羥丙基甲基纖維素醚對(duì)機(jī)噴水泥砂漿性能的影響

劉鵬飛，蘭明章，項(xiàng)斌峰，趙旭東，崔素萍

（北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，北京 100124）

羥丙基甲基纖維素醚對(duì)機(jī)噴水泥砂漿性能的影響

劉鵬飛，蘭明章，項(xiàng)斌峰，趙旭東，崔素萍

（北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，北京 100124）

纖維素醚是機(jī)噴砂漿中必不可少的添加劑。研究了4種不同黏度的羥丙基甲基纖維素醚（HPMC）對(duì)機(jī)噴砂漿保水性能、密度、含氣量、力學(xué)性能和孔徑分布的影響。研究表明：HPMC能夠顯著提高砂漿的保水性能，摻量在0.15%時(shí)保水率均可超過(guò)90%；隨HPMC摻量增加砂漿的密度逐漸降低，摻量在0.05%～0.20%時(shí)密度降低最為明顯；砂漿的含氣量隨HPMC摻量的增加而增加；HPMC會(huì)明顯降低水泥砂漿的力學(xué)性能，但砂漿的折壓比會(huì)有升高趨勢(shì)；摻入HPMC后砂漿的孔徑尺寸顯著增大，有害孔和多害孔所占比例明顯增加。

砂漿；羥丙基甲基纖維素醚；保水率；孔徑分布

0 前言

近年來(lái)，隨著工業(yè)的不斷進(jìn)步和技術(shù)的提高，通過(guò)引進(jìn)和改善國(guó)外的砂漿噴涂機(jī)，機(jī)械噴涂抹灰技術(shù)在我國(guó)得到了很大的發(fā)展。機(jī)械噴涂砂漿不同于一般砂漿，要求其有較高的保水性能、合適的流動(dòng)度和一定的抗流掛性能，通常情況下均會(huì)在砂漿中添加纖維素醚，其中以羥丙基甲基纖維素醚（HPMC）的應(yīng)用最為廣泛。HPMC在砂漿中的主要作用是：優(yōu)良的保水能力、增稠增黏和調(diào)整流變性。但是HPMC的缺點(diǎn)也不容忽視，HPMC具有引氣作用，會(huì)造成內(nèi)部較多缺陷，嚴(yán)重降低砂漿的力學(xué)性能。本文從宏觀方面研究了HPMC對(duì)砂漿保水率、密度、含氣量、力學(xué)性能等方面的影響，并從微觀方面研究了HPMC對(duì)砂漿孔結(jié)構(gòu)的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：市售P·O42.5水泥，其28 d抗折和抗壓強(qiáng)度分別為6.9、48.2 MPa；砂子：承德細(xì)河沙，40～100目；纖維素醚：河北某公司生產(chǎn)的羥丙基甲基纖維素醚，白色粉末，標(biāo)稱黏度為40、100、150、200 Pa·s；水：潔凈的自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)JGJ/T 105—2011《機(jī)械噴涂抹灰施工規(guī)程》規(guī)定，砂漿的稠度為80～120 mm，保水率大于90%。本試驗(yàn)中，灰砂比定為1∶5，稠度控制在（93±2）mm，纖維素醚采用外摻法，其摻量均按占水泥質(zhì)量計(jì)。砂漿的濕密度、含氣量、保水率、稠度等基本性能參照J(rèn)GJ 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，其中含氣量按照密度法進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算。試件的制備、抗折和抗壓強(qiáng)度測(cè)試參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行。孔徑采用壓汞法測(cè)試，壓汞儀型號(hào)為AUTOPORE 9500，測(cè)量范圍為5.5 nm～360 μm，共進(jìn)行4組試驗(yàn)，灰砂比1∶5，HPMC黏度為100 Pa·s、摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%（編號(hào)分別為A、B、C、D）。

2 結(jié)果與分析

2.1 HPMC對(duì)水泥砂漿保水率的影響

保水性是指砂漿能夠保住水分的能力。在機(jī)噴砂漿中，加入纖維素醚能夠有效保持水分，減少泌水率，滿足水泥基材料充分水化的要求。HPMC對(duì)砂漿保水率的影響見(jiàn)圖1。

圖1 不同黏度和摻量HPMC對(duì)砂漿保水率的影響

由圖1可以看出，隨著HPMC摻量的增加，砂漿的保水率逐漸增大。黏度為100、150和200 Pa·s的纖維素醚曲線變化基本一致，摻量在0.05%～0.15%時(shí)保水率直線增加，摻量為0.15%時(shí)保水率均大于93%；摻量超過(guò)0.20%后，保水率增大趨勢(shì)變得平緩，說(shuō)明HPMC摻量已接近飽和。黏度為40 Pa·s的HPMC摻量對(duì)保水率的影響曲線近似為1條直線，摻量大于0.15%后，砂漿的保水率明顯低于同摻量其它3種黏度的HPMC。一般認(rèn)為纖維素醚的保水機(jī)理為：纖維素醚分子上的羥基和醚鍵上的氧原子會(huì)與水分子締合成氫鍵，使游離水變成結(jié)合水，從而起到很好的保水作用[1]；也有人認(rèn)為，水分子與纖維素醚分子鏈間的相互擴(kuò)散作用使水分子得以進(jìn)入纖維素醚大分子鏈內(nèi)部，并受到較強(qiáng)的約束力，從而提高了水泥漿的保水性[2]。優(yōu)良的保水性能夠使砂漿保持勻質(zhì)性，不易離析，并獲得良好的攪拌性能，同時(shí)能減小對(duì)機(jī)械的磨損，增加砂漿噴涂機(jī)的壽命。

