本文由同济大学孙振平教授课题组蒋晓星整理

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1 前言

我国推广预拌砂浆已有二十多年的历史，特别是近几年来，国家相关政府部门重视预拌砂浆发展，出台鼓励政策，目前全国已有10多个省、直辖市的预拌砂浆应用比例超过60%，有普通规模以上的预拌砂浆企业超过800家，年设计产能达2.74亿吨，2015年全年生产普通预拌砂浆6202万吨。

在施工过程中，砂浆常由于失水过快，没有足够的时间和水分进行水化反应，导致硬化后水泥浆体出现强度不足和开裂等现象。纤维素醚是干混砂浆中一种常见的聚合物外加剂，它具有保水、增稠、缓凝和引气等作用，能够明显改善砂浆的性能。

为使砂浆满足运输要求，并解决开裂和粘结强度低等问题，在砂浆中掺加纤维素醚具有重要的意义。本文简要介绍纤维素醚的特性及其对水泥基材料性能的影响，希望对解决预拌砂浆的相关技术难题有所帮助。

2 纤维素醚简介

纤维素醚(Cellulose Ether)是由纤维素经过一种或几种醚化剂的醚化反应和干燥粉磨而成。

根据醚取代基化学结构的不同，纤维素醚可分为阴离子型、阳离子型和非离子型醚。离子型纤维素醚主要有羧甲基纤维素醚(CMC)；非离子型纤维素醚主要有甲基纤维素醚(MC)、羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)和羟乙基纤维素醚(HC)等。非离子型醚又分为水溶性醚和油溶性醚，在砂浆产品中主要使用非离子型水溶性醚。在钙离子存在情况下，离子型纤维素醚不稳定，故在以水泥、熟石灰等为胶结材料的干混砂浆产品中很少使用。而非离子水溶性纤维素醚因具有悬浮稳定性和保水作用，被广泛应用在建材工业中。

根据醚化过程中所选用的醚化剂的不同，纤维素醚产品有甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟乙基甲基纤维素、氰乙基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、苄基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、苄基氰乙基纤维素和苯基纤维素等种类。

用于砂浆的纤维素醚通常包括甲基纤维素醚(MC)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)，羟乙基甲基纤维素醚(HEMC)和羟乙基纤维素醚(HEMC)等，其中，HPMC与HEMC应用最为广泛^[1]。

每种纤维素醚都具有纤维素的基本结构---脱水葡萄糖结构。在生产纤维素醚的过程中，先将纤维素纤维在碱性溶液中加热，接着用醚化剂处理，纤维状反应产物经提纯、粉磨而形成一定细度的均匀粉末。

MC的生产过程中仅使用氯化甲烷作醚化剂；生产HPMC除了使用氯化甲烷外，还使用环氧丙烯来获取羟丙基取代基团。各种纤维素醚具有不同的甲基和羟丙基取代率，因而影响到纤维素醚溶液的有机相溶性和热凝胶温度等性能。

纤维素的脱水葡萄糖结构单元上的取代基团的数量可以用质量百分比或取代基团的平均数量来表示(即取代度DS—Degree of Substitution)。取代基团的数量决定了纤维素醚产品的性质。平均取代度对醚化产物溶解性的影响如下^[2]：

(1)    低取代度的醚化产物易溶于碱液；

(2)    稍高取代度的醚化产物易溶于水；

(3)    高取代度的醚化产物易溶于极性有机溶剂；

(4)   更高取代度的醚化产物易溶于非极性有机溶剂。

纤维素醚的溶解特性对于水泥砂浆的工作性有很大的影响。纤维素醚能够用来改善水泥砂浆的黏聚性和保水性，但这依赖于纤维素醚能够完全充分地溶解于水中。影响纤维素醚溶解的因素主要有溶解时间、搅拌速度和粉末细度等。

2.3.1 溶解时间和搅拌速度

图1(a)为不同黏度的MHPC溶解时黏度随时间的变化关系。可以看出，黏度为50Pa·s的MHPC达到标称黏度的时间约为10min左右，而黏度为20000Pa·s的MHPC则需要40min左右。由此可见，随着纤维素醚黏度的增大，其从溶解开始达到标称黏度的时间越长。

图1 纤维素醚溶解时黏度随时间的发展情况

图1(b)为不同搅拌速度下黏度为6000Pa·s的MHPC的黏度发展。可知，高速搅拌下MHPC在40min左右即可达到标称黏度，而低速搅拌下则需要150min左右才能达到标称黏度。可见，搅拌速度对MHPC的溶解速度影响较大，搅拌速度越快，达到标称黏度的时间越短。

2.3.2 粉末细度

除了黏度和搅拌速度对纤维素醚的黏度发展有很大影响外，纤维素醚粉末细度对其溶液黏度的发展也有明显影响。图2是不同细度的甲基纤维素醚的黏度随时间的发展。可见，纤维素醚粉末越细，黏度发展越快。

图2 不同细度的甲基纤维素醚黏度随时间的发展

纤维素醚作为水泥砂浆的一种重要添加剂，其作用体现在以下几个方面。

(1)    改善砂浆和易性，提升砂浆粘稠度。

掺入纤维素醚可以防止砂浆离析，获得均匀一致的可塑体。例如，掺入HEMC、HPMC等便于薄层砂浆和抹灰砂浆的摊铺。纤维素醚的增稠效果主要取决于：聚合度、剪切速率、温度、纤维素醚的浓度和溶解盐的浓度等。

