Ứng dụng đa chức năng của hydroxyethyl methyl cellulose (HEMC) trong lĩnh vực xây dựng

1. Đặc điểm và khả năng ứng dụng xây dựng của HEMC

Hydroxyethyl methyl cellulose (Hemc) I S một dẫn xuất cellulose thu được bằng phản ứng ether hóa của cellulose tự nhiên với ethylene oxide và methyl clorua sau khi điều trị kiềm hóa. Cấu trúc phân tử của nó chứa hai nhóm etherization, hydroxyethyl và methyl. Cấu trúc hóa học đặc biệt này cung cấp cho HEMC một loạt các tính chất tuyệt vời, làm cho nó đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng xây dựng. HEMC là một polymer không ion, có nghĩa là hiệu suất của nó không bị ảnh hưởng bởi giá trị pH và có thể vẫn ổn định trong môi trường axit và kiềm. Tính năng này đặc biệt quan trọng đối với các vật liệu dựa trên xi măng vì quá trình hydrat hóa xi măng sẽ trải nghiệm một môi trường thay đổi từ kiềm mạnh sang trung tính.

Độ hòa tan trong nước của HEMC là một trong những đặc điểm cốt lõi của nó. So với methyl cellulose thông thường (MC), do sự ra đời của hydroxyethyl, HEMC có phạm vi thích ứng nhiệt độ rộng hơn, hòa tan trong cả nước lạnh và nước nóng, và dung dịch sẽ không tạo ra gel hoặc kết tủa do thay đổi nhiệt độ. Tính năng này đảm bảo tính ổn định của hiệu suất của vật liệu xây dựng trong các điều kiện khí hậu khác nhau. Các giải pháp HEMC có một loạt các độ nhớt, từ độ nhớt thấp đến độ nhớt cực cao, cung cấp các tùy chọn linh hoạt cho các ứng dụng xây dựng khác nhau-vữa tự cấp độ đòi hỏi HEMC có độ nhớt thấp để cải thiện tính trôi chảy, trong khi các vữa thạch cao yêu cầu HEMC có độ nhớt cao để tăng cường tính chất chống vùi.

Từ góc độ môi trường, HEMC đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của ngành xây dựng hiện đại cho các vật liệu xanh. Nó sử dụng cellulose tự nhiên làm nguyên liệu thô, không có sản phẩm phụ độc hại trong quá trình sản xuất và sản phẩm hoàn chỉnh có khả năng phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường. Tính năng này cho phép nó duy trì khả năng cạnh tranh thị trường theo các quy định môi trường ngày càng nghiêm ngặt và giúp ngành xây dựng đạt được các mục tiêu phát triển bền vững. Khả năng tương thích sinh học của HEMC cũng loại bỏ rủi ro sức khỏe cho công nhân xây dựng và các vấn đề an toàn trong việc sử dụng xây dựng sau này, đây là một lợi thế mà nhiều phụ gia polymer tổng hợp không thể phù hợp.

Tính linh hoạt của HEMC được phản ánh trong thực tế là một phụ gia duy nhất có thể đạt được nhiều cải tiến hiệu suất cùng một lúc. Trong các vật liệu xây dựng, Hemc không chỉ có thể làm dày và giữ nước, mà còn làm không khí, cài đặt chậm và tăng cường liên kết. Tính năng "một liều, nhiều hiệu ứng" này đơn giản hóa thiết kế công thức và giảm chi phí sản xuất. Ví dụ, trong chất kết dính gạch, HEMC cung cấp ba chức năng chính: giữ nước (đảm bảo hydrat hóa hoàn toàn xi măng), làm dày (ngăn gạch trượt xuống) và thời gian mở rộng (tạo điều kiện điều chỉnh vị trí).

