纤维素醚改性砂浆的研究进展_蹇守卫

图 1 MHEC 分子结构 Fig． 1 Molecular structure of MHEC
构如图 1 所示。
2． 2 纤维素醚在砂浆中的作用
CE 在砂浆中的作用主要体现在以下三个方面： 优良的保水能力、对砂浆稠度和触变性的影响及调整流 变性［2］。
CE 的保水性不仅可调整灰浆体系的开放时间和凝结过程，从而调整体系的可操作时间，同时可以防止
JIAN Shou-wei1 ，MA Bao-guo1 ，SU Lei1 ，LI Xiang-guo1 ，MU Song2 ，YUAN Long1
（ 1． Key Laboratory for Silicate Materials Science and Engineering of Ministry of Education， Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China； 2． Ghent University，Belgium）
第 30 卷 第 3 期 2011 年 6 月
硅酸盐通报
BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY
Vol． 30 No． 3 June，2011
纤维素醚改性砂浆的研究进展
蹇守卫1 ，马保国1 ，苏 雷1 ，李相国1 ，穆 松2 ，袁 龙1
（ 1． 武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点试验室，武汉 430070； 2． Ghent University，Belgium）
粘结强度试验是根据砂浆使用方向确定的，如陶瓷粘结砂浆主要参考《陶瓷墙地砖胶粘剂》（ JC / T 5472005） ，防护砂浆主要参考《外墙外保温专用砂浆技术要求》（ DB 31 / T 366-2006） 和《外墙外保温用膨胀聚苯 乙烯板抹面胶浆》（ JC / T 993-2006） 。在国外，采用较多的有日本材料科学协会推荐的粘结强度用抗折强度 表征（ 试验采用切成两半尺寸为 160 mm × 40 mm × 40 mm 的棱柱体普通砂浆与改性砂浆制成试样后养护， 参照水泥胶砂抗折强度的测试方法进行测试） 。
在 CE 改性砂浆的理论研究方面，通常认为，CE 除了赋予砂浆良好的工作性能，还会降低水泥早期水化
放热量，延缓水泥的水化动力学过程。
CE 引起的缓凝效应，主要与它在矿物胶凝材料系
统中的浓度和分子结构有关，而与 CE 的分子量关系
不大。图 2 是 CE 的化学结构对水泥水化动力学的影
响，由图 2 可见，CE 掺量越高，烷基取代度越小，羟基
CE 改性砂浆的性能评价主要包括保水性、粘度、粘结强度等。
保水性是与 CE 改性砂浆工作性能直接相关的一个重要性能指标，目前相关试验方法较多，但大多采用
真空泵法直接抽滤出水分，如国外主要采用德国 DIN 18555《无机胶凝材料砂浆的检测方法》，法国加气混凝
562 综合评述
硅酸盐通报
第 30 卷
土生产企业采用的滤纸法，国内涉及保水性测试方法的标准有 JC / T 517-2004《粉刷石膏》，其基本原理和计 算方法和国外标准一致，均通过测定砂浆的吸水率表示砂浆的保水性。
高粘度的 CE 水溶液具有高的触变性，当温度提高时形成结构凝胶，出现高触变流动，这也是 CE 的一大特
性。
CE 的加入可有效调整建筑材料体系的流变性，从而改善工作性能，使灰浆具有较好的和易性、较好的抗
流挂性能，不与施工工具粘连等。这些性能使灰浆更易于找平并利于固化。
2． 3 纤维素醚改性砂浆的性能评价
粘度是与 CE 改 性 砂 浆 工 作 性 能 直 接 相 关 的 另 一 个 重 要 性 能 指 标，粘 度 测 试 方 法 常 用 的 有 四 种： Brookfield、Hakke、Hoppler、旋转粘度计法。四种方法所采用的仪器、溶液浓度、测试环境等各不相同，因而同 种溶液用四种方法测试出的结果均不相同。同时由于 CE 的粘度随温度、湿度等变化，因此，同种 CE 改性砂 浆的粘度是动态变化的，这也是目前对 CE 改性砂浆尚需研究的一个重要方向。
