羟丙基甲基纤维素醚对机喷水泥砂浆性能的影响

刘鹏飞，兰明章，项斌峰，赵旭东，崔素萍

（北京工业大学材料学院，北京 100124）

羟丙基甲基纤维素醚对机喷水泥砂浆性能的影响

刘鹏飞，兰明章，项斌峰，赵旭东，崔素萍

（北京工业大学材料学院，北京 100124）

纤维素醚是机喷砂浆中必不可少的添加剂。研究了4种不同黏度的羟丙基甲基纤维素醚（HPMC）对机喷砂浆保水性能、密度、含气量、力学性能和孔径分布的影响。研究表明：HPMC能够显著提高砂浆的保水性能，掺量在0.15%时保水率均可超过90%；随HPMC掺量增加砂浆的密度逐渐降低，掺量在0.05%～0.20%时密度降低最为明显；砂浆的含气量随HPMC掺量的增加而增加；HPMC会明显降低水泥砂浆的力学性能，但砂浆的折压比会有升高趋势；掺入HPMC后砂浆的孔径尺寸显著增大，有害孔和多害孔所占比例明显增加。

砂浆；羟丙基甲基纤维素醚；保水率；孔径分布

0 前言

近年来，随着工业的不断进步和技术的提高，通过引进和改善国外的砂浆喷涂机，机械喷涂抹灰技术在我国得到了很大的发展。机械喷涂砂浆不同于一般砂浆，要求其有较高的保水性能、合适的流动度和一定的抗流挂性能，通常情况下均会在砂浆中添加纤维素醚，其中以羟丙基甲基纤维素醚（HPMC）的应用最为广泛。HPMC在砂浆中的主要作用是：优良的保水能力、增稠增黏和调整流变性。但是HPMC的缺点也不容忽视，HPMC具有引气作用，会造成内部较多缺陷，严重降低砂浆的力学性能。本文从宏观方面研究了HPMC对砂浆保水率、密度、含气量、力学性能等方面的影响，并从微观方面研究了HPMC对砂浆孔结构的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：市售P·O42.5水泥，其28 d抗折和抗压强度分别为6.9、48.2 MPa；砂子：承德细河沙，40～100目；纤维素醚：河北某公司生产的羟丙基甲基纤维素醚，白色粉末，标称黏度为40、100、150、200 Pa·s；水：洁净的自来水。

1.2 试验方法

根据JGJ/T 105—2011《机械喷涂抹灰施工规程》规定，砂浆的稠度为80～120 mm，保水率大于90%。本试验中，灰砂比定为1∶5，稠度控制在（93±2）mm，纤维素醚采用外掺法，其掺量均按占水泥质量计。砂浆的湿密度、含气量、保水率、稠度等基本性能参照JGJ 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》进行测试，其中含气量按照密度法进行测试和计算。试件的制备、抗折和抗压强度测试参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行。孔径采用压汞法测试，压汞仪型号为AUTOPORE 9500，测量范围为5.5 nm～360 μm，共进行4组试验，灰砂比1∶5，HPMC黏度为100 Pa·s、掺量分别为0、0.1%、0.2%、0.3%（编号分别为A、B、C、D）。