HEMC có khả năng tương thích tốt với các chất phụ gia hóa học xây dựng khác và có thể được sử dụng cùng với nhiều loại phụ gia như giảm nước, defoamers, bột latex, v.v. mà không có tác dụng đối kháng. Hiệu ứng hiệp đồng này cho phép các bộ công thức vật liệu xây dựng kiểm soát chính xác các thuộc tính vật liệu để đáp ứng các nhu cầu kỹ thuật khác nhau.

2. Cơ chế cốt lõi của Hemc trong vật liệu xây dựng

Cơ sở hóa lý cho nhiều chức năng của hydroxyethyl methylcellulose trong các vật liệu xây dựng bắt nguồn từ cấu trúc phân tử độc đáo và hành vi hydrat hóa. Khi bột Hemc tiếp xúc với nước, liên kết hydroxyl (-OH) và ether (-O-) trên chuỗi phân tử của nó ngay lập tức hình thành liên kết hydro với các phân tử nước. Lực liên phân tử mạnh mẽ này là gốc rễ của tất cả các tính chất ứng dụng của HEMC. Khi quá trình hòa tan tiến hành, chuỗi phân tử HEMC dần dần mở ra và tạo thành cấu trúc mạng ba chiều, chuyển nước tự do thành nước ràng buộc, do đó cải thiện đáng kể độ nhớt và khả năng giữ nước của hệ thống. Sự thay đổi vi cấu trúc này được phản ánh trực tiếp trong việc cải thiện hiệu suất vật liệu xây dựng vĩ mô.

Cơ chế giữ nước là một trong những cơ chế hoạt động quan trọng nhất của HEMC. Trong các vật liệu dựa trên xi măng, HEMC đạt được chức năng giữ nước theo hai cách: một là các phân tử HEMC tạo thành liên kết hydro với các phân tử nước để chuyển đổi nước tự do thành nước liên kết; Khác là cấu trúc mạng được hình thành bởi sự vướng víu của chuỗi phân tử đại phân tử Hemc ngăn chặn sự di chuyển của nước. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ngay cả khi 0,1% -0,3% HEMC (theo trọng lượng của bột khô) được thêm vào, tốc độ giữ nước của vữa có thể được tăng từ 70% lên hơn 95%, đảm bảo rằng xi măng có thể được ngậm nước hoàn toàn trên chất nền khô hoặc xốp để tránh mất sức do thiếu nước. Hiệu ứng giữ nước của HEMC bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố: với cùng một liều lượng, độ nhớt của HEMC càng cao, khả năng giữ nước càng tốt; Sự gia tăng nhiệt độ môi trường sẽ làm giảm hiệu ứng giữ nước; và liều lượng thích hợp (thường là 0,1%-0,5%) có thể đạt được tỷ lệ giữ nước lý tưởng. Mặc dù tăng thêm liều lượng có thể cải thiện khả năng giữ nước, hiệu suất chi phí giảm.

Các tác động dày lên và thixotropic của HEMC làm thay đổi tính chất lưu biến của vật liệu xây dựng. Dung dịch HEMC có các đặc tính mỏng cắt rõ ràng - độ nhớt giảm ở tốc độ cắt cao hoặc áp dụng, thuận tiện cho các hoạt động xây dựng; trong khi nó phục hồi độ nhớt cao ở trạng thái cắt tĩnh hoặc thấp để ngăn vật liệu bị sập hoặc lắng. Đặc tính phản ứng thông minh này làm cho HEMC đặc biệt phù hợp với vữa thạch cao và chất kết dính gạch để xây dựng bề mặt thẳng đứng. Hiệu ứng làm dày chủ yếu phụ thuộc vào trọng lượng và nồng độ phân tử của HEMC - trọng lượng phân tử càng lớn và nồng độ càng cao, hiệu ứng làm dày càng có ý nghĩa. Tuy nhiên, độ nhớt quá cao sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất xây dựng, vì vậy cần phải chọn các sản phẩm HEMC với độ nhớt thích hợp theo các ứng dụng khác nhau.

