潮湿环境下纤维素醚对高强修补砂浆性能的影响研究

黄洪财，桂苗苗，王培新，张赐华

（厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司，厦门 福建 361100）

潮湿环境下纤维素醚对高强修补砂浆性能的影响研究

黄洪财，桂苗苗，王培新，张赐华

（厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司，厦门 福建 361100）

研究了潮湿环境下纤维素醚对高强修补砂浆的工作性能及物理力学性能的影响。结果表明：纤维素醚的掺量、种类对高强修补砂浆拌合物的稠度有一定的影响；高强修补砂浆拌合物的稠度随着纤维素醚掺量的增大而减少，随着纤维素醚粘度的增大而降低。潮湿的水养护环境下，纤维素醚的掺量、种类对高强修补砂浆的强度有影响，高强修补砂浆的抗压、抗折强度随着纤维素醚掺量的增大而降低；潮湿的水养护环境下，低掺量的范围内，纤维素醚的掺量对高强修补砂浆 28d 的压折比影响相对较小，但当掺量达到 0.12% 以后则高强修补砂浆的压折比会有所降低，柔韧性有所增强。

纤维素醚；高强；修补砂浆；潮湿环境

改革开放三十多年来，我国经济获得了高速的发展，城镇化水平有了极大的提高，城镇居住人口由 1978 年的 1.72 亿增加到 2013 年的 7.31 亿，城镇化水平也由 1978 年的17.9%增加到了 53.7%[1-2]。随着城镇化水平的迅速提高，各地建成了无数的大坝、电站、船闸、道路、桥梁等公共建筑，而其中部分建筑建成至今已使用了 30 多年，由于当时设计、施工及运行管理水平的限制，部分的建筑物出现了裂缝、破损、剥落、结构变形等病害现象，特别是在港口、大坝、船闸、桥墩等潮湿环境下使用的部位，建筑病害更容易发生，因而急需使用修补材料进行修补[3]。聚合物水泥修补砂浆因自身低成本、高性能的特点，被广泛地应用在相关工程的修补、修复中。纤维素醚作为聚合物水泥修补砂浆的主要改性成分之一，发挥着重要的作用，也对工程的修补产生极大的影响[4]。本文通过研究潮湿环境下，纤维素醚对高强聚合物修补砂浆的工作性能及物理力学性能的影响，探索其相应的影响规律。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

（1）水泥：福建润丰水泥厂生产的 P·O42.5 水泥，其物理性能指标见表 1。

表 1 水泥的物理力学性能

（2）粉煤灰：漳州市后石电厂生产的 Ⅱ 级粉煤灰，细度 14.8%，需水量比 97%，烧失量 1.91%。

（3）矿粉：S95 级矿渣粉，比表面积 410m2/kg，流动度比 100%。

（4）无机填料：福建省大田县奋发环保材料有限公司提供，粒径 ＜0.16mm，有增加密实、减少收缩的作用。

（5）河砂：厦门海城商贸有限公司生产，粒径小于2.5mm。

（6）减水剂：巴斯夫聚羧酸系粉剂。

（7）增粘剂：6012E 型聚合物乳胶粉聚合物乳胶粉，北京天维宝辰化学产品有限公司生产。

（8）保水剂：纤维素醚，北京天维宝辰化学产品有限公司生产，均为羟丙基甲基纤维素醚（HPMC），I 型粘度为80000mPa·s，Ⅱ 型为 200000mPa·s，Ⅲ 型为 100000mPa·s。

1.2 试验方法

在固定胶凝材料（水泥、粉煤灰、矿粉、无机填料）、水胶比、集料用量以及增粘剂、减水剂不变的情况下，通过调整保水剂的种类和掺量来研究不同种类、掺量的纤维素醚对高强修补砂浆的稠度、抗压抗折强度、压折比等性能的影响，具体配合比见表 2。试验时，先加水，再加胶凝材料、集料，按 JG/T 289—2010《混凝土结构加固用聚合物砂浆》中的要求拌合后，按 JGJ 70—2009 《建筑砂浆基本性能试验方法》中砂浆稠度的测试方法进行拌合物稠度测试，后制作40mm×40mm×160mm 的抗压、抗折强度试件，脱模后持续在 (20±2)℃ 的不流动水中养护，模拟相应的潮湿使用环境条件，至龄期后，测试相应的 7d、28d 抗压、抗折强度。

