HPMC对混凝土性能的影响研究

潘家军，牛茂威，秦露

（重庆建研科之杰新材料有限公司，重庆 璧山 402760）

0 前言

随着我国基础设施建设需求量的不断增加，混凝土作为基建的必要材料之一，在基建各个工程领域中也发挥着巨大的作用。与此同时，天然砂资源紧缺及国家环保政策限制，导致机制砂的应用迅速增加，但机制砂存在颗粒级配不良、断档等问题，所以混凝土易出现和易性差、离析、泌水等问题，使得混凝土的施工性能、质量波动较大。使用复合聚羧酸高性能减水剂是改善混凝土性能的一种方法，而其中增稠剂的应用则可以改善混凝土和易性差、离析、泌水等问题。有研究表明，羟丙基甲基纤维素（HPMC）作为增稠剂，可有效地改善混凝土和易性、保水性以及抗压强度等性能[1]。

本文研究了不同分子量的 HPMC（5W、10W、15W），在不同掺量下对混凝土坍落度和扩展度、保水性能的影响，观察 HPMC 对混凝土抗压强度的影响，期望对 HPMC 作为减水剂复配小料应用于混凝土提供理论和实际参考。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）水泥为台泥 P·O42.5R 普通硅酸盐水泥；粉煤灰：Ⅱ级灰，需水比为 100%；矿粉为 S95，比表面积为 430m2/kg。水泥的性能指标结果见表1。

表1 水泥的主要性能指标

（2）减水剂为缓凝型聚羧酸减水剂，掺量据实际需求确定，推荐掺量为 2.0% 左右。

（3）试验砂为水洗机制砂与石粉机制砂，其中：水洗机制砂细度模数为 2.6，MB 值为 1.4；石粉机制砂细度模数 2.8，石粉含量 12.1%，MB 值 2.1。粗骨料由大石（10～20mm）和小石（5～10mm）组成，压碎值为 10.0%。

1.2 试验方法

（1）将不同分子量的 HPMC 按照减水剂配方的不同掺量（0.05%、0.10%、0.20%）复配均匀，然后连同拌和水一起加入混凝土中搅拌，搅拌时间为 90s。

（2）混凝土坍落度、扩展度、泌水率的测试根据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行，试验温度为 25℃，湿度为 60%。

（3）掺入 HPMC 后的混凝土抗压强度测试按照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行，成型 100mm×100mm ×100mm 试块，采用标准养护，测定混凝土指定龄期的抗压强度。

1.3 试验配合比

试验采用混凝土强度等级为 C30，其配合比和原材料的用量见表2。

表2 C30 配合比及原材料用量 kg/m3

2 试验结果及讨论

2.1 HPMC 对混凝土坍落度和扩展度的影响

混凝土在浇筑施工过程中，需要混凝土具有一定的流动性，以保证泵送及到作业面振捣施工的顺利，而混凝土流动性主要以坍落度和扩展度来表征。故对不同分子量 HPMC 及掺量的混凝土坍落度和扩展度进行了测试，结果见表3 及图 1、2。

表3 及图 1 结果表明，不同分子量 HPMC 对混凝土坍落度存在影响，其影响程度存在差异。随着 HPMC 分子量、掺量的增加，混凝土坍落度呈现先增加再减小趋势。表3 及图 2 表明，不同分子量 HPMC 对混凝土扩展度存在影响，其影响程度存在差异。随着 HPMC 分子量、掺量的增加，扩展度均呈现减小趋势。其中 10W 分子量的 HPMC 随掺量增加对混凝土流动性影响较缓和，5W 分子量的 HPMC 加入后混凝土影响程度较小，15W 分子量的 HPMC 加入后混凝土对掺量增加反应较敏感。从试验结果来看，综合对混凝土坍落度、扩展度的影响及混凝土和易性要求，10W 分子量的 HPMC 效果最好。

表3 HPMC 对混凝土工作性能的影响

图1 HPMC 对混凝土坍落度的影响

图2 HPMC 对混凝土扩展度的影响

不同分子量的 HPMC 加入混凝土的坍落度和扩展度有影响作用，但作用效果不尽相同。HPMC 属高分子聚合物，具有增稠作用[2]，减水剂复配加入 HPMC 后可以增加混凝土的粘聚性，使得混凝土流动性和包裹性增加，从而增加坍落度、减小扩展度。但 HPMC 的增稠作用与其分子量和掺量有关，分子量越高、掺量越高，增稠作用越明显，达一定程度会降低坍落度。同时，HPMC 还具有引入微小气泡的作用，微小气泡的引入发挥了“滚珠”效应[3]，使混凝土流动性提高，相应的提高坍落度，但分子量、掺量的提高会抵消部分微小气泡的作用。

