甲基纖維素醚對(duì)常溫養(yǎng)護(hù)型超高性能混凝土的影響

周紅梅　彭昱翔　陳競(jìng)　黃歆彧

摘? 要：通過(guò)改變常溫養(yǎng)護(hù)型超高性能混凝土（UHPC）中羥丙基甲基纖維素醚（HPMC）的摻量，研究了纖維素醚對(duì)UHPC流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值的影響，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了分析.試驗(yàn)結(jié)果表明：摻加不超過(guò)1.00%的低粘度HPMC不影響UHPC的流動(dòng)度，但減小流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失，并延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間，大大提高施工性能;摻量低于0.50%時(shí)，對(duì)抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度的影響均不大，而一旦摻量大于0.50%，則其力學(xué)性能降低1/3以上.綜合各項(xiàng)性能考慮，推薦HPMC摻量為0.50%.

關(guān)鍵詞：超高性能混凝土;纖維素醚;常溫養(yǎng)護(hù);抗壓強(qiáng)度;抗折強(qiáng)度;抗拉強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU528.58? ???DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.02.004

0??? 引言

在我國(guó)建筑行業(yè)的高速發(fā)展下，實(shí)際工程對(duì)于混凝土性能的要求也隨之增高，超高性能混凝土（UHPC）順應(yīng)需求而產(chǎn)生.UHPC是一種具有創(chuàng)新性的水泥基建筑材料，以最大堆積密度理論設(shè)計(jì)出材料不同粒徑顆粒的最佳配比，并摻入鋼纖維和高效減水劑，具有超高抗壓強(qiáng)度、高韌性、高抗震耐久性和微裂紋強(qiáng)自愈合能力等優(yōu)良的性能[1].國(guó)外對(duì)于UHPC的技術(shù)研究較為成熟，已經(jīng)運(yùn)用于很多實(shí)際工程[2].相較于國(guó)外，國(guó)內(nèi)的研究還不夠深入[3].董健苗等[4]通過(guò)摻加不同種類及摻量的纖維，研究了纖維摻入混凝土的影響機(jī)理及規(guī)律;陳競(jìng)等[5]通過(guò)選用4種直徑的鋼纖維，研究了鋼纖維直徑對(duì)UHPC性能的影響規(guī)律.UHPC在國(guó)內(nèi)只有少量工程應(yīng)用，目前仍處于理論研究的階段.UHPC的性能優(yōu)越，已成為混凝土發(fā)展的研究方向之一，但目前仍有許多問(wèn)題有待解決.如對(duì)原材料要求較高，成本過(guò)大，制備工藝復(fù)雜等，制約了UHPC的生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展.其中，用高壓蒸汽和高溫進(jìn)行UHPC的養(yǎng)護(hù)可使其獲得更高的力學(xué)性能和耐久性能，但由于蒸汽養(yǎng)護(hù)的流程繁瑣，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求高，且只能將材料應(yīng)用局限于預(yù)制場(chǎng)，無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)澆施工，因此，實(shí)際工程不宜采用熱養(yǎng)護(hù)的方法，有必要對(duì)常溫養(yǎng)護(hù)型UHPC深入研究.

常溫養(yǎng)護(hù)型UHPC在我國(guó)正處于研究階段[4]，其水膠比極低，在現(xiàn)場(chǎng)施工中易出現(xiàn)表面失水快的現(xiàn)象.水泥基材料為了有效改善失水現(xiàn)象通常在材料中適當(dāng)?shù)丶尤胍恍┍Ｋ砘瘎?，防止材料的離析和泌水，增強(qiáng)保水性及粘結(jié)性，提高施工性能，也可有效提高水泥基材料的力學(xué)性能.羥丙基甲基纖維素醚（HPMC）作為一種聚合物增稠劑，可以有效地使水泥基材料中的聚合物膠凝漿體和材料均勻地分布，漿體中的游離水變?yōu)榻Y(jié)合水，從而不易從漿體中流失，提高了混凝土的保水性能[6-9].為降低纖維醚對(duì)UHPC的流動(dòng)性的影響，故選用低粘度的纖維素醚進(jìn)行試驗(yàn).

綜上，為在保證常溫養(yǎng)護(hù)型UHPC力學(xué)性能的基礎(chǔ)上提升其施工性能，本文根據(jù)纖維素醚的化學(xué)特性及其在UHPC漿體中的作用機(jī)理，研究低粘度纖維素醚摻量對(duì)常溫養(yǎng)護(hù)型UHPC的流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度及極限拉伸值的影響，以確定纖維素醚的適宜摻量.

