乳膠粉對水泥砂漿性能影響的研究

付廷波

(鐵正檢測科技有限公司 山東濟(jì)南 250014)

1 前言

近年來，隨著現(xiàn)代建筑施工技術(shù)進(jìn)步和國家對環(huán)境保護(hù)要求的提高，伴隨著施工現(xiàn)場管理混亂與粗放、污染環(huán)境、砂漿質(zhì)量參差不齊等諸多問題的現(xiàn)場拌制砂漿已不能適應(yīng)建筑技術(shù)的發(fā)展[1]。因此，采用質(zhì)量穩(wěn)定、保護(hù)環(huán)境、有利于文明施工的預(yù)拌砂漿是現(xiàn)代砂漿產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢。尤其是近年來伴隨著國家禁止現(xiàn)場拌制砂漿，工業(yè)化預(yù)拌砂漿得到了長足發(fā)展[2-3]。預(yù)拌砂漿主要是由膠凝材料、細(xì)骨料以及滿足各種性能要求的外加劑組成[4-5]。其中可再分散乳膠粉由于具有遇水可再分散以及成膜特性而廣泛應(yīng)用于砂漿中，成為拌制預(yù)拌砂漿不可或缺的一種重要組分[6-7]。本文就可再分散乳膠粉對砂漿的和易性與力學(xué)性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為在工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

(1)水泥：中聯(lián)普通硅酸鹽水泥42.5，其性能符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)，相關(guān)指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥基本性能

(2)粉煤灰：F類粉煤灰Ⅱ級，細(xì)度13.8%，需水量比為98%。砂：河沙，細(xì)度模數(shù)2.7，含泥量1.0%，泥塊含量0.3%。

(3)乳膠粉：市售醋酸乙烯酯與乙烯共聚膠粉(VaE)乳膠粉。

(4)纖維素：采用羥丙基甲基纖維素醚，黏度為75 000 mPa·s。

(5)減水劑：市售固體聚羧酸減水劑，其性能符合《混凝土外加劑》(GB 8076-2008)和《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》(GB 8077-2012)要求。

2.2 試驗方法

砂漿的性能試驗按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70-2009)進(jìn)行。

2.3 試驗配比

本文結(jié)合實際需求與《砌筑砂漿配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ/T 98-2010)的要求，設(shè)計一種抹灰砂漿配合比，其中水灰比為0.5，減水劑摻量為0.1%，其余各種材料用量如表2所示。

表2 抹灰砂漿配合比

3 試驗結(jié)果與討論

可再分散膠乳粉作為一種高分子聚合物粉末，由于其良好的再分散性，因此成為干混砂漿、修補(bǔ)砂漿等一系列特種砂漿的重要添加劑。為探究乳膠粉對砂漿性能的影響，分析乳膠粉的最佳摻量，本試驗選取了兩種不同的乳液，設(shè)置不同的摻量(0、2%、4%、6%、8%、10%)進(jìn)行試驗，其試驗結(jié)果如下：

3.1 乳膠粉對新拌水泥砂漿和易性的影響

可再分散乳膠粉在砂漿中的應(yīng)用主要是利用其遇水可再分散以及成膜特性。因此，砂漿中乳膠粉的種類與摻量對砂漿的和易性有很大的影響。通過試驗發(fā)現(xiàn)，乳膠粉的加入會使得砂漿的稠度變大，并且在一定摻量下隨著乳膠粉摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，其主要原因是：膠粉的分散性及在合成過程中表面活性劑的引入使得其宏觀上表現(xiàn)為砂漿稠度變大，但本身作為一種高聚物，其黏稠性與濃度成正比，摻量過大砂漿稠度變小黏度變大。

此外，在試驗過程中還發(fā)現(xiàn)乳膠粉的最低成膜溫度(MFT)是影響砂漿和易性的重要因素[8]。最低成膜溫度不宜過高，若高于水泥水化溫度將不能形成連續(xù)的膜，起不到橋架作用；最低成膜溫度不宜過低，如果太低會在砂漿攪拌過程中迅速成膜，造成稠度的迅速損失，失去可操作時間。因此選擇合適的乳液至關(guān)重要。

3.2 乳膠粉對砂漿抗壓/抗折強(qiáng)度的影響

為探究乳膠粉摻量對砂漿抗壓抗折強(qiáng)度的影響，本試驗選擇效果較好的VAE乳膠粉進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 乳膠粉對抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 乳膠粉對抗折強(qiáng)度的影響

