HPMC對(duì)混凝土性能的影響研究

潘家軍，牛茂威，秦露

（重慶建研科之杰新材料有限公司，重慶 璧山 402760）

0 前言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求量的不斷增加，混凝土作為基建的必要材料之一，在基建各個(gè)工程領(lǐng)域中也發(fā)揮著巨大的作用。與此同時(shí)，天然砂資源緊缺及國(guó)家環(huán)保政策限制，導(dǎo)致機(jī)制砂的應(yīng)用迅速增加，但機(jī)制砂存在顆粒級(jí)配不良、斷檔等問題，所以混凝土易出現(xiàn)和易性差、離析、泌水等問題，使得混凝土的施工性能、質(zhì)量波動(dòng)較大。使用復(fù)合聚羧酸高性能減水劑是改善混凝土性能的一種方法，而其中增稠劑的應(yīng)用則可以改善混凝土和易性差、離析、泌水等問題。有研究表明，羥丙基甲基纖維素（HPMC）作為增稠劑，可有效地改善混凝土和易性、保水性以及抗壓強(qiáng)度等性能[1]。

本文研究了不同分子量的 HPMC（5W、10W、15W），在不同摻量下對(duì)混凝土坍落度和擴(kuò)展度、保水性能的影響，觀察 HPMC 對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，期望對(duì) HPMC 作為減水劑復(fù)配小料應(yīng)用于混凝土提供理論和實(shí)際參考。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）水泥為臺(tái)泥 P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥；粉煤灰：Ⅱ級(jí)灰，需水比為 100%；礦粉為 S95，比表面積為 430m2/kg。水泥的性能指標(biāo)結(jié)果見表1。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

（2）減水劑為緩凝型聚羧酸減水劑，摻量據(jù)實(shí)際需求確定，推薦摻量為 2.0% 左右。

（3）試驗(yàn)砂為水洗機(jī)制砂與石粉機(jī)制砂，其中：水洗機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為 2.6，MB 值為 1.4；石粉機(jī)制砂細(xì)度模數(shù) 2.8，石粉含量 12.1%，MB 值 2.1。粗骨料由大石（10～20mm）和小石（5～10mm）組成，壓碎值為 10.0%。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）將不同分子量的 HPMC 按照減水劑配方的不同摻量（0.05%、0.10%、0.20%）復(fù)配均勻，然后連同拌和水一起加入混凝土中攪拌，攪拌時(shí)間為 90s。

（2）混凝土坍落度、擴(kuò)展度、泌水率的測(cè)試根據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為 25℃，濕度為 60%。

（3）摻入 HPMC 后的混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試按照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，成型 100mm×100mm ×100mm 試塊，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，測(cè)定混凝土指定齡期的抗壓強(qiáng)度。

1.3 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C30，其配合比和原材料的用量見表2。

表2 C30 配合比及原材料用量 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 HPMC 對(duì)混凝土坍落度和擴(kuò)展度的影響

混凝土在澆筑施工過程中，需要混凝土具有一定的流動(dòng)性，以保證泵送及到作業(yè)面振搗施工的順利，而混凝土流動(dòng)性主要以坍落度和擴(kuò)展度來表征。故對(duì)不同分子量 HPMC 及摻量的混凝土坍落度和擴(kuò)展度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見表3 及圖 1、2。

表3 及圖 1 結(jié)果表明，不同分子量 HPMC 對(duì)混凝土坍落度存在影響，其影響程度存在差異。隨著 HPMC 分子量、摻量的增加，混凝土坍落度呈現(xiàn)先增加再減小趨勢(shì)。表3 及圖 2 表明，不同分子量 HPMC 對(duì)混凝土擴(kuò)展度存在影響，其影響程度存在差異。隨著 HPMC 分子量、摻量的增加，擴(kuò)展度均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。其中 10W 分子量的 HPMC 隨摻量增加對(duì)混凝土流動(dòng)性影響較緩和，5W 分子量的 HPMC 加入后混凝土影響程度較小，15W 分子量的 HPMC 加入后混凝土對(duì)摻量增加反應(yīng)較敏感。從試驗(yàn)結(jié)果來看，綜合對(duì)混凝土坍落度、擴(kuò)展度的影響及混凝土和易性要求，10W 分子量的 HPMC 效果最好。

表3 HPMC 對(duì)混凝土工作性能的影響

圖1 HPMC 對(duì)混凝土坍落度的影響

圖2 HPMC 對(duì)混凝土擴(kuò)展度的影響

不同分子量的 HPMC 加入混凝土的坍落度和擴(kuò)展度有影響作用，但作用效果不盡相同。HPMC 屬高分子聚合物，具有增稠作用[2]，減水劑復(fù)配加入 HPMC 后可以增加混凝土的粘聚性，使得混凝土流動(dòng)性和包裹性增加，從而增加坍落度、減小擴(kuò)展度。但 HPMC 的增稠作用與其分子量和摻量有關(guān)，分子量越高、摻量越高，增稠作用越明顯，達(dá)一定程度會(huì)降低坍落度。同時(shí)，HPMC 還具有引入微小氣泡的作用，微小氣泡的引入發(fā)揮了“滾珠”效應(yīng)[3]，使混凝土流動(dòng)性提高，相應(yīng)的提高坍落度，但分子量、摻量的提高會(huì)抵消部分微小氣泡的作用。