1?? 試驗(yàn)方案

1.1?? 試驗(yàn)原材料及配合比

本試驗(yàn)原材料為：

1）水泥：柳州產(chǎn)P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，其主要性能見(jiàn)表1.

2）粉煤灰：柳州產(chǎn)粉煤灰，主要化學(xué)組成見(jiàn)表2.

3）礦粉：柳州產(chǎn)S95?；郀t礦渣粉.

4）硅灰：半加密硅灰，灰色粉末，SiO2含量≥92%，比表面積23 m2/g.

5）石英砂：20～40目（0.833～0.350 mm）.

6）減水劑：聚羧酸減水劑，白色粉末，減水率≥30%，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表3.

7）乳膠粉：可再分散乳膠粉.

8）纖維素醚：美國(guó)產(chǎn)羥丙基甲基纖維素METHOCEL，粘度400 MPa·s.

9）鋼纖維：平直型鍍銅微絲鋼纖維，直徑φ為0.22 mm，長(zhǎng)度都為13 mm，抗拉強(qiáng)度2 000 MPa.

經(jīng)過(guò)前期的大量試驗(yàn)研究可以確定，常溫養(yǎng)護(hù)型超高性能混凝土的基礎(chǔ)配合比為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶硅灰∶砂∶減水劑∶乳膠粉∶水=860∶42∶83∶110∶980∶11∶2∶210，鋼纖維體積摻量為2%.在此基礎(chǔ)配合比上摻入纖維素醚（HPMC）摻量的0、0.25%、0.50%、0.75%、1.00% HPMC分別設(shè)立對(duì)比試驗(yàn).

1.2?? 試驗(yàn)方法

將干粉原材料按配合比稱量好一同置于HJW-60單臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)中，開(kāi)機(jī)攪拌至均勻，加入水?dāng)嚢?3 min，關(guān)閉攪拌機(jī)，再加入稱好的鋼纖維重新開(kāi)機(jī)攪拌2 min制成UHPC漿體.

試驗(yàn)項(xiàng)目包括流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度及極限拉伸值.流動(dòng)度試驗(yàn)按JC/T 986—2018《水泥基灌漿材料》測(cè)定.凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)按GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間檢驗(yàn)方法》.抗折強(qiáng)度試驗(yàn)按GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)定.抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、軸心抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值試驗(yàn)按DLT 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)定，常溫養(yǎng)護(hù)型UHPC各項(xiàng)性能試驗(yàn)如圖1所示.

2??? 試驗(yàn)結(jié)果

2.1?? 流動(dòng)度

流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.圖2顯示了HPMC摻量對(duì)UHPC流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失的影響.由試驗(yàn)現(xiàn)象觀察到，沒(méi)有摻加纖維素醚的漿體攪拌均勻后，表面容易失水結(jié)皮，流動(dòng)性很快損失，和易性變差.加入纖維素醚后，表面沒(méi)有結(jié)皮，流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失小，和易性保持良好，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，60 min流動(dòng)度最低損失5 mm.分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，低粘度纖維素醚的摻量對(duì)UHPC初始流動(dòng)度的影響不大，對(duì)流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失有較大影響.當(dāng)不摻纖維素醚時(shí)，UHPC的流動(dòng)度損失較大，為15 mm;隨著HPMC的增大，砂漿的流動(dòng)度損失減小;當(dāng)摻量為0.75%時(shí)，UHPC的流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失最小，為5 mm;此后，隨著HPMC的增大，UHPC的流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失幾乎不變.

HPMC摻入U(xiǎn)HPC后，從兩個(gè)方面影響UHPC的流變性能：一是攪拌過(guò)程中帶入獨(dú)立存在的微小氣泡，使骨料與粉煤灰等材料形成“滾珠效應(yīng)”，增加了和易性，同時(shí)大量的膠凝材料能包裹住骨料，使骨料均勻地“懸浮”在漿體中，可自由移動(dòng)，骨料間的摩擦力減小，流動(dòng)度增大;二是增加了UHPC的黏聚力，使得流動(dòng)度減小.由于試驗(yàn)使用的是低粘度的HPMC，第一個(gè)方面與第二個(gè)方面相持平，初始流動(dòng)度變化不大，但可使經(jīng)時(shí)流動(dòng)度損失減小.根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果分析可知，在UHPC中加入適量的HPMC可以大大提高UHPC施工性能.

2.2?? 凝結(jié)時(shí)間

凝結(jié)時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.圖3是UHPC凝結(jié)時(shí)間受HPMC摻量影響的變化趨勢(shì)圖，由圖可知HPMC在UHPC中起到緩凝的作用.摻量越大，緩凝效果越明顯，當(dāng)摻量為0.50%時(shí)，砂漿的凝結(jié)時(shí)間為55 min，較對(duì)照組（40 min）增大了37.5%，增長(zhǎng)仍不明顯.摻量為1.00%時(shí)，砂漿的凝結(jié)時(shí)間為100 min，較對(duì)照組（40 min）增大了150%.