2 结果与分析

2.1 HPMC对水泥砂浆保水率的影响

保水性是指砂浆能够保住水分的能力。在机喷砂浆中，加入纤维素醚能够有效保持水分，减少泌水率，满足水泥基材料充分水化的要求。HPMC对砂浆保水率的影响见图1。

图1 不同黏度和掺量HPMC对砂浆保水率的影响

由图1可以看出，随着HPMC掺量的增加，砂浆的保水率逐渐增大。黏度为100、150和200 Pa·s的纤维素醚曲线变化基本一致，掺量在0.05%～0.15%时保水率直线增加，掺量为0.15%时保水率均大于93%；掺量超过0.20%后，保水率增大趋势变得平缓，说明HPMC掺量已接近饱和。黏度为40 Pa·s的HPMC掺量对保水率的影响曲线近似为1条直线，掺量大于0.15%后，砂浆的保水率明显低于同掺量其它3种黏度的HPMC。一般认为纤维素醚的保水机理为：纤维素醚分子上的羟基和醚键上的氧原子会与水分子缔合成氢键，使游离水变成结合水，从而起到很好的保水作用[1]；也有人认为，水分子与纤维素醚分子链间的相互扩散作用使水分子得以进入纤维素醚大分子链内部，并受到较强的约束力，从而提高了水泥浆的保水性[2]。优良的保水性能够使砂浆保持匀质性，不易离析，并获得良好的搅拌性能，同时能减小对机械的磨损，增加砂浆喷涂机的寿命。

2.2 HPMC对水泥砂浆密度和含气量的影响（见图2、图3）

由图2可以看出，HPMC掺量在0～0.20%时，随HPMC掺量的增加，砂浆的密度急剧降低，由2050 kg/m3下降至1650kg/m3左右，降低约20%；HPMC掺量超过0.20%后密度降低趋于平缓。对比4种不同黏度的HPMC可知，黏度越大，砂浆的密度越小；掺黏度分别为150、200 Pa·s HPMC的砂浆密度曲线基本重合，说明随着HPMC黏度的继续增大，砂浆的密度不再减小。

图2 不同黏度和掺量HPMC对砂浆密度的影响

图3 不同黏度和掺量HPMC对砂浆含气量的影响

由图3可以看出，砂浆的含气量变化规律与砂浆的密度变化相反，HPMC掺量在0～0.20%时，随HPMC掺量的增加，砂浆的含气量几乎呈直线上升；HPMC掺量超过0.20%后，含气量几乎不再变化，说明砂浆的引气作用接近饱和。黏度为150和200 Pa·s的HPMC引气作用要大于黏度为40和100 Pa·s的HPMC。

纤维素醚的引气作用主要是由其分子结构决定的，纤维素醚同时具有亲水基团（羟基、醚基）和憎水基团（甲基、葡萄糖环），是一种表面活性剂，具有表面活性，从而具有引气效应[3]。引入的气体一方面能够在砂浆中起到滚珠轴承的作用，改善砂浆的工作性能，并能增加体积，提高产量，对于生产厂家是有利的。但另一方面，引气作用增加了砂浆的含气量和硬化后的孔隙率，导致有害孔增多，使得力学性能大为降低。HPMC虽然有一定的引气作用，但不能取代引气剂。另外，当HPMC和引气剂同时使用时可能导致引气剂失效[4]。

2.3 HPMC对水泥砂浆力学性能的影响（见图4）

图4 不同黏度和掺量HPMC对砂浆力学性能的影响

由图4（a）和图4（b）可以看出，当HPMC掺量仅为0.05%时，砂浆的抗折强度降低明显，较未掺HPMC的空白试样降低约25%，抗压强度仅能达到空白试样的65%～80%。当HPMC掺量超过0.20%后，砂浆的抗折强度和抗压强度降低幅度不明显。HPMC黏度大小对砂浆的力学性能影响不明显。HPMC引入很多微小的气泡，对砂浆的引气作用使砂浆内部空隙率增大，有害孔增多，导致抗压强度和抗折强度均明显下降。砂浆强度降低的另外一个原因就是纤维素醚的保水作用，使得水分保留在硬化砂浆内部，大的水胶比导致试块强度降低[5]。对于机械施工的砂浆，虽然纤维素醚能够显著提高砂浆的保水率和改善其工作性，但如果掺量过大，会严重影响砂浆的力学性能，所以应合理权衡二者之间的关系。

