輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿抗壓強(qiáng)度與抗凍性

沈忱, 任成鋒, 王金光, 單俊偉, 景宏君*

(1.西安建工第七建設(shè)集團(tuán)有限公司, 西安 710116; 2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院, 西安 710054)

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展,對于普通外墻抹面砂漿的性能要求越來越高。因此,出現(xiàn)了一些具備抗裂、防水和黏結(jié)性強(qiáng)等特點(diǎn)的高性能水泥砂漿[1-5]。外墻抹面砂漿作為建筑物外表層常年受到凍害侵?jǐn)_[6],嚴(yán)重威脅行人的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。為了減少由此帶來的損失[7-8],研究高性能水泥砂漿在凍融作用下的劣化機(jī)理顯得十分重要。

當(dāng)前大部分學(xué)者的研究重點(diǎn)為聚合物乳液改性下的高性能水泥砂漿,而聚合物干粉改性水泥砂漿的報(bào)道相對較少。聚合物干粉是通過特殊工藝將聚合物乳液噴霧干燥而形成粉狀顆粒,具有“殼-核”結(jié)構(gòu)[9-11]。許多學(xué)者已對聚合物水泥砂漿的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,例如,楊林等[12]、侯云芬等[13]和Fan等[14]發(fā)現(xiàn)聚合物可以改善砂漿的工作性能;陳勇等[15]采用聚合物水泥砂漿對樓板進(jìn)行加固,極大地提高了樓板承載力;Liao等[16]和Jo[17]發(fā)現(xiàn)聚合物的加入可以提高砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度;王培銘等[18]和侯云芬等[13]則研究了聚合物干粉水泥砂漿的力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)聚合物干粉可以提高砂漿的抗折強(qiáng)度和拉伸黏結(jié)強(qiáng)度,但降低了砂漿的抗壓強(qiáng)度,對抗壓強(qiáng)度降低原因并未給出明確的解釋。此外,Sarde等[19]研究了聚合物水泥砂漿的耐酸性;高乙博等[20]探討了其抗氯離子滲透性能和抵抗塑性自由收縮性能;張春雨等[21]研究了其抗?jié)B性能;Li等[22]研究了其抗碳化性能。這些研究結(jié)果表明,聚合物的加入改善了上述的耐久性指標(biāo),但對于聚合物干粉抹面砂漿的抗凍性研究相對較少,并且缺乏相關(guān)的劣化機(jī)理和規(guī)律。因此,有必要對聚合物干粉抹面砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗凍性進(jìn)行更系統(tǒng)的研究。

據(jù)報(bào)道,聚合物干粉可以在集料與水泥顆粒表面形成膜結(jié)構(gòu)[23],從而填充和阻擋砂漿內(nèi)部的孔隙,有效減輕外墻抹面砂漿的凍害破壞。然而,目前相關(guān)研究有限,缺乏系統(tǒng)的結(jié)論。因此,現(xiàn)將水灰比、重鈣摻量和聚合物干粉摻量作為變量,設(shè)計(jì)了輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿,并通過抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與凍融循環(huán)試驗(yàn),分析砂漿抗壓強(qiáng)度與抗凍性能的下降規(guī)律及劣化機(jī)理,將為聚合物干粉抹面砂漿配比設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供有價(jià)值的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

本次試驗(yàn)主要采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、重鈣、細(xì)度模數(shù)1.25以下的特細(xì)砂、可再分散乳膠粉(vinyl acetate copolymer-ethylene,VAE)聚合物干粉、羥丙基甲基纖維素(hydroxypropyl methyl cellulose,HPMC)、淀粉醚及減水效率20%的聚羧酸高效減水劑。可再分散乳膠粉基本性能如表1所示,羥丙基甲基纖維素基本性能參數(shù)如表2所示。

