???? ?我國推廣預(yù)拌砂漿已有二十多年的歷史，目前全國已有10多個省、直轄市的預(yù)拌砂漿應(yīng)用比例超過60%，普通規(guī)模以上的預(yù)拌砂漿企業(yè)超過800家，年設(shè)計產(chǎn)能達(dá)2.74億噸，2015年全年生產(chǎn)普通預(yù)拌砂漿6202萬噸。
?????? 在施工過程中，砂漿常由于失水過快，沒有足夠的時間和水分進(jìn)行水化反應(yīng)，導(dǎo)致硬化后水泥漿體出現(xiàn)強(qiáng)度不足和開裂等現(xiàn)象。纖維素醚是干混砂漿中一種常見的聚合物外加劑，它具有保水、增稠、緩凝和引氣等作用，能夠明顯改善砂漿的性能。
為使砂漿滿足運(yùn)輸要求，并解決開裂和粘結(jié)強(qiáng)度低等問題，在砂漿中摻加纖維素醚具有重要的意義。本文簡要介紹纖維素醚的特性及其對水泥基材料性能的影響，希望對解決預(yù)拌砂漿的相關(guān)技術(shù)難題有所幫助。
一、纖維素醚的分類
???????根據(jù)醚取代基化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，纖維素醚可分為陰離子型、陽離子型和非離子型醚。離子型纖維素醚主要有羧甲基纖維素醚(CMC)；非離子型纖維素醚主要有甲基纖維素醚(MC)、羥丙基甲基纖維素醚(HPMC)和羥乙基纖維素醚(HC)等。非離子型醚又分為水溶性醚和油溶性醚，在砂漿產(chǎn)品中主要使用非離子型水溶性醚。在鈣離子存在情況下，離子型纖維素醚不穩(wěn)定，故在以水泥、熟石灰等為膠結(jié)材料的干混砂漿產(chǎn)品中很少使用。而非離子水溶性纖維素醚因具有懸浮穩(wěn)定性和保水作用，被廣泛應(yīng)用在建材工業(yè)中。
?????? 根據(jù)醚化過程中所選用的醚化劑的不同，纖維素醚產(chǎn)品有甲基纖維素、羥乙基纖維素、羥乙基甲基纖維素、氰乙基纖維素、羧甲基纖維素、乙基纖維素、芐基纖維素、羧甲基羥乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素、芐基氰乙基纖維素和苯基纖維素等種類。
?????? 用于砂漿的纖維素醚通常包括甲基纖維素醚(MC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)，羥乙基甲基纖維素醚(HEMC)和羥乙基纖維素醚(HEMC)等，其中，HPMC與HEMC應(yīng)用廣泛[1]。
二、纖維素醚的化學(xué)性質(zhì)
?????? 每種纖維素醚都具有纖維素的基本結(jié)構(gòu)---脫水葡萄糖結(jié)構(gòu)。在生產(chǎn)纖維素醚的過程中，先將纖維素纖維在堿性溶液中加熱，接著用醚化劑處理，纖維狀反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)提純、粉磨而形成一定細(xì)度的均勻粉末。
?????? MC的生產(chǎn)過程中僅使用氯化甲烷作醚化劑；生產(chǎn)HPMC除了使用氯化甲烷外，還使用環(huán)氧丙烯來獲取羥丙基取代基團(tuán)。各種纖維素醚具有不同的甲基和羥丙基取代率，因而影響到纖維素醚溶液的有機(jī)相溶性和熱凝膠溫度等性能。
?????? 纖維素的脫水葡萄糖結(jié)構(gòu)單元上的取代基團(tuán)的數(shù)量可以用質(zhì)量百分比或取代基團(tuán)的平均數(shù)量來表示(即取代度DS—Degree of Substitution)。取代基團(tuán)的數(shù)量決定了纖維素醚產(chǎn)品的性質(zhì)。平均取代度對醚化產(chǎn)物溶解性的影響如下[2]：
(1)??? 低取代度的醚化產(chǎn)物易溶于堿液；
(2)??? 稍高取代度的醚化產(chǎn)物易溶于水；
(3)??? 高取代度的醚化產(chǎn)物易溶于極性有機(jī)溶劑；
(4)?? 更高取代度的醚化產(chǎn)物易溶于非極性有機(jī)溶劑。
三、?纖維素醚的溶解特性
?????? 纖維素醚的溶解特性對于水泥砂漿的工作性有很大的影響。纖維素醚能夠用來改善水泥砂漿的黏聚性和保水性，但這依賴于纖維素醚能夠完全充分地溶解于水中。影響纖維素醚溶解的因素主要有溶解時間、攪拌速度和粉末細(xì)度等。