2.2 HPMC對(duì)水泥砂漿密度和含氣量的影響（見(jiàn)圖2、圖3）

由圖2可以看出，HPMC摻量在0～0.20%時(shí)，隨HPMC摻量的增加，砂漿的密度急劇降低，由2050 kg/m3下降至1650kg/m3左右，降低約20%；HPMC摻量超過(guò)0.20%后密度降低趨于平緩。對(duì)比4種不同黏度的HPMC可知，黏度越大，砂漿的密度越?。粨金ざ确謩e為150、200 Pa·s HPMC的砂漿密度曲線基本重合，說(shuō)明隨著HPMC黏度的繼續(xù)增大，砂漿的密度不再減小。

圖2 不同黏度和摻量HPMC對(duì)砂漿密度的影響

圖3 不同黏度和摻量HPMC對(duì)砂漿含氣量的影響

由圖3可以看出，砂漿的含氣量變化規(guī)律與砂漿的密度變化相反，HPMC摻量在0～0.20%時(shí)，隨HPMC摻量的增加，砂漿的含氣量幾乎呈直線上升；HPMC摻量超過(guò)0.20%后，含氣量幾乎不再變化，說(shuō)明砂漿的引氣作用接近飽和。黏度為150和200 Pa·s的HPMC引氣作用要大于黏度為40和100 Pa·s的HPMC。

纖維素醚的引氣作用主要是由其分子結(jié)構(gòu)決定的，纖維素醚同時(shí)具有親水基團(tuán)（羥基、醚基）和憎水基團(tuán)（甲基、葡萄糖環(huán)），是一種表面活性劑，具有表面活性，從而具有引氣效應(yīng)[3]。引入的氣體一方面能夠在砂漿中起到滾珠軸承的作用，改善砂漿的工作性能，并能增加體積，提高產(chǎn)量，對(duì)于生產(chǎn)廠家是有利的。但另一方面，引氣作用增加了砂漿的含氣量和硬化后的孔隙率，導(dǎo)致有害孔增多，使得力學(xué)性能大為降低。HPMC雖然有一定的引氣作用，但不能取代引氣劑。另外，當(dāng)HPMC和引氣劑同時(shí)使用時(shí)可能導(dǎo)致引氣劑失效[4]。

2.3 HPMC對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響（見(jiàn)圖4）

圖4 不同黏度和摻量HPMC對(duì)砂漿力學(xué)性能的影響

由圖4（a）和圖4（b）可以看出，當(dāng)HPMC摻量?jī)H為0.05%時(shí)，砂漿的抗折強(qiáng)度降低明顯，較未摻HPMC的空白試樣降低約25%，抗壓強(qiáng)度僅能達(dá)到空白試樣的65%～80%。當(dāng)HPMC摻量超過(guò)0.20%后，砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度降低幅度不明顯。HPMC黏度大小對(duì)砂漿的力學(xué)性能影響不明顯。HPMC引入很多微小的氣泡，對(duì)砂漿的引氣作用使砂漿內(nèi)部空隙率增大，有害孔增多，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均明顯下降。砂漿強(qiáng)度降低的另外一個(gè)原因就是纖維素醚的保水作用，使得水分保留在硬化砂漿內(nèi)部，大的水膠比導(dǎo)致試塊強(qiáng)度降低[5]。對(duì)于機(jī)械施工的砂漿，雖然纖維素醚能夠顯著提高砂漿的保水率和改善其工作性，但如果摻量過(guò)大，會(huì)嚴(yán)重影響砂漿的力學(xué)性能，所以應(yīng)合理權(quán)衡二者之間的關(guān)系。

由圖4（c）可以看出，隨著HPMC摻量的增加，砂漿的折壓比整體呈增加趨勢(shì)，基本為線性關(guān)系。這是由于加入的纖維素醚引入大量的氣泡，造成砂漿內(nèi)部產(chǎn)生缺陷增多，導(dǎo)致砂漿的抗壓強(qiáng)度急劇降低，而抗折強(qiáng)度雖也有一定幅度降低；但纖維素醚能夠提高砂漿柔韌性，對(duì)抗折強(qiáng)度有利，使得降低幅度變緩，綜合考慮，二者的共同作用導(dǎo)致壓折比有所增加。

2.4 HPMC對(duì)砂漿孔徑的影響

通過(guò)壓汞儀測(cè)得A、B、C、D四組試樣的孔徑分布曲線見(jiàn)圖5?？讖椒植冀y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和各統(tǒng)計(jì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表1。

圖5 HPMC對(duì)砂漿孔徑的影響

表1 孔徑分布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和各統(tǒng)計(jì)參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果