纖維素醚分子結(jié)構(gòu)特性影響其緩凝效果.纖維素醚中的根本分子構(gòu)造，即脫水葡萄糖環(huán)結(jié)構(gòu)，它可以與鈣離子進(jìn)行反應(yīng)組成糖鈣分子的化合物，降低水泥熟料水化反應(yīng)誘導(dǎo)期的鈣離子濃度，防止進(jìn)一步析出Ca（OH）2，降低了水泥水化反應(yīng)的速度，從而對(duì)水泥凝結(jié)起到延緩效果.

2.3?? 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.圖4顯示了UHPC試樣7 d、28 d抗壓強(qiáng)度與HMPC含量之間的關(guān)系.從圖4中可以清楚地看到，HPMC的添加使得UHPC抗壓強(qiáng)度的下降幅度逐漸增大.由28 d抗壓強(qiáng)度曲線可知，添加0.25%的HPMC，UHPC的抗壓強(qiáng)度略有下降，抗壓強(qiáng)度比為96%.添加至0.50%的HPMC對(duì)UHPC的抗壓強(qiáng)度比無(wú)明顯的影響.在使用范圍內(nèi)繼續(xù)添加HPMC，UHPC的抗壓強(qiáng)度有明顯下降.當(dāng)HPMC的含量增加達(dá)到1.00%時(shí)，抗壓強(qiáng)度比下降至66%，強(qiáng)度損失嚴(yán)重.由數(shù)據(jù)分析可得，添加0.50%的HPMC較為適當(dāng)，抗壓強(qiáng)度的損失小.

HPMC具有一定的引氣效果.摻入HPMC會(huì)使UHPC產(chǎn)生一定量的微氣泡，降低新拌UHPC的體積密度.漿體經(jīng)過(guò)硬化后，孔隙率逐漸增大，密實(shí)度也降低，特別是HPMC含量較高時(shí).另外，隨著HPMC引入量的增加，UHPC的孔隙中仍然存在著許多柔性的聚合物，在膠凝復(fù)合材料的基體受壓時(shí)不能起到良好的剛性和抗壓支撐的重要作用.因此，HPMC的加入大大降低了UHPC的抗壓強(qiáng)度.

對(duì)圖4的28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)兩者的相關(guān)性很高，見(jiàn)圖5.

經(jīng)回歸分析可得出纖維素醚摻量與28 d抗壓強(qiáng)度的回歸擬合方程為：

y=A1*exp（-x/t1）+y0?? ??（1）

其中：y0=133.057 38 ± 2.442 14，A1=-0.943 22 ± 0.742 69，t1=-0.258 37 ± 0.050 52. R2=0.991? 4>0.8，調(diào)整后R2adj=0.982 8，意味著纖維素醚可以解釋28 d抗壓強(qiáng)度的99.1%的變化原因，即該模型擬合可靠度高，可以用其初步分析纖維素醚添加量與常溫養(yǎng)護(hù)型UHPC抗壓強(qiáng)度的關(guān)系.

2.4?? 抗折強(qiáng)度

抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.圖6顯示了UHPC試樣7 d、28 d抗折強(qiáng)度與HMPC摻量之間的關(guān)系.由圖7可知，抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的變化曲線相類似，HMPC摻量在0～0.50%之間抗折強(qiáng)度變化不大，隨著HPMC的繼續(xù)摻加，UHPC試樣的抗折強(qiáng)度大幅下降.

HPMC對(duì)UHPC抗折強(qiáng)度的作用主要是在于3個(gè)方面：纖維素醚擁有緩凝和引氣作用，這兩方面降低了UHPC的抗折強(qiáng)度;而第三方面纖維素醚生成的柔性聚合物，降低試件剛性，使試件抗折強(qiáng)度下降略微減緩.這3個(gè)方面的同時(shí)存在，降低了UHPC試件的抗壓強(qiáng)度，也降低了抗折強(qiáng)度.