2.2 HPMC 对混凝土抗离析泌水性能的影响

机制砂混凝土由于原材料紧张，易出现波动，这就容易造成混凝土浆骨分离、离析泌水，对施工等造成不利影响，故要求改善混凝土的抗离析泌水性能。对不同分子量 HPMC 及掺量的混凝土静置泌水率进行了测试，结果见表4 及图 3。

表4 不同分子量 HPMC 及掺量的混凝土泌水率

图3 HPMC 对混凝土泌水率的影响

表4 及图 3 结果表明，空白组离析泌水严重，泌水率高。相对于空白组而言，HPMC 的加入改善了混凝土离析泌水的状态。在同掺量下，随着 HPMC 分子量的增加，混凝土的泌水率降低，和易性改善。且分子量越高泌水率降低越多。

对于相同分子量的 HPMC 而言，其掺量提高，混凝土的泌水率降低，且分子量越高，降低幅度越大。

HPMC 的加入增强了混凝土抗离析泌水的性能，有研究表明，HPMC 增加了拌合水的粘度，提高了浆体的粘度，增加混凝土的稳定性[4]，从而增强了混凝土的抗离析性能。同时 HPMC 结构中具有羟基和醚键，基团中的 O 原子与 H2O 缔合成了氢键，使得游离 H2O 变为结合水，从而起到保水作用[5]，故降低了混凝土的泌水率，且随着分子量、掺量的增加，泌水率降低越多。

2.3 HPMC 对混凝土抗压强度的影响

混凝土的抗压强度是最基础的指标之一，复配减水剂的小料对抗压强度的影响要尽可能得小。故对不同分子量 HPMC 及掺量的混凝土抗压强度进行了测试，结果见表5 及图 4、5。

表5 不同分子量 HPMC 及掺量的混凝土抗压强度

图4 HPMC 对混凝土 7d 强度的影响

表5 及图 4、5 结果表明，相对于空白组而言，在掺量较低的情况下，HPMC 的加入使得混凝土 7d 强度先增强后降低。对混凝土 28d 强度的影响，分子量为 5W 和 10W 的 HPMC 与 7d 强度的影响规律大致相同，而 15W 分子量的 HPMC 对混凝土 28d 强度的影响则随着掺量的增加呈不断下降趋势。

HPMC 对于混凝土的强度的影响，与其分子量、掺量有关。一方面，HPMC 由于其增稠作用使混凝土粘聚性增强体系均匀性更强，以及保水作用提高了抗开裂性能[2]，故在少量添加时能够提高混凝土抗压强度。另一方面，由于 HPMC 会向混凝土体系中引入气泡[6]，使硬化混凝土密实度降低，从而降低混凝土强度。故 HPMC对混凝土强度的影响是由这两方面原因共同作用形成。掺量低时，增强大于降低，分子量高或掺量高时增强小于降低。

图5 HPMC 对混凝土 28d 强度的影响

3 结论

（1）HPMC 对混凝土坍落度和扩展度有影响，其作用随分子量、掺量的不同有差异。分子量不同，对掺量反应敏感性不同，低分子量较优。低掺量下，可以提高混凝土流动性，而掺量高时则会使混凝土变粘稠而流动性降低。

（2）HPMC 由于其增稠保水作用，能提高混凝土稳定性，从而增加混凝土的抗离析泌水能力。分子量及掺量越高，抗离析泌水能力增强效果越明显。

（3）HPMC 对混凝土的抗压强度存在影响，两方面因素共同作用下，低掺量对抗压强度有利，高掺量及分子量过高则会存在负面影响。对于混凝土 7d 强度而言，低掺量下强度有所增强，掺量提高后强度降低。而 28d 强度，在分子量较低时随掺量提高先增强后降低，分子量较高时随掺量提高不断降低。

（4）对于 HPMC 应用于减水剂复配小料而言，需要根据不同使用情景，如混凝土原材料等，来选择合适的分子量及掺量，以达到最优效果。