Là một chất hoạt động bề mặt, HEMC thể hiện các đặc tính kép trong các vật liệu dựa trên xi măng: các nhóm ưa nước (nhóm hydroxyl và liên kết ether) và các nhóm kỵ nước (nhóm methyl và vòng glucose) trong các phân tử làm cho nó hoạt động bề mặt, có thể làm giảm sức căng bề mặt của nước và tạo ra bong bóng mịn. Những bong bóng này đóng vai trò là "vòng bi" trong vữa, cải thiện độ mịn của xây dựng và tăng năng suất bùn của vật liệu (tăng khối lượng). Tuy nhiên, quá nhiều bong bóng sẽ làm giảm sức mạnh của cơ thể cứng, vì vậy thường cần sử dụng nó kết hợp với một defoamer để đạt được cấu trúc lỗ chân lông tốt nhất. Sự xâm nhập của HEMC thường nằm trong khoảng từ 5% đến 15%, bị ảnh hưởng rất nhiều bởi liều lượng, phương pháp trộn và các chất phụ gia khác.

HEMC có tác dụng chậm phát triển đáng kể đối với quá trình hydrat hóa xi măng, có cả ưu điểm và nhược điểm. Các phân tử HEMC được hấp phụ trên bề mặt của các hạt xi măng, cản trở sự tiếp xúc giữa nước và khoáng chất, làm chậm tốc độ phản ứng hydrat hóa và kéo dài thời gian cài đặt. Tài sản chậm phát triển này rất có giá trị trong xây dựng với nhiệt độ cao vào mùa hè hoặc thời gian hoạt động dài; Nhưng nó có thể trở thành một bất lợi trong mùa đông khi nó có nhiệt độ thấp hoặc cần thiết lập nhanh chóng. Bằng cách điều chỉnh liều HEMC (thường là 0,05% -0,2% có thể kéo dài thời gian cài đặt thêm 1-4 giờ) hoặc sử dụng nó với chất tụ tụ, thời gian cài đặt có thể được kiểm soát chính xác để đáp ứng nhu cầu kỹ thuật.

Cơ chế tăng cường liên kết của HEMC bao gồm cả hiệu ứng vật lý và hóa học. Về mặt vật lý, HEMC làm tăng độ nhớt của vữa và tăng diện tích tiếp xúc với chất nền; Về mặt hóa học, các nhóm cực trong các phân tử HEMC tạo thành liên kết hydro và lực van der Waals với bề mặt của vật liệu vô cơ. Trong các ứng dụng như chất kết dính gạch và vữa thạch cao, HEMC có thể cải thiện đáng kể cường độ liên kết (thường là 20%-50%) và giảm nguy cơ rỗng và giảm. Hiệu ứng tăng cường liên kết này đặc biệt rõ ràng trên các bề mặt mịn hoặc chất nền hấp thụ nước thấp (như gạch thủy lực).

3. Hiệu suất ứng dụng của HEMC trong vữa hỗn hợp khô

Vữa hỗn hợp khô là một phần quan trọng của ngành xây dựng hiện đại và hiệu suất của nó liên quan trực tiếp đến hiệu quả xây dựng và chất lượng dự án. Hydroxyethyl methylcellulose, như một chất phụ gia quan trọng trong vữa hỗn hợp khô, có mặt trong hầu hết các công thức vữa đặc biệt và đóng vai trò không thể thay thế.

Chất kết dính gạch là một trong những khu vực điển hình nhất của ứng dụng HEMC. Trong quá trình dán vữa xi măng truyền thống, các vấn đề như rỗng và rơi ra là phổ biến và chất kết dính gạch với 0,3% -0,7% HEMC có thể giải quyết hoàn toàn các vấn đề này. HEMC tạo thành cấu trúc mạng ba chiều trong chất kết dính gạch, tạo ra vữa ướt các đặc tính chống trượt tuyệt vời. Ngay cả gạch có kích thước lớn cũng sẽ không trượt xuống tường, cải thiện đáng kể hiệu quả xây dựng và an toàn. Đồng thời, HEMC đảm bảo rằng xi măng được ngậm nước hoàn toàn thông qua việc giữ nước. Ngay cả khi nó được xây dựng trong nhiệt độ cao, môi trường gió hoặc trên chất nền hấp thụ cao, nó có thể tạo thành một cấu trúc đá xi măng cường độ cao để tránh giảm lực liên kết do không đủ hydrat hóa. HEMC cũng có thể kéo dài thời gian mở của chất kết dính gạch (thường là hơn 30 phút), cho công nhân xây dựng đủ thời gian để điều chỉnh vị trí của gạch, điều này đặc biệt quan trọng trong các dự án lớn.

