甲基纖維素醚對常溫養護型超高性能混凝土的影響

周紅梅　彭昱翔　陳競　黃歆彧

摘? 要：通過改變常溫養護型超高性能混凝土（UHPC）中羥丙基甲基纖維素醚（HPMC）的摻量，研究了纖維素醚對UHPC流動度、凝結時間、抗壓強度、抗折強度、軸心抗拉強度和極限拉伸值的影響，并對其結果進行了分析.試驗結果表明：摻加不超過1.00%的低粘度HPMC不影響UHPC的流動度，但減小流動度經時損失，并延長凝結時間，大大提高施工性能;摻量低于0.50%時，對抗壓強度、抗折強度、軸心抗拉強度的影響均不大，而一旦摻量大于0.50%，則其力學性能降低1/3以上.綜合各項性能考慮，推薦HPMC摻量為0.50%.

關鍵詞：超高性能混凝土;纖維素醚;常溫養護;抗壓強度;抗折強度;抗拉強度

中圖分類號：TU528.58? ???DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.02.004

0??? 引言

在我國建筑行業的高速發展下，實際工程對于混凝土性能的要求也隨之增高，超高性能混凝土（UHPC）順應需求而產生.UHPC是一種具有創新性的水泥基建筑材料，以最大堆積密度理論設計出材料不同粒徑顆粒的最佳配比，并摻入鋼纖維和高效減水劑，具有超高抗壓強度、高韌性、高抗震耐久性和微裂紋強自愈合能力等優良的性能[1].國外對于UHPC的技術研究較為成熟，已經運用于很多實際工程[2].相較于國外，國內的研究還不夠深入[3].董健苗等[4]通過摻加不同種類及摻量的纖維，研究了纖維摻入混凝土的影響機理及規律;陳競等[5]通過選用4種直徑的鋼纖維，研究了鋼纖維直徑對UHPC性能的影響規律.UHPC在國內只有少量工程應用，目前仍處于理論研究的階段.UHPC的性能優越，已成為混凝土發展的研究方向之一，但目前仍有許多問題有待解決.如對原材料要求較高，成本過大，制備工藝復雜等，制約了UHPC的生產技術發展.其中，用高壓蒸汽和高溫進行UHPC的養護可使其獲得更高的力學性能和耐久性能，但由于蒸汽養護的流程繁瑣，對生產設備要求高，且只能將材料應用局限于預制場，無法進行現澆施工，因此，實際工程不宜采用熱養護的方法，有必要對常溫養護型UHPC深入研究.

常溫養護型UHPC在我國正處于研究階段[4]，其水膠比極低，在現場施工中易出現表面失水快的現象.水泥基材料為了有效改善失水現象通常在材料中適當地加入一些保水稠化劑，防止材料的離析和泌水，增強保水性及粘結性，提高施工性能，也可有效提高水泥基材料的力學性能.羥丙基甲基纖維素醚（HPMC）作為一種聚合物增稠劑，可以有效地使水泥基材料中的聚合物膠凝漿體和材料均勻地分布，漿體中的游離水變為結合水，從而不易從漿體中流失，提高了混凝土的保水性能[6-9].為降低纖維醚對UHPC的流動性的影響，故選用低粘度的纖維素醚進行試驗.

綜上，為在保證常溫養護型UHPC力學性能的基礎上提升其施工性能，本文根據纖維素醚的化學特性及其在UHPC漿體中的作用機理，研究低粘度纖維素醚摻量對常溫養護型UHPC的流動度、凝結時間、抗壓強度、抗折強度、軸心抗拉強度及極限拉伸值的影響，以確定纖維素醚的適宜摻量.

1?? 試驗方案

1.1?? 試驗原材料及配合比

本試驗原材料為：

1）水泥：柳州產P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，其主要性能見表1.

2）粉煤灰：柳州產粉煤灰，主要化學組成見表2.