表1 可再分散乳膠粉基本性能Table 1 Basic properties of redispersible polymer powder

表2 羥丙基甲基纖維素基本性能Table 2 Basic properties of hydroxypropyl methylcellulose

1.2 配合比

根據(jù)前期大量試驗(yàn),將砂漿灰砂比(質(zhì)量比)固定為1∶2,空心漂珠摻量為砂的10%,HPCM與淀粉醚的摻量分別為0.4%與0.1%;水灰比采取0.35、0.45、0.55和0.65共4個(gè)水平,VAE的摻量為膠凝材料質(zhì)量的0、3%、6%、9%,重鈣的摻量為膠凝材料的0、3%、6%、9%,具體配合比如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)配合比Table 3 Orthogonal test mix ratio

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿抗壓強(qiáng)度按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T70—2009)規(guī)定進(jìn)行。首先根據(jù)表3配合比制備砂漿,然后倒入試模并在振動(dòng)臺(tái)上振搗5～10 s。制樣完畢后在室溫[(20±5) ℃]條件下養(yǎng)護(hù)12～24 h,對其脫模放入養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)[溫度:(20±5)℃,相對濕度:90%以上]。養(yǎng)護(hù)至7 d、28 d時(shí),采用SYE-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)(圖1)測定抗壓強(qiáng)度。加載速度為0.25～0.5 kN/s,當(dāng)加載數(shù)值為零或負(fù)值時(shí)表示試件已破壞,停止加載。本試驗(yàn)一共16組,每組3個(gè)試樣,試樣尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。

圖1 壓力試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Pressure testing machine

1.3.2 抗凍性能試驗(yàn)

輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿抗凍性能參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50082—2009)中“快凍法”進(jìn)行。將試件養(yǎng)護(hù)至3 d和24 d時(shí)放入水中,將試樣浸泡4 d,然后擦干試樣,稱取質(zhì)量,放入快速凍融機(jī)中,設(shè)定每次凍融循環(huán)為4 h,每5次凍融循環(huán)觀察一次表觀情況與測定質(zhì)量。當(dāng)質(zhì)量損失率達(dá)5%時(shí),即認(rèn)為試件已被破壞, 試樣尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。

砂漿試塊經(jīng)30次凍融循環(huán)后,按照上述試驗(yàn)步驟依次進(jìn)行,采集輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿經(jīng)凍融之后的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù),計(jì)算7 d、28 d質(zhì)量損失率與強(qiáng)度損失率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)表3配合比進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn),測得試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。其中強(qiáng)度損失率為輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿經(jīng)30次凍融循環(huán)后所得,圖2為聚合物干粉抹面砂漿凍融前后外觀變化。

圖2 凍融前后外觀變化Fig.2 Appearance changes before and after freeze-thaw

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Orthogonal test results

2.1 力學(xué)性能極差分析

對表4輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行極差分析,其分析結(jié)果如表5和表6所示。

表5 砂漿7 d抗壓強(qiáng)度正交試驗(yàn)極差分析Table 5 Range analysis of 7 d compressive strength orthogonal test of mortar

表6 砂漿28 d抗壓強(qiáng)度正交試驗(yàn)極差分析Table 6 Grade analysis of 28 d compressive strength orthogonal test of mortar

由表5可知,輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿7 d抗壓強(qiáng)度影響因素由強(qiáng)至弱依次為:水灰比、VAE摻量、重鈣摻量。為了更直地觀表征不同因素水平對7 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的變化規(guī)律,繪制了不同因素水平下7 d抗壓強(qiáng)度變化的趨勢圖(圖3)。

圖3 不同因素水平下砂漿7 d抗壓強(qiáng)度趨勢Fig.3 Trend of 7 d compressive strength of mortar at different factor levels