Hệ thống cách nhiệt bên ngoài (ETCS) là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng khác cho HEMC. Trong các hệ thống này, HEMC chủ yếu được sử dụng để liên kết vữa và vữa thạch cao, và lượng bổ sung thường là 0,2%-0,5%. Chức năng giữ nước của Hemc đặc biệt quan trọng ở đây, bởi vì vật liệu cách nhiệt (như bảng EPS hoặc len đá) thường có độ hấp thụ nước rất thấp. Nước trong vữa truyền thống sẽ bay hơi hoặc di chuyển nhanh chóng, dẫn đến không đủ hydrat hóa xi măng. Sau khi thêm HEMC, vữa cũng có thể giữ đủ nước trên chất nền hấp thụ nước thấp để hoàn thành phản ứng hydrat hóa và đảm bảo cường độ liên kết. Đồng thời, tính linh hoạt tăng lên do sự xâm nhập của HEMC mang lại giúp giảm căng thẳng nhiệt của hệ thống cách nhiệt và giảm nguy cơ nứt.

Các yêu cầu về hiệu suất của HEMC đối với vữa tự san hô rất khác với các ứng dụng trên. Các vật liệu tự san hô cần tính lưu động tuyệt vời và khả năng tự phục hồi, nhưng chúng không thể phân tách và chảy máu, đòi hỏi phải sử dụng độ nhớt thấp nhưng HEMC giữ nước tốt. Trong ứng dụng này, liều của HEMC thường thấp (0,02%-0,1%) và nó chủ yếu đóng vai trò ổn định hệ thống để ngăn các hạt rắn lắng và nước trôi nổi. Hiệu ứng hiệp đồng của HEMC và bộ giảm nước đặc biệt nổi bật ở đây - bộ giảm nước cung cấp tính lưu động, và HEMC giữ cho hệ thống đồng nhất và ổn định. Sự kết hợp của cả hai có thể có được một vật liệu tự giảm khả năng hiệu suất cao với độ trôi chảy hơn 130mm và cường độ nén 28 ngày hơn 30MPa.

Sửa chữa vữa là một khu vực ứng dụng khác của HEMC không thể bỏ qua. Các dự án sửa chữa thường phải đối mặt với những thách thức như làm khô cơ chất, hình dạng phức tạp và phát triển sức mạnh nhanh chóng, và tính linh hoạt của HEMC được phản ánh đầy đủ ở đây. Trong sửa chữa thiệt hại cụ thể, thêm 0,3%-0,8%HEMC có thể cải thiện đáng kể cường độ liên kết giữa vữa và bê tông cũ (tăng 40-100%) và giảm các khiếm khuyết giao diện. Việc giữ nước của HEMC đảm bảo rằng nước sẽ không bị mất quá nhanh trong quá trình xây dựng trên các bề mặt dọc và trên, và hiệu ứng cài đặt chậm của nó cho vật liệu sửa chữa đủ thời gian hoạt động. Để sửa chữa nhanh chóng, thời gian cài đặt có thể được rút ngắn bằng cách điều chỉnh liều HEMC (giảm tới 0,05%-0,1%) hoặc sử dụng nó với chất đông máu. Thực hành bảo trì tòa nhà cho thấy tuổi thọ của vữa sửa chữa được sửa đổi với HEMC dài hơn 3-5 lần so với các vật liệu truyền thống, giảm đáng kể chi phí bảo trì.