3）礦粉：柳州產S95粒化高爐礦渣粉.

4）硅灰：半加密硅灰，灰色粉末，SiO2含量≥92%，比表面積23 m2/g.

5）石英砂：20～40目（0.833～0.350 mm）.

6）減水劑：聚羧酸減水劑，白色粉末，減水率≥30%，其主要性能指標見表3.

7）乳膠粉：可再分散乳膠粉.

8）纖維素醚：美國產羥丙基甲基纖維素METHOCEL，粘度400 MPa·s.

9）鋼纖維：平直型鍍銅微絲鋼纖維，直徑φ為0.22 mm，長度都為13 mm，抗拉強度2 000 MPa.

經過前期的大量試驗研究可以確定，常溫養護型超高性能混凝土的基礎配合比為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶硅灰∶砂∶減水劑∶乳膠粉∶水=860∶42∶83∶110∶980∶11∶2∶210，鋼纖維體積摻量為2%.在此基礎配合比上摻入纖維素醚（HPMC）摻量的0、0.25%、0.50%、0.75%、1.00% HPMC分別設立對比試驗.

1.2?? 試驗方法

將干粉原材料按配合比稱量好一同置于HJW-60單臥軸強制式混凝土攪拌機中，開機攪拌至均勻，加入水攪拌 3 min，關閉攪拌機，再加入稱好的鋼纖維重新開機攪拌2 min制成UHPC漿體.

試驗項目包括流動度、凝結時間、抗壓強度、抗折強度、軸心抗拉強度及極限拉伸值.流動度試驗按JC/T 986—2018《水泥基灌漿材料》測定.凝結時間試驗按GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間檢驗方法》.抗折強度試驗按GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測定.抗壓強度試驗、軸心抗拉強度和極限拉伸值試驗按DLT 5150—2001《水工混凝土試驗規程》測定，常溫養護型UHPC各項性能試驗如圖1所示.

2??? 試驗結果

2.1?? 流動度

流動度試驗結果如圖2所示.圖2顯示了HPMC摻量對UHPC流動度經時損失的影響.由試驗現象觀察到，沒有摻加纖維素醚的漿體攪拌均勻后，表面容易失水結皮，流動性很快損失，和易性變差.加入纖維素醚后，表面沒有結皮，流動度經時損失小，和易性保持良好，在試驗范圍內，60 min流動度最低損失5 mm.分析試驗數據可知，低粘度纖維素醚的摻量對UHPC初始流動度的影響不大，對流動度經時損失有較大影響.當不摻纖維素醚時，UHPC的流動度損失較大，為15 mm;隨著HPMC的增大，砂漿的流動度損失減小;當摻量為0.75%時，UHPC的流動度經時損失最小，為5 mm;此后，隨著HPMC的增大，UHPC的流動度經時損失幾乎不變.

HPMC摻入UHPC后，從兩個方面影響UHPC的流變性能：一是攪拌過程中帶入獨立存在的微小氣泡，使骨料與粉煤灰等材料形成“滾珠效應”，增加了和易性，同時大量的膠凝材料能包裹住骨料，使骨料均勻地“懸浮”在漿體中，可自由移動，骨料間的摩擦力減小，流動度增大;二是增加了UHPC的黏聚力，使得流動度減小.由于試驗使用的是低粘度的HPMC，第一個方面與第二個方面相持平，初始流動度變化不大，但可使經時流動度損失減小.根據試驗的結果分析可知，在UHPC中加入適量的HPMC可以大大提高UHPC施工性能.

2.2?? 凝結時間

凝結時間的試驗結果如圖3所示.圖3是UHPC凝結時間受HPMC摻量影響的變化趨勢圖，由圖可知HPMC在UHPC中起到緩凝的作用.摻量越大，緩凝效果越明顯，當摻量為0.50%時，砂漿的凝結時間為55 min，較對照組（40 min）增大了37.5%，增長仍不明顯.摻量為1.00%時，砂漿的凝結時間為100 min，較對照組（40 min）增大了150%.