2.5?? 軸心抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值

抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.圖7顯示了UHPC試樣7 d、28 d抗拉強(qiáng)度與HMPC摻量之間的關(guān)系.隨著HPMC摻量的增加，UHPC試件的抗拉強(qiáng)度先變化幅度很小再迅速降低.由28 d軸心抗拉強(qiáng)度曲線可知，當(dāng)試件中HPMC的含量達(dá)到0.50%時(shí)，UHPC試件的軸心抗拉強(qiáng)度值為12.2 MPa，抗拉強(qiáng)度比為103%.隨著試件HPMC含量的進(jìn)一步增加，軸心抗拉強(qiáng)度值開(kāi)始大幅下降.當(dāng)試件HPMC含量分別為0.75%和1.00%時(shí)，抗拉強(qiáng)度比分別為94%和78%，均低于未使用HPMC時(shí)UHPC的軸心抗拉強(qiáng)度.

極限拉伸值的試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示.圖8顯示了UHPC試樣7 d、28 d極限拉伸值與HMPC摻量之間的關(guān)系.從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，剛開(kāi)始隨著纖維素醚的增加極限拉伸值幾乎不變，在纖維素醚摻量達(dá)到0.50%后開(kāi)始迅速下降.

HPMC的添加量對(duì)UHPC試件的軸心抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值的影響均呈現(xiàn)保持幾乎不變而后降低的變化趨勢(shì).究其原因主要是由于HPMC能在水化水泥顆粒之間直接形成一層防水的聚合物密封膜，起到了密封的作用，使得一定量的水儲(chǔ)存在UHPC中，為水泥進(jìn)一步水化的不斷發(fā)展提供必要的水，從而提高了水泥的強(qiáng)度.HPMC的加入提高了UHPC的粘結(jié)性，賦予了漿體柔韌性，使得UHPC充分適應(yīng)基層材料的收縮和變形，略微提高UHPC的抗拉強(qiáng)度.然而當(dāng)HPMC的含量超過(guò)臨界值時(shí)，夾帶的空氣對(duì)試件強(qiáng)度的不利影響開(kāi)始逐漸起到了主導(dǎo)作用，試件的軸心抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值開(kāi)始降低.

3??? 結(jié)論

1）HPMC能顯著改善常溫養(yǎng)護(hù)型UHPC的工作性能，延長(zhǎng)其凝結(jié)時(shí)間和降低新拌UHPC的流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失.

2）HPMC的添加在漿體攪拌過(guò)程中引入一定量的微小氣泡，添加量過(guò)大，氣泡聚集過(guò)多，形成更大的氣泡，漿體粘結(jié)性大，氣泡無(wú)法溢出破裂，固化后形成大的孔隙，硬化后的UHPC密實(shí)度下降;加之HPMC生成的柔性聚合物承壓時(shí)起不到剛性支撐作用，抗壓和抗折強(qiáng)度隨之大幅度下降.

3）摻加HPMC使得UHPC具有可塑性和柔韌性，UHPC試件的軸心抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值隨著HPMC摻量的增加而幾乎不發(fā)生變化，但是當(dāng)HPMC摻量超過(guò)一定值后，軸心抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值大幅降低.

4）配制常溫養(yǎng)護(hù)型UHPC時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制HPMC的摻量.在摻量0.50%時(shí)，能較好地協(xié)調(diào)常溫養(yǎng)護(hù)型UHPC工作性能與力學(xué)性能之間的關(guān)系.

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The influence of methylcellulose ether on the properties of

room temperature curing ultra high performance concrete

ZHOU Hongmei1， PENG Yuxiang1， CHEN Jing2， HUANG Xinyu1

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2.Liuzhou OVM Structure Testing Technology Co. Ltd.， Liuzhou 545005， China）

Abstract： By changing the content of hydroxypropyl methyl cellulose ether （HPMC） in room ?????temperature curing ultra-high performance concrete （UHPC）， the effects of cellulose ether on the ?fluidity， setting time，compressive strength， flexural strength， axial tensile strength and ultimate tensile value of UHPC were studied. And the results were analyzed. The test results show that the addition of low viscosity HPMC with less than 1.00% does not affect the fluidity of UHPC， but reduces the ?time-lapse loss of fluidity， prolongs the setting time， and greatly improves the construction? ?????performance; when the content is less than 0.50%， the impact on the compressive strength， flexural strength and axial tensile strength is not great， but once the content is greater than 0.50%， the? ?mechanical properties of UHPC will be reduced by more than 1/3 times. Considering the properties， the HPMC content of 0.50% is recommended.

Key words： ultra high performance concrete; cellulose ether; room temperature curing; compressive strength; flexural strength; tensile strength

（責(zé)任編輯：羅小芬、黎?? 婭）

收稿日期：2020-08-16

基金項(xiàng)目：廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2018GXNSFAA281284）資助.

作者簡(jiǎn)介：周紅梅，教授級(jí)高工，研究方向：建筑新型環(huán)保材料的研發(fā)，E-mail：289953835@qq.com.