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相比硅酸盐水泥，硫铝酸盐水泥具有早强、抗渗、抗冻、耐腐蚀等优良性能，在瓷砖粘结剂等特种建材中得到广泛的使用。
本文前期研究发现，一定水化阶段，纤维素醚可促进硫铝酸盐水泥水化产物的生成与转化，同时不同纤维素醚对硫铝酸盐水泥水化和性能的影响不同。粘结强度是诸多特种砂浆的重要指标之一。
为了深入探究纤维素醚结构对硫铝酸盐水泥砂浆拉伸粘结强度的影响，本文选取三类共五种纤维素醚对硫铝酸酸盐水泥砂浆进行改性，研究纤维素醚取代基团、取代度及掺量对拉伸粘结强度的影响。
试验原材料及配合比：水泥采用52.5级快硬硫铝酸盐水泥（CSA），其化学组成与矿物组成如表1、表2所示。砂：采用水泥胶砂强度检验用ISO标准砂。拌合水：自来水。纤维素醚：采用三类共五种纤维素醚。
其中，一类为羟乙基纤维素醚（HEC），简写为H；一类为羟乙基甲基纤维素醚（HEMC），高低取代度的分别简写为EH和EL；一类为羟丙基甲基纤维素醚（HPMC），高低取代度的分别简写为PH和PL。
试验中选取黏度接近的品种，以避免该参数变动造成的影响。所有纤维素醚的基本参数如表3所示。
混凝土板：采用两种不同的混凝土板，由42.5R普通硅酸盐水泥及不同粒径的集料制成，吸水率符合标准，表面拉伸强度至少为1.5MPa。
其主要差别为表面粗糙程度不同，一种为毛面混凝土板（简称毛面板），基板未经过打磨，表面较粗糙，另一种为光面混凝土板（简称光面板），基板经过仔细打磨使表面较平整光滑。
配合比：砂浆固定水灰比为0.56，灰砂比为3，纤维素醚对水泥的掺量分别为0.3%和0.6%。
保水率测试：称量定性滤纸、不透水底片与干燥试模的重量；将砂浆填入试模，插捣刮平后，抹去多余砂浆，称重。
用纱布和定性滤纸覆盖在砂浆表面，再用不透水片及重物压在表面上，2min后取出滤纸称重；通过计算可得到砂浆的保水率，测试结果如表4所示。
拉伸粘结强度测试：在毛面板上，成型50mm×50mm×5mm，养护龄期为1d、7d、28d，每龄期8个试样；在光面板上，成型40mm×40mm×5mm的试样，养护龄期为7d、28d，每龄期10个试样。
试样的成型和养护均在（20±2）℃、相对湿度（60±5）%的环境下进行。
测试前24h用高强粘结剂将拉拔铁块粘在试样成型面上，继续养护至规定龄期进行测试；龄期为1d的试样需在成型20h时脱模并粘结拉拔铁块，到24h时再进行测试。
MIP 测试：成型抗折、抗压强度试样，选择28d抗折、抗压强度测试完毕试样的未被挤压大部分取样，压汞（MIP）试样为尺寸不超过15mm的黄豆粒大小的样品。
测试前，将样品放入10倍于其质量的无水乙醇中浸泡48h后取出并置于真空干燥箱，在40℃下烘至恒。
采用AutoPoreV9620压汞仪测定水泥砂浆的孔隙率。压力范围为0.50~62354.60psi。
图1为毛面板上不同种类和掺量的纤维素醚改性硫铝酸盐水泥砂浆不同龄期的拉伸粘结强度。
总体而言，纤维素醚改性砂浆的拉伸粘结强度普遍高于未改性砂浆，掺加的纤维素醚的种类、掺量不同，拉伸粘结强度差异显著。
图1（a）是纤维素醚掺量为0.3%时改性砂浆的拉伸粘结强度。
