一種新型預(yù)拌抹灰砂漿增塑劑的研制

黃暑年， 詹炳根

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009)

一種新型預(yù)拌抹灰砂漿增塑劑的研制

黃暑年1,2， 詹炳根1,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009)

文章通過正交試驗(yàn),研究了木質(zhì)素磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、增強(qiáng)劑JF1、穩(wěn)定劑HM2對(duì)預(yù)拌抹灰砂漿性能的影響,使用JMP軟件預(yù)測,得到了一種砂漿增塑劑的最優(yōu)配比,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證;對(duì)比研究了摻與不摻增塑劑砂漿的性能。 結(jié)果表明,研制出的增塑劑不僅能夠明顯改善新拌砂漿的和易性, 而且能夠提高硬化砂漿的強(qiáng)度性能,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

預(yù)拌砂漿;抹灰砂漿增塑劑;正交試驗(yàn);JMP軟件

傳統(tǒng)抹灰砂漿具有工作性能差、強(qiáng)度低、黏結(jié)性差、易開裂等缺陷。砂漿保水增塑劑是一種新型的水泥砂漿拌和物外加劑,不僅能顯著改善砂漿的和易性,而且能明顯提高砂漿的其他性能。在預(yù)拌抹灰砂漿中,增塑劑是最核心的添加劑,對(duì)這類添加劑的研發(fā)力度正在不斷增加。

砂漿保水增塑劑一般包括保水組分、引氣組分、減水組分等[1],常以纖維素醚、十二烷基苯磺酸鈉(LAS)、木質(zhì)素磺酸鈉(木鈉)為基本組分進(jìn)行配制[2-3]。其中LAS和木鈉起到增加稠度、減少容重的作用,但會(huì)增加收縮[4-5],三者復(fù)配往往難以滿足抹灰砂漿黏結(jié)強(qiáng)度和收縮率的要求。文獻(xiàn)[6]研究認(rèn)為烷基或芳基或烷基芳基磺酸鹽和含氧化烯的非離子高分子化合物混合,能修改膠凝化合物的結(jié)構(gòu),調(diào)整和穩(wěn)定水泥水化產(chǎn)物中孔隙。文獻(xiàn)[7]提出聚氧化乙烯是一種減縮劑,會(huì)使混凝土強(qiáng)度降低。聚氧化乙烯能減少砂漿收縮,但黏結(jié)強(qiáng)度難以滿足要求,且價(jià)格較貴。

本文利用增強(qiáng)劑JF1和穩(wěn)定劑HM2替代聚氧化乙烯或含氧化烯的非離子高分子化合物,與纖維素醚、LAS、木鈉配合對(duì)砂漿進(jìn)行改性,彌補(bǔ)纖維素、木鈉和LAS復(fù)配在收縮率和黏結(jié)強(qiáng)度方面的不足,同時(shí)起到輔助保水的作用,研制出一種能使抹灰砂漿收縮率顯著降低、黏結(jié)強(qiáng)度顯著提高而其他性能良好、價(jià)格便宜的預(yù)拌抹灰砂漿增塑劑。

1 試驗(yàn)原材料與方案

1.1 原材料與試驗(yàn)方案

原材料如下：P.O42.5水泥,其基本性能見表1所列;級(jí)配Ⅱ區(qū)、細(xì)度模數(shù)2.60的中砂;纖維素醚;木質(zhì)素磺酸鈉(木鈉);十二烷基苯磺酸鈉(LAS);增強(qiáng)劑JF1;穩(wěn)定劑HM2。

以提高砂漿保水性、黏結(jié)強(qiáng)度和減少收縮為主要目標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。纖維素醚是保水增塑劑的必選組分,參考相關(guān)研究[8]并考慮成本,本試驗(yàn)固定其摻量為0.045%。十二烷基苯磺酸鈉(LAS)與纖維素醚的相容性較好[9],以其做為引氣組分?？紤]到價(jià)格因素和對(duì)砂漿稠度經(jīng)時(shí)損失的影響,選木質(zhì)素磺酸鈉作為減水組分。為提高砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度并減少收縮,選用增強(qiáng)劑JF1 和穩(wěn)定劑HM2。

表1 水泥的基本性能

選取LAS(A)、木鈉(B)、增強(qiáng)劑JF1(C)、穩(wěn)定劑HM2(D)4個(gè)主要影響因素,每個(gè)因素取3個(gè)水平,采用L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn),主要考慮的響應(yīng)為容重、保水率、14 d黏結(jié)強(qiáng)度、28 d抗壓強(qiáng)度和28 d收縮率。 試驗(yàn)灰砂質(zhì)量比為1∶4,水灰質(zhì)量比為0.8,用水量為13.8%,砂漿稠度的范圍均在80～90 mm之間。