圖3為輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿在不同因素水平下7 d抗壓強(qiáng)度變化的趨勢圖。由圖3可知,當(dāng)水灰比為0.35時(shí),砂漿7 d抗壓強(qiáng)度均值為16.6 MPa,與之相比,水灰比為0.45、0.55、0.65時(shí)7 d抗壓強(qiáng)度均值分別降低了25.90%、38.55%、54.82%;輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿7 d抗壓強(qiáng)隨著VAE摻入呈下降趨勢,VAE摻量為3%、6%、9%相較未摻分別降低3.12%、13.28%、20.31%,摻量3%時(shí)對7 d抗壓強(qiáng)度影響極小,超過3%將引起7 d抗壓強(qiáng)度大幅下降;重鈣摻量在3%時(shí),與未摻相比,7 d抗壓強(qiáng)度僅下降0.78%,變化幅度最小,對砂漿7 d抗壓強(qiáng)度無顯著影響。

由表6可知,輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿28 d抗壓強(qiáng)度的影響因素順序是:A>B>C,與砂漿7 d抗壓強(qiáng)度變化趨勢相似,不同因素水平下28 d抗壓強(qiáng)度的變化趨勢如圖4所示。

圖4 不同因素水平下砂漿28 d抗壓強(qiáng)度趨勢Fig.4 Trend of 28 d compressive strength of mortar at different factor levels

由圖4可知,水灰比為0.35時(shí),砂漿28 d抗壓強(qiáng)度均值為18.3 MPa,與其相比,水灰比為0.45、0.55、0.65時(shí),28 d抗壓強(qiáng)度均值分別降低了20.22%、36.61%、53.01%;輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿28 d抗壓強(qiáng)度隨VAE摻量的增加而下降,VAE摻量為3%、6%、9%相較未摻分別降低7.28%、15.2%、24.5%,此時(shí)摻量在3%內(nèi)對28 d抗壓強(qiáng)度相對影響較小,摻量超過3%,28 d抗壓強(qiáng)度下降速率增快;重鈣摻量為3%、6%、9%相較未摻組分別降低5.59%、10.49%、11.19%。

綜上所述,隨著水灰比增大,輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿的抗壓強(qiáng)度下降。這是因?yàn)樗嘤昧繙p少,水化反應(yīng)過程產(chǎn)生的膠凝體也隨之減少,集料間的毛細(xì)孔未被填實(shí),造成抗壓強(qiáng)度降低。VAE摻量與重鈣摻量使砂漿抗壓強(qiáng)度降低的機(jī)理也是如此。對比輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿7 d與28 d抗壓強(qiáng)度變化趨勢,發(fā)現(xiàn)隨著齡期的增加,水灰比引起抗壓強(qiáng)度下降的幅度減小,VAE摻量與重鈣摻量引起抗壓強(qiáng)度下降的幅度增大。若VAE摻量與重鈣摻量均控制在3%以內(nèi),雖然抗壓強(qiáng)度有小幅下降,但不影響結(jié)構(gòu)正常使用,可保證工程的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

2.2 力學(xué)性能方差分析

極差分析方法雖簡便且工作量小,但缺點(diǎn)也非常明顯,其對因素效應(yīng)與誤差大小顯著性無法做出較精準(zhǔn)的判斷,因此還需借助方差分析進(jìn)行F檢驗(yàn)。

對表4中輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿30次凍融循環(huán)后7 d、28 d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表7所示。

表7 砂漿7 d、28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方差分析Table 7 Analysis of variance of mortar 7 d and 28 d compressive strength tests

由表7可知,水灰比的F值遠(yuǎn)大于VAE摻量與重鈣摻量的F值,證明水灰比對砂漿抗壓強(qiáng)度影響顯著。VAE摻量與重鈣摻量對抗壓強(qiáng)度無顯著影響。不同因素顯著性影響由強(qiáng)至弱依次為:水灰比、VAE摻量、重鈣摻量,與極差分析結(jié)果相同。同時(shí)驗(yàn)證了將水灰比控制在合理范圍內(nèi),VAE與重鈣摻入雖引起抗壓強(qiáng)度的小幅降低,但無顯著影響。