由A～D試樣的孔徑分布曲線、孔徑分布數(shù)據(jù)和各統(tǒng)計(jì)參數(shù)可知，HPMC對(duì)水泥砂漿的孔結(jié)構(gòu)有很大的影響：

（1）摻入HPMC后，水泥砂漿的孔徑尺寸明顯增大。在孔徑分布曲線上體現(xiàn)為圖像的面積向右移動(dòng)，峰值對(duì)應(yīng)的孔徑值變大。同樣由表1中的中值孔徑可以看出，摻加HPMC后水泥砂漿的中值孔徑較空白試樣明顯增大，0.3%摻量的試樣中值孔徑較空白樣提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)。

（2）吳中偉等[6]將混凝土中的孔隙劃分為4類，分別是無(wú)害孔（≤20 nm）、少害孔（20～100 nm）、有害孔（100～200 nm）和多害孔（≥200 nm）。由表1可以看出，摻加HPMC后無(wú)害孔或少害孔的數(shù)量明顯減少，有害孔或多害孔數(shù)量增多。未摻HPMC樣品的無(wú)害孔或少害孔約為49.4%，摻加HPMC后無(wú)害孔或少害孔明顯減少，以摻量0.1%為例，無(wú)害孔或少害孔減少約45%，大于10 μm的多害孔增加了約9倍。

（3）中值孔徑、平均孔徑、比孔容和比表面積隨HPMC摻量的增加并不遵循十分嚴(yán)格的變化規(guī)律，這可能與壓汞試驗(yàn)中樣品選擇具有較大離散性有關(guān)[7]。但從整體來(lái)看，摻HPMC試樣的中值孔徑、平均孔徑和比孔容較空白試樣為增大趨勢(shì)，而比表面積有所降低。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）砂漿的保水率隨HPMC摻量的增加而增加，黏度為100、150和200 Pa·s的纖維素醚曲線變化基本一致，在摻量為0.15%時(shí)保水率均大于93%；黏度為40 Pa·s的纖維素醚摻量大于0.15%后，保水率低于其它3種黏度的HPMC。

（2）砂漿的密度隨HPMC摻量增加而逐漸降低，摻量在0.05%～0.20%時(shí)密度降低最為明顯，降低約20%；摻量超過(guò)0.20%后密度幾乎不再變化；砂漿的含氣量與隨HPMC摻量的增加而增大。

（3）HPMC摻量的增加會(huì)明顯降低水泥砂漿的力學(xué)性能，但砂漿相應(yīng)的折壓比會(huì)有升高趨勢(shì)，砂漿柔韌性變好。

（4）摻入HPMC后，砂漿的孔徑明顯增大，有害孔和多害孔所占比例明顯增加。HPMC摻量為0.1%的試樣較空白試樣無(wú)害孔或少害孔減少約45%，大于10μm的多害孔增加了約9倍。

[1]張承志，王愛(ài)勤，董芹芹，等.乳膠粉與纖維素醚對(duì)硬化水泥石干縮行為影響的差異與相互作用[C].中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì).第二屆全國(guó)商品砂漿學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.北京，2007：163-169.

[2]楊元霞.甲基纖維素對(duì)新拌水泥漿體性能的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2004，7（2）：221-226.

[3]歐志華，馬保國(guó)，蹇守衛(wèi).非離子型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（1）：96-98.

[4]蔡劍育.引氣劑對(duì)預(yù)拌砂漿性能的影響[J].新型建筑材料，2014（7）：32-34.

[5]管學(xué)茂，羅樹(shù)瓊.纖維素醚對(duì)加氣混凝土用抹灰砂漿性能的影響研究[J].混凝土，2006（10）：35-37.

[6]吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1999.

[7]楊林虎，朱涵，張亞梅.橡膠集料對(duì)水泥砂漿結(jié)構(gòu)的影響[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，44（12）：1084-1087.

Influence of hydroxypropyl methyl cellulose ether on properties of machine spraying mortar

LIU Pengfei，LAN Mingzhang，XIANG Binfeng，ZHAO Xudong，CUI Suping
（Department of Material Science and Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Abstrcact：Cellulose ether is an essential additive in mortar of machine spraying.The influence of four different viscosity hydroxypropyl methyl cellulose ether（HPMC）on water retention，density，air content，strength and pore size distribution was experimentally investigated.The results show that HPMC can significantly improve the water retention of mortar and the water retention can be over 90%when it was added to 0.15%，density of mortar decreases when HPMC content increasing，and density decreases most obviously when the content between 0.05%and 0.2%，air content of mortar increases with HPMC content increasing；HPMC will significantly reduce the mechanical properties of the cement mortar，but increase fold pressure ratio；the pore size of mortar increases significantly after adding HPMC and proportion of harmful hole and multiple hole increases significantly.

mortar，hydroxypropyl methyl mellulose ether，water retention，pore size distribution

TU528.53

A

1001-702X（2016）07-0049-04

2015-11-27；

2016-01-14

劉鵬飛，男，1989年生，河北邢臺(tái)人，碩士研究生。