可以看出，砂浆的拉伸粘结强度随着龄期的增大略有变化，说明1d时硫铝酸水泥砂浆的拉伸粘结强度已充分发展，而后变化不显著。
与未改性砂浆相比，H改性砂浆各龄期的拉伸粘结强度分别提高了128%、150%、163%；EH改性砂浆各龄期的拉伸粘结强度分别提高了33%、78%、84%；EL改性砂浆各龄期的拉伸粘结强度分别提高了61%、152%、94%；PH改性砂浆各龄期的拉伸粘结强度分别提高了37%、32%、45%；PL改性砂浆各龄期的拉伸粘结强度分别提高了121%、128%、88%。
可以发现，五种纤维素醚中，HEC对砂浆的拉伸粘结强度的增强能力要高于HEMC（EH、EL）和HPMC（PH、PL），其中，PH对拉伸粘结强度的增强能力最弱。
在同类纤维素醚中，取代度的高低对拉伸粘结强度大小的影响显著，就拉伸粘结强度增强效果而言，EL>EH，PL>PH，即低取代度纤维素醚改性砂浆的拉伸粘结强度明显高于高取代度纤维素醚改性砂浆。
图1（b）是纤维素醚掺量为0.6%时改性砂浆的拉伸粘结强度。
较未改性砂浆，H改性砂浆各龄期的拉伸粘结强度分别提高了132%、138%、153%；EH改性砂浆各龄期的拉伸粘结强度分别提高了16%、30%、17%；EL改性砂浆各龄期的拉伸粘结强度分别提高了26%、56%、51%；PH改性砂浆的1、7d拉伸粘结强度分别降低了14%、8%，28d的强度提高了36%；PL改性砂浆各龄期的拉伸粘结强度分别提高了25%、49%、79%。
比较图1（a）与（b）发现，在毛面板上，0.6%掺量与0.3%掺量时龄期、纤维素醚种类对硫铝酸盐水泥砂浆拉伸粘结强度的影响类似。
只是，相比0.3%掺量，0.6%掺量的纤维素醚对于砂浆拉伸粘结强度的提高作用明显更低，且取代度的不同造成的拉伸粘结强度的差距也变小。
图2是光面板上不同种类和掺量的纤维素醚改性硫铝酸盐水泥砂浆在7d和28d龄期的拉伸粘结强度。
图2（a）为0.3%掺量纤维素醚改性砂浆的拉伸粘结强度。
光面板上未改性砂浆的拉伸粘结强度极低，只有0.2MPa左右，远小于其在毛面板上的强度。
较未改性砂浆，H改性砂浆各龄期的拉伸粘结强度分别提高了239%、162%；EH改性砂浆各龄期的拉伸粘结强度分别提高了344%、338%；EL改性砂浆各龄期的拉伸粘结强度分别提高了317%、295%；PH改性砂浆的各龄期的拉伸粘结强度分别提高了239%、190%；PL改性砂浆各龄期的拉伸粘结强度分别提高了306%、271%。
纤维素醚对于拉伸粘结强度的增强效果从高到低分别是：HEMC>HPMC>HEC，其中，EH>EL，PL>PH。
除HEC改性砂浆是7d强度高于28d的，其他的纤维素醚改性砂浆的28d强度均高于7d。
图2（b）为0.6%掺量纤维素醚改性砂浆的拉伸粘结强度。较未改性砂浆，H改性砂浆各龄期的拉伸粘结强度分别提高了278%、143%；EH改性砂浆各龄期的拉伸粘结强度分别提高了261%、229%；EL改性砂浆各龄期的拉伸粘结强度分别提高了344%、319%；PH改性砂浆各龄期的拉伸粘结强度分别提高了200%、143%；PL改性砂浆各龄期的拉伸粘结强度分别提高了233%、129%。
在此掺量下，纤维素醚对于拉伸粘结强度的增强效果从高到低分别是：HEMC>HEC>HPMC。HEMC改性砂浆的28d的拉伸粘结强度略高于7d，HEC和HPMC改性砂浆的28d强度明显低于7d的。