對(duì)正交設(shè)計(jì)結(jié)果,采用JMP軟件分析確定最優(yōu)化增塑劑配比并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證;通過試驗(yàn),比較摻與不摻所研究增塑劑砂漿的性能,比較摻加所研制增塑劑與市場應(yīng)用較好商品增塑劑砂漿的性能,在此基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)所研制的增塑劑。

1.2 試驗(yàn)方法

按照文獻(xiàn)[10-11],測試砂漿的稠度、保水率、濕容重、黏結(jié)強(qiáng)度、收縮率及抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果及極差分析結(jié)果見表2和表3所列。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

表3 極差分析結(jié)果

2.2 外加劑各組分對(duì)砂漿性能的影響

2.2.1 對(duì)保水率的影響

由表3可知,4種主要因素對(duì)保水率的影響從大到小依次為C>A>D>B。增強(qiáng)劑JF1對(duì)砂漿保水率的影響最顯著,主要是因?yàn)樵鰪?qiáng)劑JF1含表面水溶性保護(hù)膠體,能吸附一定的水分,形成聚合物膜,起到保水的作用;而纖維素醚中含大量親水性羥基,能夠結(jié)合大量的水分子,使砂漿體系具有良好的保水性。

添加劑對(duì)保水率的影響如圖1所示。由圖1可知,其他添加劑的影響不顯著,LAS、木鈉僅隨其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,保水率略有上升。

圖1 添加劑對(duì)保水率的影響

2.2.2 對(duì)濕容重的影響

由表3可知,4種主要因素對(duì)濕容重的影響從大到小依次為A>B>C>D,LAS對(duì)砂漿濕容重的影響最顯著。

LAS作為引氣組分加入砂漿中,能引入細(xì)小、均勻、穩(wěn)定的氣泡,導(dǎo)致砂漿的濕容重顯著降低,產(chǎn)量顯著增加。LAS引入氣泡的同時(shí),氣泡產(chǎn)生了滾珠效應(yīng),增大了砂漿的稠度,使其具有良好的施工性能。

添加劑對(duì)濕容重的影響如圖2所示。由圖2可知,木鈉對(duì)砂漿的作用與LAS相比略差,其他添加劑影響不顯著。

圖2 添加劑對(duì)濕容重的影響

2.2.3 對(duì)14 d黏結(jié)強(qiáng)度的影響

由表3可知,4種主要因素對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響從大到小依次為C>D>B(A),增強(qiáng)劑JF1對(duì)砂漿黏結(jié)強(qiáng)度的影響最顯著,主要是因?yàn)樵鰪?qiáng)劑JF1能與水泥砂漿形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在孔隙中形成連續(xù)的聚合物膜,加強(qiáng)了集料之間的黏結(jié),且黏結(jié)強(qiáng)度隨摻量的增加而增加。水化反應(yīng)開始后,隨著氫氧化鈣、鈣礬石晶體及水化硅酸鈣凝膠體的生成,聚合物顆粒沉積到凝膠體和未水化的水泥顆粒上。隨著水化反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行,水化產(chǎn)物增多,聚合物顆粒逐漸聚集在毛細(xì)孔中,并在附著體上形成緊密堆積層,但不能完全填充到毛細(xì)孔的內(nèi)表面。

由于水化或干燥使水分進(jìn)一步減少,在凝膠體和孔隙中緊密堆積的聚合物顆粒凝聚成連續(xù)的薄膜,形成與水化水泥漿體互穿基質(zhì)的混合體,并且使水化產(chǎn)物之間及骨料相互膠接,從而黏結(jié)強(qiáng)度得到顯著提高。

添加劑對(duì)14 d黏結(jié)強(qiáng)度的影響如圖3所示。由圖3可知,隨著木鈉、增強(qiáng)劑JF1和穩(wěn)定劑HM2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,黏結(jié)強(qiáng)度增加,而LAS的影響不顯著。

圖3 添加劑對(duì)14 d黏結(jié)強(qiáng)度的影響

2.2.4 對(duì)28 d收縮率的影響

由表3可知,4種主要因素對(duì)28 d收縮率的影響從大到小依次為A>C>B>D,LAS、增強(qiáng)劑JF1對(duì)砂漿收縮率的影響最顯著。添加劑對(duì)28 d收縮率的影響如圖4所示。由圖4可知,隨著LAS和木鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,收縮率逐漸增大,主要是因?yàn)橐龤鈩┫蛏皾{中引入大量均勻密閉的氣泡,氣體的彈性模量與水泥石及砂相比小得多,使得作為多相復(fù)合材料的砂漿變形能力提高,引氣劑摻量越大,試件的含氣量越高,收縮率提高就越明顯[12]。而增強(qiáng)劑JF1和穩(wěn)定劑HM2屬于聚合物,一些聚合物分子中的活性基團(tuán)能與水泥水化產(chǎn)物中的Ca2+、A13+等產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng),形成特殊的橋鍵作用,改善了水泥砂漿硬化體的物理組織結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性,從而減少了微裂紋的產(chǎn)生,降低了孔隙率和收縮率。