表 2 纤维素醚对高强修补砂浆性能影响的试验配合比

2 结果和讨论

表 3 为表 2 中不同种类、掺量纤维素醚的高强聚合物修补砂浆配合比组分的稠度、7d、28d 抗压、抗折强度、压折比的试验结果。

表 3 纤维素醚对高强修补砂浆性能影响的试验结果

2.1 纤维素醚对高强修补砂浆稠度的影响

图 1 为表 2 中几种不同掺量、种类纤维素醚的高强修补砂浆配比对砂浆拌合物稠度的影响图。

由图 1 可以看出，在 I 型纤维素醚掺加的 1#～4# 配比组分中，在 0.03%～0.12% 的掺量范围内，随着纤维素醚掺量的增加，高强修补砂浆拌合物的稠度会相应的减小，但稠度减小的幅度不是很大，最大、最小配比组分间稠度差相差不到10mm。说明了纤维素醚的掺量对高强修补修补砂浆拌合物的稠度有一定的影响，随着纤维素醚掺量的增加，高强修补砂浆拌合物会变稠。

在 Ⅰ 型、Ⅱ 型、Ⅲ 型三种不同种类纤维素醚掺加的2#、5#、6# 三组配比组分中，在纤维素醚掺量相同的情况下，三种配比组分高强修补砂浆拌合物的稠度会有所不同，稠度最大的为掺 I 型纤维素醚的 2# 配比组分，其次为掺 Ⅲ型的 6# 配比组分，最小的为掺 Ⅱ 型的 5# 配比组分。说明了在一定掺量的范围内，纤维素醚的粘度对拌合物的稠度有影响，纤维素醚粘度越大高强修补砂浆拌合物稠度降低的相应越多。

图 1 纤维素醚对高强修补砂浆稠度的影响图

2.2 纤维素醚对高强修补砂浆抗压、抗折性能的影响

图 2 纤维素醚对 7d、28d 抗折强度的影响图

图 3 纤维素醚对 7d、28d 抗压强度的影响图

图 4 纤维素醚对 7d、28d 压折比的影响图

图 2、图 3 为表 2 中几种不同掺量、种类的纤维素醚对高强修补砂浆的抗压、抗折强度的影响图；图 4 为表 2 中几种不同掺量、种类的纤维素醚对高强修补砂浆的7d、28d 压折比的影响图。

由图 2、图 3 中可知，在使用 I 型纤维素醚的 1#～4#配比中，在潮湿的养护环境下，随着纤维素醚掺量的增加，高强修补砂浆的 7d、28d 抗压、抗折强度会相应的减小；在 I 型纤维素醚掺量为 0.03% 时，高强修补砂浆配比的 7d、28d 抗压强度分别为 48.7MPa、59.9MPa，抗折强度分别为 9.46 MPa、11.00MPa，而当 I 型纤维素醚的掺量为0.12% 时，高强修补砂浆配比的 7d、28d 抗压强度则分别降低为 35.5MPa、49.0MPa，抗折强度则分别降低为 7.71MPa，9.29MPa。在Ⅰ型、Ⅱ 型、Ⅲ 型三种同掺量、不同种类纤维素醚掺加的 2#、5#、6# 三组配比中，随着纤维素醚种类的不同，其 7d、28d 的抗压、抗折强度则呈现着波动的变化。以上的结果说明了，在潮湿的养护环境下，纤维素醚的掺量和种类对高强修补砂浆的力学性能有着一定的影响。

由图 4 中可知，在 I 型纤维素醚参加的 1#～4# 配比中，随着纤维素醚掺量的增加，其 7d 的压折比呈现着波动的变化，而 28d 的压折比则在纤维素醚为 0.09% 以内低掺量的范围内变化相对较小，而当掺量达到 0.12% 以后则压折比会有所降低；同时，在 1#～6# 六组高强修补砂浆的配比中，其中7d 压折比始终的小于 28d 的压折比。说明了，纤维素醚在低掺量的范围内，其对高强修补砂浆 28d 柔韧性的改善作用相对较小，但当掺量达到一定量后，对高强修补砂浆 28d 的柔韧性会有较为显著的改善作用；同时掺纤维素醚的高强修补砂浆的早期柔韧性要优于后期。

