und 360 μm. Insgesamt wurden vier Testreihen durchgeführt. Das Zement-Sand-Verhältnis betrug 1:5, die Viskosität von HPMC 100 Pa-s und die Dosierungen 0, 0,1 %, 0,2 % und 0,3 % (die Zahlen sind jeweils A, B, C und D).
2. Ergebnisse und Analyse
2.1 Einfluss von HPMC auf die Wasserrückhalterate von Zementmörtel
Wasserretention bezeichnet die Fähigkeit von Mörtel, Wasser zu speichern. Bei maschinell gespritztem Mörtel kann die Zugabe von Celluloseether Wasser effektiv binden, die Ausblutungsrate reduzieren und die Anforderungen an die vollständige Hydratisierung zementbasierter Materialien erfüllen. Einfluss von HPMC auf die Wasserretention von Mörtel.
Mit steigendem HPMC-Gehalt steigt die Wasserrückhalterate des Mörtels allmählich an. Die Kurven von Hydroxypropylmethylcelluloseether mit Viskositäten von 100, 150 und 200 Pa.s sind grundsätzlich gleich. Bei einem Gehalt von 0,05–0,15 % steigt die Wasserrückhalterate linear an, bei einem Gehalt von 0,15 % liegt sie über 93 %. Übersteigt der Körnungsanteil 0,20 %, flacht der steigende Trend der Wasserrückhalterate ab, was darauf hinweist, dass der HPMC-Gehalt nahe an der Sättigung ist. Die Kurve des Einflusses des HPMC-Gehalts mit einer Viskosität von 40 Pa.s auf die Wasserrückhalterate verläuft annähernd gerade. Bei einem Gehalt über 0,15 % ist die Wasserrückhalterate des Mörtels deutlich niedriger als die der drei anderen HPMC-Sorten mit gleicher Viskosität. Es wird allgemein angenommen, dass der Wasserrückhaltemechanismus von Celluloseether wie folgt ist: Die Hydroxylgruppe des Celluloseethermoleküls und das Sauerstoffatom der Etherbindung verbinden sich mit dem Wassermolekül und bilden eine Wasserstoffbrücke, wodurch freies Wasser zu gebundenem Wasser wird und somit eine gute Wasserrückhaltewirkung erzielt wird. Es wird auch angenommen, dass die Interdiffusion zwischen Wassermolekülen und Celluloseether-Molekülketten es Wassermolekülen ermöglicht, in das Innere der Celluloseether-Makromolekülketten einzudringen und starken Bindungskräften ausgesetzt zu sein, wodurch die Wasserrückhaltekraft des Zementschlamms verbessert wird. Eine ausgezeichnete Wasserrückhaltekraft kann den Mörtel homogen halten, ihn weniger leicht entmischen und eine gute Mischleistung erzielen, während gleichzeitig der mechanische Verschleiß reduziert und die Lebensdauer der Mörtelspritzmaschine erhöht wird.
2.2 Der Einfluss von Hydroxypropylmethylcellulose HPMC auf die Dichte und den Luftgehalt von Zementmörtel
Bei einem HPMC-Gehalt von 0–0,20 % nimmt die Dichte des Mörtels mit zunehmender HPMC-Menge stark ab, von 2050 kg/m³ auf etwa 1650 kg/m³, was etwa 20 % weniger ist; übersteige der HPMC-Gehalt 0,20 %, nehme die Dichte ab. Ein Vergleich der vier HPMC-Arten mit unterschiedlicher Viskosität zeigt: Je höher die Viskosität, desto geringer die Dichte des Mörtels. Die Dichtekurven der Mörtel mit den Mischviskositäten von 150 und 200 Pa.s HPMC überschneiden sich grundsätzlich, was darauf hindeutet, dass die Dichte nicht mehr abnimmt, wenn die Viskosität von HPMC weiter zunimmt.
Die Änderung des Luftgehalts im Mörtel verhält sich entgegengesetzt zur Änderung der Mörteldichte. Bei einem Hydroxypropylmethylcellulose-Gehalt von 0–0,20 % (HPMC) steigt der Luftgehalt mit steigendem HPMC-Gehalt nahezu linear an; ab einem HPMC-Gehalt von 0,20 % ändert sich der Luftgehalt kaum noch, was darauf hindeutet, dass die Luftporenbildung im Mörtel nahe der Sättigung liegt. Die Luftporenbildung bei HPMC mit einer Viskosität von 150 und 200 Pa.s ist größer als bei HPMC mit einer Viskosität von 40 und 100 Pa.s.
Die luftporenbildende Wirkung von Celluloseether wird hauptsächlich durch seine Molekularstruktur bestimmt. Celluloseether besitzt sowohl hydrophile Gruppen (Hydroxyl-, Ether-) als auch hydrophobe Gruppen (Methyl-, Glucose-Ring) und ist ein Tensid. Er weist eine Oberflächenaktivität auf und hat somit eine luftporenbildende Wirkung. Einerseits kann das eingebrachte Gas im Mörtel wie ein Kugellager wirken, die Verarbeitungsleistung des Mörtels verbessern, das Volumen vergrößern und die Leistung steigern, was für den Hersteller von Vorteil ist. Andererseits erhöht die luftporenbildende Wirkung den Luftgehalt des Mörtels und die Porosität nach dem Aushärten, was zur Zunahme schädlicher Poren führt und die mechanischen Eigenschaften stark verschlechtert. Obwohl HPMC eine gewisse luftporenbildende Wirkung hat, kann es den Luftporenbildner nicht ersetzen. Darüber hinaus kann die gleichzeitige Verwendung von HPMC und Luftporenbildner die Wirkung des Luftporenbildners beeinträchtigen.