要的成果，但在 CE 改性砂浆的机理研究，特别是 CE 在特殊使用环境下与水泥、骨料、基体间的相互作用方 面还存在明显不足，为此，本文在总结相关研究成果的基础上，提出需要进一步在温度、与其它外加剂的相容 性等方面进行深入研究。
2 纤维素醚的作用与分类
2． 1 纤维素醚的分类
纤维素醚的品种很多，目前已有近千种，一般而言，按照电离性能可分为离子型和非离子型 2 大类，在水 泥基材料中由于离子型纤维素醚（ 如羧甲基纤维素，CMC） 会与 Ca2 + 生成沉淀而不稳定，因而很少使用。非
基金项目： 国家自然科学基金（ No． 50902107） 作者简介： 蹇守卫（ 1980-） ，男，副研究员． 主要从事硅酸盐材料的研究． E-mail： jianshouwei@ 126． com
第3 期
蹇守卫等： 纤维素醚改性砂浆的研究进展
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高特种粘结砂浆施工速度方面具有重要的社会效益和经济效益。 尽管目前已经开展了大量关于 CE 改性砂浆的研究工作，在 CE 改性砂浆的应用技术研究方面取得了重
含量越大，水化延迟作用就越强烈。在分子结构方面，
亲水 取 代 （ 如 HEC ） 较 憎 水 取 代 （ 如 MH、HEMC、
HMPC） 的缓凝作用更强。
从 CE 与水泥颗粒的相互作用来看，其缓凝机理
表现在两个方面，一方面是由于 CE 分子吸附在 C-S-H
图 2 CE 的化学结构对水泥水化动力学的影响
摘要： 本文分析了纤维素醚的种类及其在干混砂浆的主要作用和保水性、粘度、粘结强度等性能评价方法，阐述了
纤维素醚在干混砂浆中的缓凝机理、微观结构及某些特定薄层纤维素醚改性砂浆的结构形成与水化过程的关系，
在此基础上，提出必须加快研究在快速失水条件下，薄层结构中纤维素醚改性砂浆的分层水化机理及聚合物在砂
浆层的空间分布规律，未来在实际应用中应充分考虑纤维素醚改性砂浆受温度变化的影响、与其它外加剂的相容
Abstract： This paper describes major roles of various types of CEs in dry-mixed mortars and testing methods such as water retention， viscosity and bond strength． At the same time， the retardation mechanism and micro-structures of CE in dry-mixed mortar，structure formation and the hydration process of thin-layer CE-modified mortar have been described． On this basis，the authors propose to accelerate research on thin layered CE hydration mechanism modified mortar and polymer mortar layer in the spatial distribution of CEs modified mortar with which under fast dehydration． The authors also propose practical applications in the future should be fully considered by CE modified mortar affected by temperature， compatibility with other additives，etc． The research will contribute to the application of CE modified mortars，such as wall plaster，putty，pointing mortar，etc． Key words： cellulose ether； dry-mixed mortar； mechanism