2.3 机理分析

羟丙基甲基纤维素醚加入到高强修补砂浆拌合物中，因其分子结构中含有亲水基团——羟基（—OH）和醚键（—O—），在水中溶解时，其长链上的羟基和醚键上的氧原子与拌合物中水分子相结合，形成氢键，吸附了水分子，使拌合物中的部分水分子失去流动性，不再“自由”，从而能够在拌合物中起到保水作用，同时也使拌合物变稠[5-7]。高强修补砂浆拌合物中，更多纤维素醚的加入，会导致吸附更多自由水分，所以拌合物的稠度会随着纤维素醚掺量的增加而降低；但在高强修补砂浆拌合物中，胶凝材料用量较大，拌合物自身较稠、粘度较大，纤维素醚加入后，掺量的增加对拌合物的增稠作用会相应的减弱，所以在表 2 中 1#～4# 配比的掺量范围内，随着纤维素醚掺量的增加，拌合物稠度会有所减小，但减小的幅度不是很大。纤维素醚的溶解度、保水性同自身的粘度有较大的关系，粘度越大，保水性越大，同时在水溶液中的溶解度会越低，溶液会越浑浊、粘性会越大，相应的使高强修补砂浆拌合物稠度降低的越多。

纤维素醚加入到砂浆拌合物中，会有一定的引气作用，使拌合物的孔隙率提高，从而降低拌合物的密度，相应的也会降低硬化后高强修补砂浆试件的密度[8-9]。随着羟丙基甲基纤维素醚掺量的增加，其在高强修补砂浆拌合物中引入的气泡越多，从而使硬化后试件的孔隙率越多，相应的高强修补砂浆的抗压、抗折强度就会降低越多。纤维素醚在砂浆中的主要作用为保水、增稠、增粘作用，以使砂浆拌合物在达到足够的强度之前，减少拌合物中水分的散失，保持水分的存在，供给砂浆中胶凝材料水化所必须的水分；同时，纤维素醚的掺加，增加了硬化后硬化体孔隙中的柔性聚合物，该聚合物难以起到刚性支撑作用，但会增加硬化体的柔韧性[10]。在潮湿的养护条件下，因高强修补砂浆拥有足够的水分供给，纤维素醚的保水作用会相应的减弱； 同时低掺量时，潮湿养护条件下纤维素醚在修补砂浆硬化体中形成的柔性聚合物较少，所以 1#～3# 配比高强修补砂浆的 28d 压折比变化相对较小。但当羟丙基甲基纤维素醚的掺量增加到一定的量后，其会在高强修补砂浆硬化体中形成较多的柔性聚合物，所以可以改善高强修补砂浆的柔韧性，降低其压折比。

3 结论

（1）纤维素醚的掺量、种类对高强修补砂浆拌合物的稠度有一定的影响；高强修补砂浆拌合物的稠度随着纤维素醚掺量的增大而减少，随着纤维素醚粘度的增大而降低。

（2）潮湿的水养护环境下，纤维素醚的掺量、种类对高强修补砂浆的强度有影响；在一定掺量的范围内，高强修补砂浆的抗压、抗折强度随着纤维素醚掺量的增大而降低。

（3）潮湿的水养护环境下，低掺量的范围内，纤维素醚的掺量对高强修补砂浆 28d 的压折比影响相对较小，但当掺量达到 0.12% 以后则高强修补砂浆的压折比会有所降低，柔韧性有所增强。

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［通讯地址］福建省厦门市同安区新民镇凤岭路 760号 厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司 研发中心（361100）

Effect of cellulose ethers on high-strength repair mortar in wet conditions

Huang Hongcai, Gui Miaomiao, Wang Peixin, Zhang Cihua
(Xiamen Academy of Building Research Co., Ltd., Xiamen 361100)

The effect of cellulose ethers on performances and mechanical properties of high-strength repair mortar was studied in wet conditions.The results indicated that the type and content of cellulose ethers had some effect on consistency of high-strength repair mortar, with the increasing of content, the consistency would decrease, and it was the same with the effect of viscosity on consistency. In wet conditions of water curing, the type and content of cellulose ethers also had some effect on the mechanical properties of high-strength repair mortar, and the compressive strength and fl exural strength would reduce with the increasing of cellulose ether; in low content range, the cellulose ether had little effect relativly on the 28d compressive and fl exural strength ratio, but when the content of cellulose ether reached 0.12%, the 28d compressive and fl exural strength ratio would decrease, and the fl exibility would enhance.

cellulose ether; high-strength; repair mortar; wet conditions

黄洪财（1978－），男，硕士，工程师，建筑材料与工程专业，主要从事建筑材料的研究与测试工作。