硫酸钠对纤维素醚改性水泥浆粘度的影响

欧志华,毛泰威,刘锡军,王　彦

(1.湖南工业大学土木工程学院，株洲　412007；2.湖南科技大学土木工程学院，湘潭　411201)



硫酸钠对纤维素醚改性水泥浆粘度的影响

欧志华1,2,毛泰威1,刘锡军2,王彦2

(1.湖南工业大学土木工程学院，株洲412007；2.湖南科技大学土木工程学院，湘潭411201)

纤维素醚在应用过程中有时会出现粘性明显降低。本文研究了硫酸钠对纤维素醚溶液和纤维素醚改性水泥浆的粘度的影响。结果表明，超过一定掺量的硫酸钠可以使纤维素醚溶液和纤维素醚改性水泥浆中的纤维素醚发生盐析，使纤维素醚失去对水泥浆的增粘作用；不同种类的纤维素醚，发生盐析时的最低硫酸钠掺量不同；纤维素醚发生盐析取决于硫酸钠的在水溶液中的浓度，受纤维素醚浓度和水泥掺量的影响很小。

硫酸钠; 纤维素醚; 水泥浆; 粘度; 盐析

1　引　言

纤维素醚是砂浆和混凝土等水泥基材料的重要增粘剂[1,2]。根据取代基的不同，用于水泥基材料中的纤维素醚通常包括甲基纤维素醚(methyl cellulose，MC)、羟乙基纤维素醚(hydroxyethyl cellulose，HEC)、羟乙基甲基纤维素醚(hydroxyethyl methyl cellulose，HEMC)和羟丙基甲基纤维素醚(hydroxypropyl methyl cellulose，HPMC)，其中以HPMC和HEMC的应用最为普遍。

纤维素醚的增粘作用能够赋予湿砂浆优良的粘稠性，显著增加湿砂浆与基层的粘结能力，提高砂浆的抗下垂性能。还可以增加新拌水泥基材料的匀质性和抗分散能力，防止砂浆和混凝土的分层、离析和泌水[3]。但在工程应用过程中，有时候出现纤维素醚粘性明显降低甚至失去增粘效果的情况，这可能是由于纤维素醚存在质量问题，也可能是因为纤维素醚与其它外加剂之间发生相互物理和化学作用。硫酸钠是水泥基材料中一种常用外加剂，无机盐可能导致纤维素醚溶液发生盐析[4]，但在水泥浆中，几乎未看到有文献研究无机盐与纤维素醚相互作用。本文研究硫酸钠对纤维素醚溶液和纤维素醚改性水泥浆粘度的影响，为在水泥浆中正确使用纤维素醚和无机盐类外加剂提供依据。

2　实　验

2.1原材料

(1)纤维素醚。选择了在我国国内常用的9种纤维素醚(未改性)用于试验研究。纤维素醚的编号、种类和粘度如表1所示。纤维素醚的黏度采用NDJ-1B型旋转粘度计(上海昌吉公司)测试，测试溶液浓度为2.0%，温度为20 ℃，粘度计旋转速率为12 r/min。

表1　纤维素醚的编号、种类和粘度

(2)水泥。武汉华新水泥股份有限公司生产的普通硅酸盐水泥，规格为P·O 42.5(GB 175-2007)。

(3)无水硫酸钠。分析纯(GB/T 9853-2008)，国药集团化学试剂有限公司生产。

2.2纤维素醚溶液的粘度测量方法

取规定质量的纤维素醚样品，加入到250 mL的玻璃烧杯中，然后加入90 ℃左右的热水250 g；用玻璃棒充分搅拌，使纤维素醚在热水中形成均匀的分散体系，同时将烧杯置于空气中冷却，当溶液开始产生粘度，并不会再沉淀时，立即停止搅拌；溶液在空气中冷却至颜色均匀时，将烧杯放入恒温水浴锅中，恒温至规定温度(如20 ℃)，误差为±0.1 ℃；2 h(从纤维素醚与热水接触的时间算起)后，用温度计测量溶液中心的温度，若已经达到规定温度，将旋转粘度计(NDJ-1B型，上海昌吉地质仪器有限公司生产)的转子插入溶液中至规定深度，静置5 min后，测定其粘度，测试时旋转粘度计转子的旋转速度为12 r/min。