对比图2（a）与（b）发现，PH、PL和EH掺量从0.3%增加到0.6%降低了拉伸粘结强度，而H和EL掺量从0.3%增加到0.6%提高了拉伸粘结强度。
对改善砂浆拉伸粘结强度来说，各种纤维素醚的最佳掺量还有待今后进一步探索。
毛面和光面混凝土板上的拉伸粘结强度存在一些相似的变化规律。两种板上改性砂浆的强度均高于未改性砂浆；同类纤维素醚中，低取代度纤维素醚改性砂浆的拉伸粘结强度要明显高于高取代度纤维素醚改性砂浆；大多数情况下，HEMC改性砂浆的拉伸粘结强度普遍高于HPMC改性砂浆的，HEC改性砂浆普遍具有较高的拉伸粘结强度。
同时，两者也存在显著的区别。
首先，由于面板表面的粗糙度不同，虽然光面板上纤维素醚改性砂浆的拉伸粘结强度的提高幅度均大于毛面板上的，但是毛面板上的拉伸粘结强度普遍高于光面板上的。
其次，HEC改性砂浆在毛面板上具有最高的拉伸粘结强度，而在光面板上的强度则没有优势甚至不如其他纤维素醚改性砂浆。
分析拉伸粘结强度测试时的破坏模式有助于理解测试结果，帮助分析改进方向。
一般拉伸粘结的破坏模式有两种：一种是发生在砂浆和混凝土板界面的界面破坏，此时混凝土板上会残留少量砂浆；另一种是发生在砂浆内部的内聚破坏，代表着砂浆与混凝土之间的界面作用力大于砂浆内部的力。
在毛面板上，未改性砂浆和低掺量的改性砂浆大多发生的是界面破坏，而高掺量的改性砂浆则大多发生内聚破坏。
说明在高掺量时，砂浆的内部强度低于界面强度，其显示的拉伸粘结强度相较于低掺量的也更低。
在光面板上则不同，高掺量的试样也大多是界面破坏。
由于表面的粗糙度不同，光面板上的拉伸粘结强度普遍低于毛面板上的，因此高掺量时，光面板上的破坏模式普遍是界面破坏，而在毛面板上更多显示为内聚破坏。
纤维素醚具有引气作用，其对砂浆性能的影响大多与其对砂浆孔隙的影响有关。
本文纤维素醚结构对拉伸粘结强度的影响也可能与其对砂浆孔隙的影响密切相关，因此接下来研究了纤维素醚结构对砂浆的孔径分布和孔隙率的影响。
图3（a）与（b）分别是0.3%掺量及0.6%掺量的纤维素醚改性砂浆的孔径分布曲线。
由图3（a）可知，未改性砂浆的孔径分布曲线只在5nm~0.1μm范围内存在一个峰，0.3%纤维素醚的掺入使该峰的峰值略有增大。
此外，更重要的是，纤维素醚的掺入引入了两个新峰，分别位于0.1~5μm和5~100μm范围内。
可见，纤维素醚的掺入在砂浆中引入了气泡，显著增加了微米级孔隙。纤维素醚种类不同，影响存在差异。
比较可知，PH改性砂浆在0.1~5μm范围内峰的峰值最低，但在5~100μm范围内峰的峰值远大于其他的纤维素醚改性砂浆，表明PH倾向于引入更大的孔隙。
而其余纤维素醚改性砂浆的最大峰值大多出现在5nm~0.1μm范围内，并且孔径分布曲线上三个峰的峰高相差不大。
由图3（b）可知，掺入0.6%纤维素醚时，各种砂浆在5nm~0.1μm范围内的峰无显著差异，但在引入的位于0.1~5μm和5~100μm范围内的两个新峰存在较大差异。
0.1~5μm的峰中，EL的峰最高，并且EL>EH，PL>PH，H最低；5~100μm的峰中，PH的峰最高，其次是EH，然后是PL、H、EL。