由图4（c）可以看出，随着HPMC掺量的增加，砂浆的折压比整体呈增加趋势，基本为线性关系。这是由于加入的纤维素醚引入大量的气泡，造成砂浆内部产生缺陷增多，导致砂浆的抗压强度急剧降低，而抗折强度虽也有一定幅度降低；但纤维素醚能够提高砂浆柔韧性，对抗折强度有利，使得降低幅度变缓，综合考虑，二者的共同作用导致压折比有所增加。

2.4 HPMC对砂浆孔径的影响

通过压汞仪测得A、B、C、D四组试样的孔径分布曲线见图5。孔径分布统计数据和各统计参数统计值见表1。

图5 HPMC对砂浆孔径的影响

表1 孔径分布统计数据和各统计参数的试验结果

由A～D试样的孔径分布曲线、孔径分布数据和各统计参数可知，HPMC对水泥砂浆的孔结构有很大的影响：

（1）掺入HPMC后，水泥砂浆的孔径尺寸明显增大。在孔径分布曲线上体现为图像的面积向右移动，峰值对应的孔径值变大。同样由表1中的中值孔径可以看出，掺加HPMC后水泥砂浆的中值孔径较空白试样明显增大，0.3%掺量的试样中值孔径较空白样提高了2个数量级。

（2）吴中伟等[6]将混凝土中的孔隙划分为4类，分别是无害孔（≤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，掺加HPMC后无害孔或少害孔的数量明显减少，有害孔或多害孔数量增多。未掺HPMC样品的无害孔或少害孔约为49.4%，掺加HPMC后无害孔或少害孔明显减少，以掺量0.1%为例，无害孔或少害孔减少约45%，大于10 μm的多害孔增加了约9倍。

（3）中值孔径、平均孔径、比孔容和比表面积随HPMC掺量的增加并不遵循十分严格的变化规律，这可能与压汞试验中样品选择具有较大离散性有关[7]。但从整体来看，掺HPMC试样的中值孔径、平均孔径和比孔容较空白试样为增大趋势，而比表面积有所降低。

3 结语

（1）砂浆的保水率随HPMC掺量的增加而增加，黏度为100、150和200 Pa·s的纤维素醚曲线变化基本一致，在掺量为0.15%时保水率均大于93%；黏度为40 Pa·s的纤维素醚掺量大于0.15%后，保水率低于其它3种黏度的HPMC。

（2）砂浆的密度随HPMC掺量增加而逐渐降低，掺量在0.05%～0.20%时密度降低最为明显，降低约20%；掺量超过0.20%后密度几乎不再变化；砂浆的含气量与随HPMC掺量的增加而增大。

（3）HPMC掺量的增加会明显降低水泥砂浆的力学性能，但砂浆相应的折压比会有升高趋势，砂浆柔韧性变好。

（4）掺入HPMC后，砂浆的孔径明显增大，有害孔和多害孔所占比例明显增加。HPMC掺量为0.1%的试样较空白试样无害孔或少害孔减少约45%，大于10μm的多害孔增加了约9倍。

[1]张承志，王爱勤，董芹芹，等.乳胶粉与纤维素醚对硬化水泥石干缩行为影响的差异与相互作用[C].中国硅酸盐学会.第二届全国商品砂浆学术交流会论文集.北京，2007：163-169.

[2]杨元霞.甲基纤维素对新拌水泥浆体性能的影响[J].建筑材料学报，2004，7（2）：221-226.

[3]欧志华，马保国，蹇守卫.非离子型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（1）：96-98.

[4]蔡剑育.引气剂对预拌砂浆性能的影响[J].新型建筑材料，2014（7）：32-34.

[5]管学茂，罗树琼.纤维素醚对加气混凝土用抹灰砂浆性能的影响研究[J].混凝土，2006（10）：35-37.

[6]吴中伟，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京：中国铁道出版社，1999.

[7]杨林虎，朱涵，张亚梅.橡胶集料对水泥砂浆结构的影响[J].天津大学学报，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

刘鹏飞，男，1989年生，河北邢台人，硕士研究生。