纖維素醚分子結構特性影響其緩凝效果.纖維素醚中的根本分子構造，即脫水葡萄糖環結構，它可以與鈣離子進行反應組成糖鈣分子的化合物，降低水泥熟料水化反應誘導期的鈣離子濃度，防止進一步析出Ca（OH）2，降低了水泥水化反應的速度，從而對水泥凝結起到延緩效果.

2.3?? 抗壓強度

抗壓強度的試驗結果如圖4所示.圖4顯示了UHPC試樣7 d、28 d抗壓強度與HMPC含量之間的關系.從圖4中可以清楚地看到，HPMC的添加使得UHPC抗壓強度的下降幅度逐漸增大.由28 d抗壓強度曲線可知，添加0.25%的HPMC，UHPC的抗壓強度略有下降，抗壓強度比為96%.添加至0.50%的HPMC對UHPC的抗壓強度比無明顯的影響.在使用范圍內繼續添加HPMC，UHPC的抗壓強度有明顯下降.當HPMC的含量增加達到1.00%時，抗壓強度比下降至66%，強度損失嚴重.由數據分析可得，添加0.50%的HPMC較為適當，抗壓強度的損失小.

HPMC具有一定的引氣效果.摻入HPMC會使UHPC產生一定量的微氣泡，降低新拌UHPC的體積密度.漿體經過硬化后，孔隙率逐漸增大，密實度也降低，特別是HPMC含量較高時.另外，隨著HPMC引入量的增加，UHPC的孔隙中仍然存在著許多柔性的聚合物，在膠凝復合材料的基體受壓時不能起到良好的剛性和抗壓支撐的重要作用.因此，HPMC的加入大大降低了UHPC的抗壓強度.

對圖4的28 d抗壓強度試驗結果進行非線性回歸分析，發現兩者的相關性很高，見圖5.

經回歸分析可得出纖維素醚摻量與28 d抗壓強度的回歸擬合方程為：

y=A1*exp（-x/t1）+y0?? ??（1）

其中：y0=133.057 38 ± 2.442 14，A1=-0.943 22 ± 0.742 69，t1=-0.258 37 ± 0.050 52. R2=0.991? 4>0.8，調整后R2adj=0.982 8，意味著纖維素醚可以解釋28 d抗壓強度的99.1%的變化原因，即該模型擬合可靠度高，可以用其初步分析纖維素醚添加量與常溫養護型UHPC抗壓強度的關系.

2.4?? 抗折強度

抗折強度的試驗結果如圖6所示.圖6顯示了UHPC試樣7 d、28 d抗折強度與HMPC摻量之間的關系.由圖7可知，抗折強度與抗壓強度的變化曲線相類似，HMPC摻量在0～0.50%之間抗折強度變化不大，隨著HPMC的繼續摻加，UHPC試樣的抗折強度大幅下降.

HPMC對UHPC抗折強度的作用主要是在于3個方面：纖維素醚擁有緩凝和引氣作用，這兩方面降低了UHPC的抗折強度;而第三方面纖維素醚生成的柔性聚合物，降低試件剛性，使試件抗折強度下降略微減緩.這3個方面的同時存在，降低了UHPC試件的抗壓強度，也降低了抗折強度.

2.5?? 軸心抗拉強度和極限拉伸值

抗拉強度的試驗結果如圖7所示.圖7顯示了UHPC試樣7 d、28 d抗拉強度與HMPC摻量之間的關系.隨著HPMC摻量的增加，UHPC試件的抗拉強度先變化幅度很小再迅速降低.由28 d軸心抗拉強度曲線可知，當試件中HPMC的含量達到0.50%時，UHPC試件的軸心抗拉強度值為12.2 MPa，抗拉強度比為103%.隨著試件HPMC含量的進一步增加，軸心抗拉強度值開始大幅下降.當試件HPMC含量分別為0.75%和1.00%時，抗拉強度比分別為94%和78%，均低于未使用HPMC時UHPC的軸心抗拉強度.