可见，掺入HPMC的改性砂浆大孔体积大于掺入HEMC的；低取代度纤维素醚改性砂浆在0.1~5μm孔径范围内的孔体积较大，而在5~100μm孔径范围内的孔体积较小，说明低取代度纤维素醚引入的小孔多、大孔少；高取代度纤维素醚则引入的小孔少、大孔多；纤维素醚掺量越高，5~100μm内峰值越大，大孔体积也增大。
图4是未改性砂浆与改性砂浆的孔隙率。
由图可知，掺加纤维素醚后，由于纤维素醚具有引气作用，砂浆的孔隙率大幅增加。
不同种类不同掺量的纤维素醚对砂浆孔隙率的影响存在差异。
纤维素醚掺量为0.3%时，HEC改性砂浆孔隙率相对高取代度的HEMC和HPMC改性砂浆要小，较低取代度HEMC和HPMC改性砂浆略大。
纤维素醚掺量为0.6%时，HEC改性砂浆的孔隙率明显低于高取代度HEMC和HPMC改性砂浆，与低取代度HPMC和HEMC改性砂浆持平。
取代度相似情况下，HPMC改性砂浆的孔隙率大于HEMC改性砂浆，尤其是高取代度时。
这是由于HEC不含憎水性强的甲基基团，其溶液的表面张力高于HPMC与HEMC，HPMC较HEMC表面张力更低，具有更强的引气作用。
对于同类纤维素醚而言，高取代度的纤维素醚改性砂浆的孔隙率更大。这是由于取代度越高，羟基基团数量越多，降低了体系溶液的表面张力，具有更强的引气作用。
纤维素醚掺量由0.3%增大到0.6%会使孔隙率增大，但HEC和HPMC改性砂浆增大幅度较小。
根据实验研究结果提出拉伸粘结强度影响因子模型，如图5所示。
实验发现，相较于未改性砂浆88.9%的保水率，掺入纤维素醚后，砂浆的保水率得到较好的保持，均在99.8%左右。
因此，改性砂浆的水分不易被基材吸收；此外，纤维素醚作为聚合物，能够有效改善砂浆的韧性，抵抗因收缩造成的应力。
这些是纤维素醚改性砂浆相较空白砂浆具有更高的拉伸粘结强度的根本原因。
在良好的保水率的基础上，基材的粗糙程度会对拉伸粘结强度产生极大的影响，主要表现为其对砂浆的拉伸粘结强度和破坏模式的影响。
光面板表面较为光滑，大多发生界面破坏，而在粗糙程度较大的毛面板上，易发生内聚破坏，砂浆与界面处强度大于砂浆内部的强度。
毛面板上的拉伸粘结强度远大于光面板上的，因此表面粗糙有利于提升界面粘结强度。
当基底表面粗糙程度相同时，对粘结性影响较大的是改性砂浆的性质。
纤维素醚的种类和掺量都会对砂浆的孔隙率产生较大的影响，从而影响拉伸粘结强度。
纤维素醚改性砂浆的孔隙率对于其在相同基材上的拉伸粘结强度起到决定性作用。
一般而言，孔隙率较小的试样，强度相对较高，孔隙率较大的改性砂浆强度较低。
实验掺量范围内，低取代度和低掺量的纤维素醚改性砂浆的孔隙率更低，具有较高的拉伸粘结强度。
纤维素醚能够有效改善硫铝酸盐水泥砂浆的拉伸粘结强度。纤维素醚在不同粗糙度的基材上呈现出不同的拉伸粘结强度和破坏模式。
同种基材上，纤维素醚改性砂浆的拉伸粘结强度与砂浆孔隙率呈负相关性，一般而言孔隙率越大，拉伸粘结强度越小。
纤维素醚改性砂浆的拉伸粘结强度与砂浆保水率、基材表面粗糙度和砂浆自身的孔隙率密切相关，而纤维素醚对砂浆的保水率和孔隙率有显著影响，且不同取代基和取代度的影响不同。
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