(2)    具有引气作用。

由于纤维素醚中引入了烷基基团，使纤维素醚水溶液的表面能降低，容易使掺加纤维素醚的砂浆在搅拌过程中引入稳定、均匀、细小的气泡。引入气泡不仅可以起到“滚珠效应”，使砂浆的施工性能得到改善，而且可以降低砂浆的湿密度，有助于降低砂浆的导热系数。但含气量增加后，砂浆的抗压、抗折和粘结强度同时会受到较大程度的负面影响，这一点应引起重视。有试验显示，当HEMC和HPMC的掺量为0.5%时，砂浆含气量最大，约为55%；当掺量大于0.5%时，砂浆的含气量反而随着掺量增加呈有所减小的趋势。

(3)    保持水分不流失。

水分在砂浆中可以起到润滑和拌和的作用，便于薄层砂浆和抹灰砂浆的刮平。掺入纤维素醚有助于减少薄层砂浆中的水分流失，施工时，墙砖、砌块等不需要提前润湿，施工后胶凝材料还可以拥有足够长的时间进行持续水化，提高砂浆与基体的黏附力^{[3, 4]}。

3 纤维素醚对水泥基材料性能的影响

根据水化热随时间的释放曲线，通常将水泥的水化过程划分为5个阶段，即初始水化期(0~15min)、诱导期(15min~4h)、加速和凝结期(4h~8h)、减速和硬化期(8h~24h)，以及养护期(1d~28d)。

张国防、王培铭^[5]的试验结果表明，在诱导前期(即初始水化期)，相对于空白水泥浆，HEMC的掺量为0.1%时，浆体的第一个放热峰提前，峰值显著增加，当HEMC掺量增大到0.3%以上时，浆体的第一个放热峰延迟，峰值则随着HEMC 掺量的增大而逐渐减小；HEMC会明显延迟水泥浆体的诱导期和加速期，且掺量越大，诱导期越长，加速期越向后推移，放热峰值越小；纤维素醚掺量的变化对水泥浆体减速期和稳定期的时间长短则没有明显影响，如图3(a)所示；纤维素醚还会降低水泥浆体72h 内的水化放热量，但水化放热时间在36h以上时，纤维素醚掺量的变化对水泥浆体水化放热量影响很小，如图3(b)。

图3 不同掺量纤维素醚(HEMC)的水泥浆体水化放热速率变化趋势^[5]

^[6]通过研究黏度为60000Pa·s和100000Pa·s的两种纤维素醚发现，单掺甲基纤维素醚的改性砂浆抗压强度随其掺量的增加，强度逐渐减小。单掺100000Pa·s黏度羟丙基甲基纤维素醚的改性砂浆抗压强度随其掺量的增加先提高，后降低(如图4所示)。说明甲基纤维素醚的掺入会明显降低水泥砂浆抗压强度，掺量越多，强度越小；黏度越小，对砂浆抗压强度的损失影响越大；羟丙基甲基纤维素醚在掺量小于0.1%时可适当提高砂浆的抗压强度，掺量大于0.1%时砂浆抗压强度会随掺量增加而减小，故掺量宜控制在0.1%。

图4 MC1、MC2和MC3改性水泥砂浆的3d、7d和28d抗压强度

(甲基纤维素醚，粘度 60000Pa·S， 以下记作 MC1；甲基纤维素醚，黏度 100000Pa·S，记作MC2；羟丙基甲基纤维素醚，黏度 100000Pa·S，记作MC3)

饶崇升^[1]通过测定100000Pa·s黏度的羟丙基甲基纤维素醚在不同掺量下水泥浆体的凝结时间，发现随着HPMC掺量的增加，水泥砂浆初凝时间和终凝时间均延长，当掺量为１%时，初凝时间达到510min，终凝时间达到850min，与空白样相比，初凝时间延长210min，终凝时间延长470min（如图5所示）。无论是50000Pa·s、100000Pa·s或200000Pa·s黏度的HPMC，均可以延缓水泥凝结，但相比三种纤维素醚，初凝时间与终凝时间均随黏度的增加而延长，如图6所示。这是由于纤维素醚吸附于水泥颗粒表面，阻止了水分与水泥颗粒接触，从而延缓了水泥水化。纤维素醚黏度越大，水泥颗粒表面的吸附层越厚，缓凝作用越显著。

图5 纤维素醚掺量对砂浆凝结时间的影响^[1]

图6 不同黏度的HPMC对水泥浆体凝结时间的影响

(MC-5(50000Pa·s)、MC-10(100000Pa·s)和MC-20(200000Pa·s)) 

苏雷^[7]认为，甲基纤维素醚和羟丙基甲基纤维素醚会大幅延长水泥浆体的凝结时间，能够保证水泥浆体有足够的时间和水分进行水化反应，解决水泥浆体硬化后强度低和后期开裂的问题。

饶崇升^[1]研究了纤维素醚掺量对保水率的影响规律。发现随着纤维素醚掺量的增加，砂浆保水率增加，当纤维素掺量大于0.6%时，保水率趋于稳定。但比较三种纤维素醚(50000Pa·s(MC-5)、100000Pa·s(MC-10)和200000Pa·s(MC-20)黏度的HPMC)，黏度对保水率的影响存在差异，相同掺量下，保水率的大小关系为：MC-5<MC-10<MC-20(如图7所示)。

图7 HPMC掺量对砂浆保水率的影响

4 展望

纤维素醚对新拌水泥基材料的改性作用主要包括增稠、保水、引气和缓凝等。随着纤维素醚在水泥基材料中得到广泛应用，纤维素醚与水泥浆之间的相互作用正逐渐成为研究的热点。今后应重点研究纤维素醚的分子结构对水泥浆体微观结构和宏观性能的影响，厘清纤维素醚与水泥浆体相互作用的机理。

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