2.3 抗凍性能極差分析

抗凍性是反映砂漿耐久性的重要指標(biāo)之一,雖然質(zhì)量損失率也可作為抗凍性的評價(jià)指標(biāo),但凍融循環(huán)后的強(qiáng)度損失率可更直觀有效地表現(xiàn)砂漿工作優(yōu)劣性。因此,本次試驗(yàn)通過分析30次凍融后抗壓強(qiáng)度損失率,來表征輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿的抗凍性能。對表4中輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿7 d、28 d強(qiáng)度損失率進(jìn)行極差分析,其結(jié)果如表8與表9所示。

表8 砂漿7 d抗壓強(qiáng)度損失率極差分析Table 8 Extreme analysis of 7 d compressive strength loss rate of mortar

表9 砂漿28 d抗壓強(qiáng)度損失率極差分析Table 9 Analysis of the extreme difference of the loss rate of compressive strength of mortar in 28 d

由表8可知,輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿30次凍融循環(huán)后7 d抗壓強(qiáng)度損失率影響因素由強(qiáng)至弱依次為:VAE摻量、水灰比、重鈣摻量。分析不同因素水平與輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿7 d強(qiáng)度損失率之間的變化趨勢,如圖5所示。

圖5 不同因素水平下砂漿7 d抗壓強(qiáng)度損失率趨勢Fig.5 Trend of 7 d compressive strength loss rate of mortar at different factor levels

圖5為輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿7 d強(qiáng)度損失率隨不同因素水平的變化趨勢圖,由圖5可知,因素C相較其他因素(A、B)強(qiáng)度損失率波動(dòng)較小。隨著水灰比增大,抗壓強(qiáng)度損失率呈現(xiàn)遞增趨勢,與水灰比為0.35時(shí)相比,水灰比為0.45、0.55、0.65時(shí),分別增加了21.31%、49.18%、49.18%;輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿30次凍融循環(huán)后7 d強(qiáng)度損失率隨VAE摻量增加先減少后增大,VAE摻量為3%時(shí),7 d強(qiáng)度損失率降低16.67%,當(dāng)VAE摻量為6%、9%時(shí),相較未摻組,其7 d強(qiáng)度損失率分別增加23.19%、增加34.06%,其中VAE摻量為3%時(shí)損失率最小(11.5%),VAE摻量為9%時(shí)強(qiáng)度損失率最大(18.5%);砂漿30次凍融循環(huán)后7 d強(qiáng)度損失率隨重鈣摻量增加大致呈上升趨勢,重鈣摻量為3%時(shí),7 d強(qiáng)度損失率均值為15.5%,相較未摻時(shí)僅上升0.65%。

由表9可知,輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿30次融循環(huán)后28 d抗壓強(qiáng)度損失率的影響因素依次為:VAE摻量、水灰比、重鈣摻量。分析不同因素水平與輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿28 d強(qiáng)度損失率之間的變化趨勢,如圖6所示。

圖6 不同因素水平下砂漿28 d抗壓強(qiáng)度損失率趨勢Fig.6 The trend of 28 d compressive strength of mortar at different levels of factors

由圖6可知,水灰比為0.35時(shí),輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿28 d強(qiáng)度損失率均值為8.1%,與之相比,水灰比為0.45、0.55、0.65時(shí)分別增加了30.86%、32.10%、55.56%;VAE摻量為3%、6%、9%相較未摻組分別降低24.14%,增加34.48%、增加73.56%,其中VAE摻量為3%時(shí)損失率最小(6.6%);重鈣摻量為3%、6%、9%相較未摻組分別增加3.03%、10.10%、15.38%。