2.3纤维素醚改性水泥浆的粘度测量

实验前将所有原材料恒温至规定温度，称取规定质量的纤维素醚、水泥和硫酸钠粉末，充分混合，在250 mL玻璃烧杯中按规定水灰比加入规定温度的拌合水(自来水)；再将干粉加入烧杯中，在3 min内用玻璃棒充分搅拌300次，将旋转粘度计(NDJ-1B型，上海昌吉地质仪器有限公司生产)的转子插入水泥浆中至规定深度，静置2 min后，测定其粘度。

3　结果与讨论

3.1硫酸钠对纤维素醚溶液粘度的影响

图1反映了无水硫酸钠对纤维素醚溶液粘度的影响，其中图1a是无水硫酸钠对P2、E1、M1、M2、H1和H2共6种纤维素醚溶液粘度的影响，纤维素醚溶液的浓度都是2%，图1b是无水硫酸钠对P2和E1两种纤维素醚溶液在浓度分别为1%和2%时的粘度的影响。由图1可知，随着硫酸钠浓度的增加，纤维素醚溶液的粘度开始基本保持不变，当硫酸钠的浓度超过一定值时，所有纤维素醚溶液都会发生“盐析”而失去粘性，表现为粘度骤降接近1，溶液静置后变成絮凝状或松散沉淀(图2)。

通过图1a还发现，对于浓度为2%的6种纤维素醚溶液，开始发生盐析时的硫酸钠浓度不相同，HEC(H1和H2)溶液开始发生盐析时的硫酸钠浓度最高，在10%～12%之间，HEMC(E1)和HPMC(P2)溶液开始发生盐析时的硫酸钠的浓度在4%～5%之间，MC(M1和M2)溶液开始发生盐析时的硫酸钠浓度最小，在3%～5%之间。从图1b中还可以看出，对于同一种纤维素醚溶液(P2或E1)，在浓度为1%和2%时，开始发生盐析时的硫酸钠浓度是一样的，这说明纤维素醚溶液的盐析主要取决于硫酸钠的浓度，与纤维素醚溶液的浓度无关，或者说与硫酸钠和纤维素醚的质量比无关。

图1　硫酸钠对纤维素醚溶液粘度的影响Fig.1　Influence of sodium sulfate on the viscosity of cellulose ethers solution

图2　纤维素醚溶液的“盐析”Fig.2　"Salt precipitation" of cellulose ethers solution

3.2硫酸钠对纤维素醚改性水泥浆粘度的影响

图3　硫酸钠对纤维素醚改性水泥浆粘度的影响Fig.3　Influence of sodium sulphate on the viscosity of cement pastes modified by cellulose ethers(w/c=0.65,p/c=0.6%)

图3反映了无水硫酸钠对E1、P1、M3和H3四种纤维素醚改性水泥浆粘度的影响，由于实验材料需求量大，做这一部分实验时，3.1节实验中的P2、M1、M2、H1和H2已经用完，因此使用了P1、M3和H3三种纤维素醚。考虑到工程实践应用中，硫酸钠的掺量通常是以相对水泥质量的百分比来描述的，图3中的横坐标为硫酸钠与水泥的质量比的百分数，即硫酸钠相对水泥的掺量。水泥浆的水灰比w/c为0.65，聚灰比p/c(纤维素醚与水泥的质量比)为0.6%。从图3可以看出，随着硫酸钠掺量的增加，纤维素醚改性水泥浆的粘度开始基本保持不变，当硫酸钠相对水泥的掺量超过一定值时，纤维素醚改性水泥浆的粘度会突然大幅降低，降低后的粘度值与纯水泥浆的粘度值大致相当。显然，在水泥浆中，硫酸钠仍可使纤维素醚发生“盐析”，从而使纤维素醚失去对水泥浆的增粘作用。

