???? ?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行水化反應(yīng)，導致硬化后水泥漿體出現(xiàn)強度不足和開裂等現(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。
為使砂漿滿足運輸要求，并解決開裂和粘結(jié)強度低等問題，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。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)單元上的取代基團的數(shù)量可以用質(zhì)量百分比或取代基團的平均數(shù)量來表示(即取代度DS—Degree of Substitution)。取代基團的數(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)物易溶于極性有機溶劑；
(4)?? 更高取代度的醚化產(chǎn)物易溶于非極性有機溶劑。
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達到標稱黏度的時間約為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，其從溶解開始達到標稱黏度的時間越長。
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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。可知，高速攪拌下MHPC在40min左右即可達到標稱黏度，而低速攪拌下則需要150min左右才能達到標稱黏度。可見，攪拌速度對MHPC的溶解速度影響較大，攪拌速度越快，達到標稱黏度的時間越短。
2?、粉末細度
?????? 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，纖維素醚粉末細度對其溶液黏度的發(fā)展也有明顯影響。圖2是不同細度的甲基纖維素醚的黏度隨時間的發(fā)展?？梢?，纖維素醚粉末越細，黏度發(fā)展越快。
???????????????????????????????????????? 圖2?不同細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，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熱系數(shù)。但含氣量增加后，砂漿的抗壓、抗折和粘結(jié)強度同時會受到較大程度的負面影響，這一點應(yīng)引起重視。有試驗顯示，當HEMC和HPMC的摻量為0.5%時，砂漿含氣量很大，約為55%；當摻量大于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)護期(1d~28d)。
??????? 試驗結(jié)果表明，在誘導前期(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小；HEMC會明顯延遲水泥漿體的誘導期和加速期，且摻量越大，誘導期越長，加速期越向后推移，放熱峰值越??；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度隨其摻量的增加，強度逐漸減小。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度，摻量越多，強度越小；黏度越小，對砂漿抗壓強度的損失影響越大；羥丙基甲基纖維素醚在摻量小于0.1%時可適當提高砂漿的抗壓強度，摻量大于0.1%時砂漿抗壓強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，當摻量為１%時，初凝時間達到510min，終凝時間達到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行水化反應(yīng)，解決水泥漿體硬化后強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，當纖維素摻量大于0.6%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。今后應(yīng)重點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理。