極限拉伸值的試驗結果如圖8所示.圖8顯示了UHPC試樣7 d、28 d極限拉伸值與HMPC摻量之間的關系.從試驗結果可以看出，剛開始隨著纖維素醚的增加極限拉伸值幾乎不變，在纖維素醚摻量達到0.50%后開始迅速下降.

HPMC的添加量對UHPC試件的軸心抗拉強度和極限拉伸值的影響均呈現保持幾乎不變而后降低的變化趨勢.究其原因主要是由于HPMC能在水化水泥顆粒之間直接形成一層防水的聚合物密封膜，起到了密封的作用，使得一定量的水儲存在UHPC中，為水泥進一步水化的不斷發展提供必要的水，從而提高了水泥的強度.HPMC的加入提高了UHPC的粘結性，賦予了漿體柔韌性，使得UHPC充分適應基層材料的收縮和變形，略微提高UHPC的抗拉強度.然而當HPMC的含量超過臨界值時，夾帶的空氣對試件強度的不利影響開始逐漸起到了主導作用，試件的軸心抗拉強度和極限拉伸值開始降低.

3??? 結論

1）HPMC能顯著改善常溫養護型UHPC的工作性能，延長其凝結時間和降低新拌UHPC的流動度經時損失.

2）HPMC的添加在漿體攪拌過程中引入一定量的微小氣泡，添加量過大，氣泡聚集過多，形成更大的氣泡，漿體粘結性大，氣泡無法溢出破裂，固化后形成大的孔隙，硬化后的UHPC密實度下降;加之HPMC生成的柔性聚合物承壓時起不到剛性支撐作用，抗壓和抗折強度隨之大幅度下降.

3）摻加HPMC使得UHPC具有可塑性和柔韌性，UHPC試件的軸心抗拉強度和極限拉伸值隨著HPMC摻量的增加而幾乎不發生變化，但是當HPMC摻量超過一定值后，軸心抗拉強度和極限拉伸值大幅降低.

4）配制常溫養護型UHPC時，應嚴格控制HPMC的摻量.在摻量0.50%時，能較好地協調常溫養護型UHPC工作性能與力學性能之間的關系.

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The influence of methylcellulose ether on the properties of

room temperature curing ultra high performance concrete

ZHOU Hongmei1， PENG Yuxiang1， CHEN Jing2， HUANG Xinyu1

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2.Liuzhou OVM Structure Testing Technology Co. Ltd.， Liuzhou 545005， China）

Abstract： By changing the content of hydroxypropyl methyl cellulose ether （HPMC） in room ?????temperature curing ultra-high performance concrete （UHPC）， the effects of cellulose ether on the ?fluidity， setting time，compressive strength， flexural strength， axial tensile strength and ultimate tensile value of UHPC were studied. And the results were analyzed. The test results show that the addition of low viscosity HPMC with less than 1.00% does not affect the fluidity of UHPC， but reduces the ?time-lapse loss of fluidity， prolongs the setting time， and greatly improves the construction? ?????performance; when the content is less than 0.50%， the impact on the compressive strength， flexural strength and axial tensile strength is not great， but once the content is greater than 0.50%， the? ?mechanical properties of UHPC will be reduced by more than 1/3 times. Considering the properties， the HPMC content of 0.50% is recommended.

Key words： ultra high performance concrete; cellulose ether; room temperature curing; compressive strength; flexural strength; tensile strength

（責任編輯：羅小芬、黎?? 婭）

收稿日期：2020-08-16

基金項目：廣西自然科學基金項目（2018GXNSFAA281284）資助.

作者簡介：周紅梅，教授級高工，研究方向：建筑新型環保材料的研發，E-mail：289953835@qq.com.