1 、溶解時間和攪拌速度
?????? 圖1(a)為不同黏度的MHPC溶解時黏度隨時間的變化關(guān)系。可以看出，黏度為50Pa·s的MHPC達(dá)到標(biāo)稱黏度的時間約為10min左右，而黏度為20000Pa·s的MHPC則需要40min左右。由此可見，隨著纖維素醚黏度的增大，其從溶解開始達(dá)到標(biāo)稱黏度的時間越長。
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????????????????????????????????????????? 圖1?纖維素醚溶解時黏度隨時間的發(fā)展情況
圖1(b)為不同攪拌速度下黏度為6000Pa·s的MHPC的黏度發(fā)展?？芍咚贁嚢柘翸HPC在40min左右即可達(dá)到標(biāo)稱黏度，而低速攪拌下則需要150min左右才能達(dá)到標(biāo)稱黏度。可見，攪拌速度對MHPC的溶解速度影響較大，攪拌速度越快，達(dá)到標(biāo)稱黏度的時間越短。
2?、粉末細(xì)度
?????? 除了黏度和攪拌速度對纖維素醚的黏度發(fā)展有很大影響外，纖維素醚粉末細(xì)度對其溶液黏度的發(fā)展也有明顯影響。圖2是不同細(xì)度的甲基纖維素醚的黏度隨時間的發(fā)展?？梢姡w維素醚粉末越細(xì)，黏度發(fā)展越快。
???????????????????????????????????????? 圖2?不同細(xì)度的甲基纖維素醚黏度隨時間的發(fā)展
四、?纖維素醚在水泥砂漿中的作用
纖維素醚作為水泥砂漿的一種重要添加劑，其作用體現(xiàn)在以下幾個方面。
1、???改善砂漿和易性，提升砂漿粘稠度。
?????? 摻入纖維素醚可以防止砂漿離析，獲得均勻一致的可塑體。例如，摻入HEMC、HPMC等便于薄層砂漿和抹灰砂漿的攤鋪。纖維素醚的增稠效果主要取決于：聚合度、剪切速率、溫度、纖維素醚的濃度和溶解鹽的濃度等。
2、???具有引氣作用。
?????? 由于纖維素醚中引入了烷基基團(tuán)，使纖維素醚水溶液的表面能降低，容易使摻加纖維素醚的砂漿在攪拌過程中引入穩(wěn)定、均勻、細(xì)小的氣泡。引入氣泡不僅可以起到“滾珠效應(yīng)”，使砂漿的施工性能得到改善，而且可以降低砂漿的濕密度，有助于降低砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)。但含氣量增加后，砂漿的抗壓、抗折和粘結(jié)強(qiáng)度同時會受到較大程度的負(fù)面影響，這一點(diǎn)應(yīng)引起重視。有試驗(yàn)顯示，當(dāng)HEMC和HPMC的摻量為0.5%時，砂漿含氣量很大，約為55%；當(dāng)摻量大于0.5%時，砂漿的含氣量反而隨著摻量增加呈有所減小的趨勢。
3、????保持水分不流失。
?????? 水分在砂漿中可以起到潤滑和拌和的作用，便于薄層砂漿和抹灰砂漿的刮平。摻入纖維素醚有助于減少薄層砂漿中的水分流失，施工時，墻磚、砌塊等不需要提前潤濕，施工后膠凝材料還可以擁有足夠長的時間進(jìn)行持續(xù)水化，提高砂漿與基體的黏附力[3,?4]。
五、纖維素醚對水泥基材料性能的影響
1、?水化熱
?????? 根據(jù)水化熱隨時間的釋放曲線，通常將水泥的水化過程劃分為5個階段，即初始水化期(0~15min)、誘導(dǎo)期(15min~4h)、加速和凝結(jié)期(4h~8h)、減速和硬化期(8h~24h)，以及養(yǎng)護(hù)期(1d~28d)。
??????? 試驗(yàn)結(jié)果表明，在誘導(dǎo)前期(即初始水化期)，相對于空白水泥漿，HEMC的摻量為0.1%時，漿體的一個放熱峰提前，峰值顯著增加，當(dāng)HEMC摻量增大到0.3%以上時，漿體的第一個放熱峰延遲，峰值則隨著HEMC?摻量的增大而逐漸減??；HEMC會明顯延遲水泥漿體的誘導(dǎo)期和加速期，且摻量越大，誘導(dǎo)期越長，加速期越向后推移，放熱峰值越小；纖維素醚摻量的變化對水泥漿體減速期和穩(wěn)定期的時間長短則沒有明顯影響，如圖3(a)所示；纖維素醚還會降低水泥漿體72h?內(nèi)的水化放熱量，但水化放熱時間在36h以上時，纖維素醚摻量的變化對水泥漿體水化放熱量影響很小，如圖3(b)。