圖1、圖2分別為在VAE乳膠粉不同摻量下對砂漿28 d抗壓、抗折強(qiáng)度的影響趨勢。從圖可以看出空白砂漿試驗組28 d的抗壓強(qiáng)度為24.7 MPa，抗折強(qiáng)度為5.8 MPa，通過添加不同摻量的乳膠粉，砂漿強(qiáng)度表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。從抗壓強(qiáng)度來看，在摻量為4%時抗壓強(qiáng)度達(dá)到26.2 MPa，當(dāng)摻量繼續(xù)增加會導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。從抗折強(qiáng)度來看，在乳膠粉摻量為8%時，抗折強(qiáng)度達(dá)到7.0 MPa，強(qiáng)度增加20.7%，乳膠粉的加入對抗折強(qiáng)度有顯著影響。乳膠粉對強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)為兩個方面：一是高分子聚合物成膜性能在水泥礦物之間形成橋架作用，有助于強(qiáng)度的提高；二是乳膠粉自身的柔性并具有一定的引氣作用，當(dāng)摻量過高時會對強(qiáng)度有損害作用，試驗表明當(dāng)乳膠粉摻量為10%時，容重減少約7%。

3.3 乳膠粉對砂漿粘結(jié)強(qiáng)度的影響

對砂漿粘結(jié)性能的測試按照《建筑砂漿基本性能試驗方法》(JGJ 70-2009)進(jìn)行，粘結(jié)材料選用水泥砂漿材料。圖3為乳膠粉摻量對粘結(jié)性能的影響。

從圖3可以看出，通過添加乳膠粉能夠顯著提高砂漿的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度，并且在一定摻量下隨著乳膠粉摻量的增加，粘結(jié)強(qiáng)度逐漸提高，當(dāng)摻量為10%時粘結(jié)強(qiáng)度較空白試驗組粘結(jié)強(qiáng)度增加了130%。此外試驗還發(fā)現(xiàn)，在新舊砂漿界面涂抹水泥漿或者使用界面劑將會有效地提高粘結(jié)強(qiáng)度[9]。這將有效避免水泥砂漿內(nèi)部出現(xiàn)空鼓、脫落等病害。

圖3 乳膠粉對砂漿粘結(jié)強(qiáng)度的影響

3.4 乳膠粉對砂漿粘結(jié)抗彎折強(qiáng)度的影響

為進(jìn)一步更深入地探究乳膠粉對砂漿粘結(jié)強(qiáng)度的影響，設(shè)計了砂漿粘結(jié)抗彎折強(qiáng)度實驗。具體操作過程為：將標(biāo)養(yǎng)后的40×40×160 mm基準(zhǔn)砂漿試塊鋸成一半，與新拌砂漿一起成型，標(biāo)養(yǎng)后進(jìn)行抗彎折實驗(見圖4)[10]。

圖4 砂漿粘結(jié)抗彎折實驗示意

從圖5可以看出，砂漿粘結(jié)抗彎折強(qiáng)度因為摻加可再分散乳膠粉而提高，其表面粘結(jié)能力也因此提高。粘結(jié)抗彎折強(qiáng)度提高的原因與乳膠粉影響砂漿抗折強(qiáng)度的機(jī)理相同，主要是乳膠粉伴隨著水泥的水化逐漸成膜形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到橋架作用。同時，水泥漿與聚合物滲透進(jìn)粘結(jié)表面的缺陷與孔隙，使新舊粘結(jié)面更加密實。因此，通過摻加適量的乳膠粉可以改善新舊混凝土的粘結(jié)能力。

圖5 乳膠粉摻量對砂漿粘結(jié)抗彎折強(qiáng)度的影響

4 機(jī)理分析

在水泥砂漿中加入適當(dāng)摻量的可再分散乳膠粉可以有效地改善新拌水泥砂漿的和易性，提高砂漿的抗壓抗折強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度等力學(xué)性能。

通過研究發(fā)現(xiàn)，可再分散乳膠粉在水中能夠迅速恢復(fù)形成乳液，乳液顆粒隨砂漿攪拌過程均勻分散(見圖6a)，伴隨著水泥的水化過程(見圖6b)以及水化產(chǎn)物的不斷增多，聚合物顆粒不斷沉積形成聚合物膜并不斷延伸(見圖6c)，其中一部分乳液顆粒貫穿于骨料與水泥水化體系-聚合物成膜，形成三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到橋架作用(見圖6d)，使水泥水化產(chǎn)物與骨料之間相互粘結(jié)；同時少部分乳液顆粒填充于水泥顆?？障吨g，提高密實度。兩種作用共同使得水泥砂漿的力學(xué)性能得到改善[11]。

圖6 乳膠粉作用機(jī)理示意

5 結(jié)論

(1)在新拌水泥砂漿中加入適當(dāng)摻量的可再分散乳膠粉能夠有效地改善砂漿的和易性。但在乳膠粉的選擇上應(yīng)注意乳膠粉的最低成膜溫度與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

(2)在0～10%的摻量下，可再分散乳膠粉會使得砂漿28 d抗壓抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，當(dāng)摻量分別在4%與8%時，抗壓抗折強(qiáng)度達(dá)到最大。

(3)通過測試砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度與粘結(jié)抗彎折強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)隨乳膠粉摻量的增加強(qiáng)度逐漸增加。

(4)綜上所述，乳膠粉的最佳摻量為2%～4%。

(5)可再分散乳膠粉在砂漿中的作用機(jī)理主要是均勻分散后成膜，在水泥水化物與骨料之間形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到橋架作用。