圖4 添加劑對(duì)28 d收縮率的影響

2.2.5 對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度的影響

由表3可知,4種主要因素對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度的影響從大到小依次為A>B>C>D。LAS、木鈉對(duì)強(qiáng)度影響最顯著,主要是由于引入了大量氣泡,提高了孔隙率,導(dǎo)致強(qiáng)度降低;但在保證稠度不變的情況下,LAS、木鈉復(fù)配能抑制強(qiáng)度的降低。

添加劑對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度的影響如圖5所示。由圖5可知,增強(qiáng)劑JF1和穩(wěn)定劑HM2對(duì)強(qiáng)度也有一定的提高,主要是因?yàn)榕c水泥水化產(chǎn)物生成大的聚合體,增強(qiáng)了內(nèi)部的致密性,降低了孔隙率[13]。

圖5 添加劑對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 配比優(yōu)化

采用JMP軟件,將保水率、濕容重、14 d黏結(jié)強(qiáng)度、28 d收縮率、28 d抗壓強(qiáng)度分別按0.2、0.1、0.1、0.3、0.3的重要性系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得到最優(yōu)配比(按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))為LAS 0.03%、木鈉 0.03%、增強(qiáng)劑JF1 0.03%、穩(wěn)定劑HM2 0.03%,相應(yīng)的保水率為92.9%,濕容重為1 892 kg/m3,14 d黏結(jié)強(qiáng)度為0.28 MPa,28 d收縮率為0.042%,28 d抗壓強(qiáng)度為16.5 MPa。

2.4 砂漿性能對(duì)比

不摻加增塑劑的基準(zhǔn)砂漿(Ⅰ)、摻加研制增塑劑砂漿(Ⅱ)和摻商品增塑劑砂漿(Ⅲ)的性能試驗(yàn)結(jié)果見表4所列。從表4可以看出,Ⅱ型砂漿的性能與JMP軟件優(yōu)化值很接近。3種砂漿性能的對(duì)比顯示,Ⅱ型和Ⅲ型砂漿強(qiáng)度都有所降低,但前者的保水率、收縮率和黏結(jié)強(qiáng)度都顯著提高。

表4 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類砂漿的性能指標(biāo)

3 結(jié) 論

(1) 本文研制出一種預(yù)拌抹灰砂漿增塑劑,配比如下:纖維素醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.045%,LAS、木鈉、增強(qiáng)劑JF1及穩(wěn)定劑HM2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.03%。

(2) 加入增強(qiáng)劑JF1和穩(wěn)定劑HM2改性的砂漿,收縮率顯著降低,黏結(jié)性能顯著提高,保水率有所改善,抗壓強(qiáng)度不顯著降低,整體性能較好。

(3) 研制出的預(yù)拌抹灰砂漿增塑劑,各種技術(shù)指標(biāo)滿足文獻(xiàn)[11]的要求,也滿足文獻(xiàn)[14]中普通抹灰砂漿的要求,且摻量少,價(jià)格便宜。

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Developmentofanewreadymixedplasteringmortarplasticizer

HUANG Shunian1,2, ZHAN Binggen1,2

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering, Hefei 230009, China)

To develop a new mortar plasticizer, a system composed of lignin sulfonic acid sodium, sodium dodecyl benzene sulfonate, strengthening agent JF1 and stabilizer HM2 was investigated. The orthogonal experiment was applied to studying the effect of the components of the system on the performance of ready mixed plastering mortar. The optimal proportion of the plasticizer was predicted with JMP software and validated with trial mix. Comparative study on the characteristics of mortar with or without plasticizer was conducted. Results show that the plasticizer can not only improve the workability of fresh mortar, but also improve the bond strength of hardened mortar. Each technical index of the plasticizer meets the relevant specifications.

ready mixed mortar; plastering mortar plasticizer; orthogonal experiment; JMP software

2016-02-25；

2016-04-25

黃暑年(1990-),男,湖北荊州人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生; 詹炳根(1964-),男,安徽廬江人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師,通訊作者,E-mail:bgzhan@hfut.edu.cn.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.10.019

TU528.042.8

A

1003-5060(2017)10-1399-05

(責(zé)任編輯 張淑艷)