?????????????????? 圖3?不同摻量纖維素醚(HEMC)的水泥漿體水化放熱速率變化趨勢
2、?力學(xué)性能
????? 通過研究黏度為60000Pa·s和100000Pa·s的兩種纖維素醚發(fā)現(xiàn)，單摻甲基纖維素醚的改性砂漿抗壓強(qiáng)度隨其摻量的增加，強(qiáng)度逐漸減小。單摻100000Pa·s黏度羥丙基甲基纖維素醚的改性砂漿抗壓強(qiáng)度隨其摻量的增加先提高，后降低(如圖4所示)。說明甲基纖維素醚的摻入會明顯降低水泥砂漿抗壓強(qiáng)度，摻量越多，強(qiáng)度越?。火ざ仍叫?，對砂漿抗壓強(qiáng)度的損失影響越大；羥丙基甲基纖維素醚在摻量小于0.1%時可適當(dāng)提高砂漿的抗壓強(qiáng)度，摻量大于0.1%時砂漿抗壓強(qiáng)度會隨摻量增加而減小，故摻量宜控制在0.1%。
?????????????????? 圖4?MC1、MC2和MC3改性水泥砂漿的3d、7d和28d抗壓強(qiáng)度
(甲基纖維素醚，粘度?60000Pa·S，?以下記作?MC1；甲基纖維素醚，黏度?100000Pa·S，記作MC2；羥丙基甲基纖維素醚，黏度?100000Pa·S，記作MC3)
3、凝結(jié)時間
?????? 通過測定100000Pa·s黏度的羥丙基甲基纖維素醚在不同摻量下水泥漿體的凝結(jié)時間，發(fā)現(xiàn)隨著HPMC摻量的增加，水泥砂漿初凝時間和終凝時間均延長，當(dāng)摻量為１%時，初凝時間達(dá)到510min，終凝時間達(dá)到850min，與空白樣相比，初凝時間延長210min，終凝時間延長470min（如圖5所示）。無論是50000Pa·s、100000Pa·s或200000Pa·s黏度的HPMC，均可以延緩水泥凝結(jié)，但相比三種纖維素醚，初凝時間與終凝時間均隨黏度的增加而延長，如圖6所示。這是由于纖維素醚吸附于水泥顆粒表面，阻止了水分與水泥顆粒接觸，從而延緩了水泥水化。纖維素醚黏度越大，水泥顆粒表面的吸附層越厚，緩凝作用越顯著。
?????????????????????????????????????? 圖5 纖維素醚摻量對砂漿凝結(jié)時間的影響
????????????????????????????? 圖6?不同黏度的HPMC對水泥漿體凝結(jié)時間的影響
????????????????????(MC-5(50000Pa·s)、MC-10(100000Pa·s)和MC-20(200000Pa·s))?
?????? 甲基纖維素醚和羥丙基甲基纖維素醚會大幅延長水泥漿體的凝結(jié)時間，能夠保證水泥漿體有足夠的時間和水分進(jìn)行水化反應(yīng)，解決水泥漿體硬化后強(qiáng)度低和后期開裂的問題。
4、保水率
?????? 研究了纖維素醚摻量對保水率的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)隨著纖維素醚摻量的增加，砂漿保水率增加，當(dāng)纖維素?fù)搅看笥?.6%時，保水率趨于穩(wěn)定。但比較三種纖維素醚(50000Pa·s(MC-5)、100000Pa·s(MC-10)和200000Pa·s(MC-20)黏度的HPMC)，黏度對保水率的影響存在差異，相同摻量下，保水率的大小關(guān)系為：MC-5
????????????????????????????????????????? 圖7?HPMC摻量對砂漿保水率的影響
六、總結(jié)
?????? 纖維素醚對新拌水泥基材料的改性作用主要包括增稠、保水、引氣和緩凝等。隨著纖維素醚在水泥基材料中得到廣泛應(yīng)用，纖維素醚與水泥漿之間的相互作用正逐漸成為研究的熱點(diǎn)。今后應(yīng)重點(diǎn)研究纖維素醚的分子結(jié)構(gòu)對水泥漿體微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的影響，理清纖維素醚與水泥漿體相互作用的機(jī)理。