2.3 Der Einfluss von HPMC auf die mechanischen Eigenschaften von Zementmörtel
Bei einem HPMC-Gehalt von nur 0,05 % nimmt die Biegefestigkeit des Mörtels deutlich ab und liegt etwa 25 % unter der Blindprobe ohne Hydroxypropylmethylcellulose-HPMC. Die Druckfestigkeit erreicht nur 65 % der Blindprobe (80 %). Bei einem HPMC-Gehalt von mehr als 0,20 % ist die Abnahme der Biegefestigkeit und Druckfestigkeit des Mörtels nicht deutlich erkennbar. Die Viskosität von HPMC hat kaum Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Mörtels. HPMC führt viele kleine Luftbläschen ein, deren Luftporenbildung die innere Porosität und die schädlichen Poren des Mörtels erhöht, was zu einer deutlichen Abnahme der Druckfestigkeit und Biegefestigkeit führt. Ein weiterer Grund für die Abnahme der Mörtelfestigkeit ist die wasserspeichernde Wirkung des Celluloseethers, der Wasser im ausgehärteten Mörtel hält, und das hohe Wasser-Bindemittel-Verhältnis führt zu einer Abnahme der Festigkeit des Probeblocks. Bei mechanischem Konstruktionsmörtel kann Celluloseether zwar die Wasserrückhalterate des Mörtels deutlich erhöhen und seine Verarbeitbarkeit verbessern, eine zu hohe Dosierung beeinträchtigt jedoch die mechanischen Eigenschaften des Mörtels erheblich, sodass das Verhältnis zwischen beiden sorgfältig abgewogen werden muss.
Mit steigendem Hydroxypropylmethylcellulose-Gehalt (HPMC) zeigte die Faltungsrate des Mörtels einen insgesamt steigenden Trend, der im Wesentlichen linear war. Dies liegt daran, dass der zugesetzte Celluloseether eine große Anzahl von Luftblasen einführt, die zu mehr Defekten im Mörtel führen und die Druckfestigkeit des Leitmörtels stark abnehmen lassen, obwohl auch die Biegefestigkeit bis zu einem gewissen Grad abnimmt. Celluloseether kann jedoch die Flexibilität des Mörtels verbessern und die Biegefestigkeit verbessern, wodurch die Abnahmerate verlangsamt wird. Zusammengenommen führt die kombinierte Wirkung beider Faktoren zu einer Erhöhung der Faltungsrate.
2.4 Die Wirkung von HPMC auf den L-Durchmesser des Mörtels
Aus der Porengrößenverteilungskurve, den Porengrößenverteilungsdaten und verschiedenen statistischen Parametern von AD-Proben ist ersichtlich, dass HPMC einen großen Einfluss auf die Porenstruktur von Zementmörtel hat:
(1) Nach Zugabe von HPMC nimmt die Porengröße des Zementmörtels deutlich zu. Auf der Porengrößenverteilungskurve verschiebt sich der Bildbereich nach rechts, und der dem Spitzenwert entsprechende Porenwert wird größer. Nach Zugabe von HPMC ist der mittlere Porendurchmesser des Zementmörtels deutlich größer als der der Blindprobe, und der mittlere Porendurchmesser der Probe mit 0,3 % Dosierung ist im Vergleich zur Blindprobe um zwei Größenordnungen größer.
(2) Die Poren im Beton werden in vier Typen unterteilt: harmlose Poren (≤ 20 nm), weniger schädliche Poren (20 – 100 nm), schädliche Poren (100 – 200 nm) und viele schädliche Poren (≥ 200 nm). Aus Tabelle 1 geht hervor, dass die Zahl der harmlosen oder weniger schädlichen Poren nach der Zugabe von HPMC deutlich abnimmt, während die Zahl der schädlichen oder mehr schädlichen Poren zunimmt. Die harmlosen oder weniger schädlichen Poren der Proben ohne HPMC betragen etwa 49,4 %. Nach der Zugabe von HPMC nehmen die harmlosen oder weniger schädlichen Poren deutlich ab. Bei einer Dosierung von 0,1 % beispielsweise nehmen die harmlosen oder weniger schädlichen Poren um etwa 45 % ab. Die Zahl der schädlichen Löcher, die größer als 10 µm sind, nimmt um etwa das Neunfache zu.
(3) Der mittlere Porendurchmesser, der durchschnittliche Porendurchmesser, das spezifische Porenvolumen und die spezifische Oberfläche unterliegen mit zunehmendem Hydroxypropylmethylcellulose-HPMC-Gehalt keiner strengen Änderungsregel, was möglicherweise mit der Probenauswahl im Quecksilberinjektionstest zusammenhängt. Insgesamt neigen der mittlere Porendurchmesser, der durchschnittliche Porendurchmesser und das spezifische Porenvolumen der mit HPMC gemischten Probe jedoch dazu, im Vergleich zur Blindprobe zuzunehmen, während die spezifische Oberfläche abnimmt.
Beitragszeit: 03.04.2023