2.2 HPMC 對(duì)混凝土抗離析泌水性能的影響

機(jī)制砂混凝土由于原材料緊張，易出現(xiàn)波動(dòng)，這就容易造成混凝土漿骨分離、離析泌水，對(duì)施工等造成不利影響，故要求改善混凝土的抗離析泌水性能。對(duì)不同分子量 HPMC 及摻量的混凝土靜置泌水率進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見表4 及圖 3。

表4 不同分子量 HPMC 及摻量的混凝土泌水率

圖3 HPMC 對(duì)混凝土泌水率的影響

表4 及圖 3 結(jié)果表明，空白組離析泌水嚴(yán)重，泌水率高。相對(duì)于空白組而言，HPMC 的加入改善了混凝土離析泌水的狀態(tài)。在同摻量下，隨著 HPMC 分子量的增加，混凝土的泌水率降低，和易性改善。且分子量越高泌水率降低越多。

對(duì)于相同分子量的 HPMC 而言，其摻量提高，混凝土的泌水率降低，且分子量越高，降低幅度越大。

HPMC 的加入增強(qiáng)了混凝土抗離析泌水的性能，有研究表明，HPMC 增加了拌合水的粘度，提高了漿體的粘度，增加混凝土的穩(wěn)定性[4]，從而增強(qiáng)了混凝土的抗離析性能。同時(shí) HPMC 結(jié)構(gòu)中具有羥基和醚鍵，基團(tuán)中的 O 原子與 H2O 締合成了氫鍵，使得游離 H2O 變?yōu)榻Y(jié)合水，從而起到保水作用[5]，故降低了混凝土的泌水率，且隨著分子量、摻量的增加，泌水率降低越多。

2.3 HPMC 對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

混凝土的抗壓強(qiáng)度是最基礎(chǔ)的指標(biāo)之一，復(fù)配減水劑的小料對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響要盡可能得小。故對(duì)不同分子量 HPMC 及摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見表5 及圖 4、5。

表5 不同分子量 HPMC 及摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度

圖4 HPMC 對(duì)混凝土 7d 強(qiáng)度的影響

表5 及圖 4、5 結(jié)果表明，相對(duì)于空白組而言，在摻量較低的情況下，HPMC 的加入使得混凝土 7d 強(qiáng)度先增強(qiáng)后降低。對(duì)混凝土 28d 強(qiáng)度的影響，分子量為 5W 和 10W 的 HPMC 與 7d 強(qiáng)度的影響規(guī)律大致相同，而 15W 分子量的 HPMC 對(duì)混凝土 28d 強(qiáng)度的影響則隨著摻量的增加呈不斷下降趨勢(shì)。

HPMC 對(duì)于混凝土的強(qiáng)度的影響，與其分子量、摻量有關(guān)。一方面，HPMC 由于其增稠作用使混凝土粘聚性增強(qiáng)體系均勻性更強(qiáng)，以及保水作用提高了抗開裂性能[2]，故在少量添加時(shí)能夠提高混凝土抗壓強(qiáng)度。另一方面，由于 HPMC 會(huì)向混凝土體系中引入氣泡[6]，使硬化混凝土密實(shí)度降低，從而降低混凝土強(qiáng)度。故 HPMC對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響是由這兩方面原因共同作用形成。摻量低時(shí)，增強(qiáng)大于降低，分子量高或摻量高時(shí)增強(qiáng)小于降低。

圖5 HPMC 對(duì)混凝土 28d 強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

（1）HPMC 對(duì)混凝土坍落度和擴(kuò)展度有影響，其作用隨分子量、摻量的不同有差異。分子量不同，對(duì)摻量反應(yīng)敏感性不同，低分子量較優(yōu)。低摻量下，可以提高混凝土流動(dòng)性，而摻量高時(shí)則會(huì)使混凝土變粘稠而流動(dòng)性降低。

（2）HPMC 由于其增稠保水作用，能提高混凝土穩(wěn)定性，從而增加混凝土的抗離析泌水能力。分子量及摻量越高，抗離析泌水能力增強(qiáng)效果越明顯。

（3）HPMC 對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度存在影響，兩方面因素共同作用下，低摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度有利，高摻量及分子量過高則會(huì)存在負(fù)面影響。對(duì)于混凝土 7d 強(qiáng)度而言，低摻量下強(qiáng)度有所增強(qiáng)，摻量提高后強(qiáng)度降低。而 28d 強(qiáng)度，在分子量較低時(shí)隨摻量提高先增強(qiáng)后降低，分子量較高時(shí)隨摻量提高不斷降低。

（4）對(duì)于 HPMC 應(yīng)用于減水劑復(fù)配小料而言，需要根據(jù)不同使用情景，如混凝土原材料等，來選擇合適的分子量及摻量，以達(dá)到最優(yōu)效果。