与纤维素醚溶液中的情况一致，不同种类的纤维素醚改性水泥浆中，纤维素醚开始发生盐析时的硫酸钠掺量也不相同，HEC(H3)改性水泥浆中，纤维素醚开始发生盐析时的硫酸钠掺量在7%～8%之间，HEMC(E1)和HPMC(P1)改性水泥浆中，纤维素醚开始发生盐析时的硫酸钠掺量在3%～4%之间，而MC(M3)改性水泥浆中，纤维素醚开始发生盐析时的硫酸钠掺量最小，大约在2%～3%之间。由于水泥浆的水灰比为0.65，将上述硫酸钠相对水泥的掺量换算成硫酸钠在水溶液中的浓度，它们分别是，HEC：10.8%～12.3%，HEMC和HPMC：4.6%～6.2%，MC：3.1%～4.6%，这与纤维素醚在水溶液中开始发生盐析时的硫酸钠的浓度是大致相同的(图1)，这说明纤维素醚发生盐析现象主要取决于硫酸钠的在水溶液中的浓度，受水泥掺入的影响很小。

3.3分析与讨论

硫酸钠在水泥基材料中的掺量通常小于水泥质量的1%，根据3.2的结果，这个掺量不足以导致纤维素醚在新拌水泥基材料中发生盐析，但是，在硫酸钠的掺量较高，或者添加其它无机外加剂时，纤维素醚(尤其是MC)有可能发生盐析；此外，由于含甲基的纤维素醚分子具有热致凝胶性[5]，当环境温度较高时，纤维素醚的水合作用减弱，使纤维素醚产生盐析的最低硫酸钠浓度还会降低，因此，在工程应用中还是应该注意硫酸钠可能导致纤维素醚对水泥基材料增粘失效，必要时可以使用HEC代替MC、HPMC和HEMC，防止盐析的发生。

4　结　论

本文分别研究了硫酸钠对纤维素醚溶液粘度和纤维素醚改性水泥浆粘度的影响，主要结论如下：

(1)硫酸钠加入到纤维素醚溶液中并超过一定浓度后，纤维素醚溶液会发生盐析而失去粘性；不同品种的纤维素醚溶液开始发生盐析时的硫酸钠浓度不同，HEC溶液中比较高(11%～12%)，MC溶液中比较低(3%～5%)，HPMC溶液和HEMC溶液中略高于MC溶液(3%～5%)；纤维素醚溶液的盐析只取决于硫酸钠的浓度，与纤维素醚溶液的浓度无关；

(2)硫酸钠对纤维素醚改性水泥浆粘度的影响规律与硫酸钠对纤维素醚溶液粘度的影响规律相似；超过一定掺量的硫酸钠可以使水泥浆中的纤维素醚发生盐析，从而使纤维素醚失去对水泥浆的增粘作用；不同种类的纤维素醚改性水泥浆中，纤维素醚开始发生盐析时的硫酸钠掺量也不相同，HEC改性水泥浆在7%～8%之间，HEMC和HPMC改性水泥浆在3%～4%之间，MC改性水泥浆在2%～3%之间。纤维素醚发生盐析现象取决于硫酸钠的在水溶液中的浓度，受水泥掺入的影响很小。

[1] 欧志华,马保国,蹇守卫.非离子纤维素醚在新拌水泥基材料中的作用及研究进展[J].硅酸盐通报,2012,31(1):1-4.

[2] 黄洪财,马保国,邢伟宏.矿物掺合料对建筑石膏的改性及机理研究[J].非金属矿,2008,31(2):27-30.

[3] 钟世云,鲍明轩, 薛明.聚羧酸盐减水剂自密实混凝土的流变性能参数[J].建筑材料学报,2006,(5):521-526.

[4] 邵自强.纤维素醚[M].北京:化学工业出版社,2007:44.

[5] 欧志华,毛泰威,刘锡军,等.干混砂浆用纤维素醚溶液的黏度测试方法探讨[J].湖南工业大学报,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

湖南省建设厅科技计划项目(C10108)

欧志华(1975-)，男，博士，高级工程师.主要从事建筑材料与建筑节能方面的研究.

TQ172

A

1001-1625(2016)03-0721-04