和 Ca（ OH） 2 等水化产物上阻止了水泥矿物水化进一 步进行，另一方面，由于 CE 导致孔溶液粘度增加，降
Fig． 2 The influence on cement hydration kinetics and the CE chemical structure
离子型纤维素醚可按照（ 1） 标准水溶液的粘度； （ 2） 取代基的类型； （ 3） 取代度； （ 4） 物理结构； （ 5） 溶解性能
等进行分类。
CE 的性质主要取决于取代基的种类、数量和分
布，因此通常按照取代基的类型对 CE 进行划分。如
甲基纤维素醚（ MC） 是天然纤维素葡萄糖单元上的羟
基被甲氧基取代的产物，其结构式为［COH7 O2 （ OH） 3-n （ OCH3 ） n］x，羟丙基甲基纤维素醚 HPMC 是羟基被甲 氧基、羟丙 基 分 别 取 代 的 产 物，为［C6 H7 O2 （ OH） 3-m-n （ OCH3 ） m［OCH2 CH （ OH ） CH3］n］x 。 目 前 所 使 用 的 90% 以上 的 纤 维 素 醚 主 要 是 甲 基 羟 丙 基 纤 维 素 醚 （ MHPC） 和甲基羟乙基纤维素醚（ MHEC） ，其分子结
在基材表面形成有粘结强度的水泥凝胶，而且易引发开裂和渗水。
砂浆体系的需水量是一个重要参数。基本需水量以及相关的灰浆产出量取决于灰浆的配方，即胶凝材
料、集料、骨料的加入量，但 CE 的掺入可以有效地调整需水量和灰浆产出量。而在许多建筑材料体系中，CE
作为增稠剂用来调整体系的稠度，CE 的增稠作用取决于 CE 的聚合度、溶液浓度、剪切速率、温度等条件。
性等，本研究工作将促进 CE 改性砂浆如外墙抹灰砂浆、腻子、勾缝砂浆等薄层砂浆的应用技术发展。
关键词： 纤维素醚； 干混砂浆； 机理
中图分类号： TU522
文献标识码： A
文章编号： 1001-1625（ 2011） 03-0560-07
Research Progresses of Cellulose Ether-modified Mortar
基材过多过快吸收水分并阻碍水分的蒸发，以保证水泥水化时逐步释放水分。CE 的保水性主要与 CE 的添
加量、粘度、细度及使用的环境温度等相关。CE 改性砂浆的保水作用则取决于基层的吸水性，砂浆的组成、
层厚、需水量，胶凝材料的凝结时间等。研究表明，在某些瓷砖粘结剂的实际使用过程中，由于干燥多孔的基
材会从浆体中快速、大量吸收水，靠近基材的水泥浆层失水导致其中水泥的水化程度低于 30% ，这不但不能
1引言
普通干混砂浆、外墙保温砂浆、自流平砂浆、防水砂浆等干混砂浆已成为我国水泥基建筑材料的重要组 成部分，纤维素醚（ cellulose ether，CE） 是天然纤维素醚的衍生物，是各类干混砂浆的重要改性外加剂，起着 缓凝、保水、增稠、引气、粘合等功能［1］。
CE 在砂浆中的作用主要体现在改善砂浆的工作性和保证砂浆中水泥的水化两个方面。对砂浆工作性 的改善主要体现在保水性、抗流挂性和开放时间等方面，特别是在保证薄层砂浆梳理，抹灰砂浆摊铺以及提
源自文库
3 纤维素醚改性砂浆理论研究进展
CE 改性砂浆的理论研究主要集中在 CE 在砂浆体系中与各种物质的相互作用。CE 改性水泥基材料内
部的化学作用基本可表现为 CE 与水的作用、水泥本身的水化作用、CE 与水泥颗粒间的作用、CE 与水泥水
化产物间的作用 4 种。其中 CE 与水泥颗粒 / 水化产物间的作用主要表现在 CE 与水泥颗粒间的吸附作用。 关于 CE 与水泥颗粒间的相互作用，国内外已有研究报道，如刘光华等在［3］研究 CE 在水下不离散砼中
的作用机理时，测定了 CE 改性水泥浆胶体的 Zeta 电位，结果表明： 掺 CE 水泥浆的 Zeta 电位（ -12． 6 mV） 小
于水泥净浆的 Zeta 电位（ -21． 84 mV） ，说明掺 CE 的水泥浆中水泥颗粒表面包裹了非离子聚合物层，使双电
层扩散变薄，胶体间斥力变弱。
3． 1 纤维素醚改性砂浆的缓凝理论