隨著水灰比增大,輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿抗凍性能降低。這是因?yàn)樗嘤昧康臏p少,水化過程中產(chǎn)生膠凝材料不足完全包裹細(xì)集料,導(dǎo)致試樣內(nèi)部存在較多有害孔,為凍害發(fā)生創(chuàng)造了有利條件,砂漿抗凍性隨著重鈣摻量的增加而下降的原因與此相同。VAE的摻入,使細(xì)集料表面產(chǎn)生一層均勻且質(zhì)密的聚合物包裹膜,水泥漿體與聚合物包裹膜相互交織形成空間膜,有效填充了砂漿中的有害孔與缺陷,提高了砂漿抗凍性能,當(dāng)VAE摻量在3%內(nèi)時(shí),抗凍性能優(yōu)異,大于3%時(shí),由于膠凝材料的減少,反而對抗凍不利。

2.4 抗凍性能方差分析

對表4中輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿凍融循環(huán)30次7 d、28 d強(qiáng)度損失率進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表10所示。

表10 砂漿7 d、28 d強(qiáng)度損失率方差分析Table 10 Analysis of variance of mortar 7 d and 28 d strength loss rate

由表10可知,VAE摻量的F=302.40,遠(yuǎn)大于F0.01=99,證明VAE摻量對輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿凍融循環(huán)30次后7 d、28 d強(qiáng)度損失率有顯著影響。水灰比的F=74.28

2.5 綜合性能分析

通過正交試驗(yàn)極差和方差分析可得,影響輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿7 d、28 d抗壓強(qiáng)度的因素關(guān)系為:水灰比>VAE摻量>重鈣摻量;影響輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿7 d、28 d抗凍性能的因素關(guān)系為:VAE摻量>水灰比>重鈣摻量。以期得出綜合性能優(yōu)良的因素組合,本次試驗(yàn)以28 d抗壓強(qiáng)度和30次凍融循環(huán)后28 d強(qiáng)度損失率為指標(biāo),代入式(1)、式(2)和式(3)計(jì)算綜合性能[24]。

Q1={α1x1,α2x2,α3x3,…}

(1)

Q2={β1x1,β2x2,β3x3,…}

(2)

(3)

式中:PT為綜合性能指標(biāo);Q1為輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿抗壓性能,用抗壓強(qiáng)度表征;Q2為輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿抗凍性能,用強(qiáng)度損失率表征;μ為Q1的重要程度,取0～1;α、β分別為各因素對響應(yīng)量的影響程度。

計(jì)算不同水平水灰比、VAE摻量、重鈣摻量輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿28 d抗壓強(qiáng)度與28 d強(qiáng)度損失率,取其平均值分別為PT1=1.35、PT2=1.43、PT3=1.26。結(jié)合實(shí)際需求,用于外墻抹面砂漿的抗凍性能重要程度要遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度,所以取μ=0.3。按照上述表達(dá)式,解得:x1=0.37、x2=0.28、x3=0.39。因此綜合性能優(yōu)良的因素組合為水灰比0.37、VAE摻量2.8%、重鈣摻量3.9%。此外,可結(jié)合具體工作環(huán)境與工程要求,適當(dāng)調(diào)整二者重要性,設(shè)計(jì)不同組合。

3 結(jié)論

通過對輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿的抗壓強(qiáng)度與抗凍性能劣化機(jī)理的研究和分析,可以得到以下結(jié)論。

(1)水灰比和VAE摻量對輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度影響顯著,而重鈣摻量對抗壓強(qiáng)度影響較小。隨著齡期的增加,水灰比增大使抗壓強(qiáng)度下降幅度減小,VAE與重鈣摻量使抗壓強(qiáng)度下降幅度增大。

(2)對輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿抗凍性能影響最顯著的因素是VAE摻量,隨VAE摻量的增加,7 d、28 d強(qiáng)度損失率呈先減小后增大趨勢,將VAE摻量控制在3%以內(nèi),可以發(fā)揮出材料最優(yōu)異的抗凍性能,此外養(yǎng)護(hù)齡期對抗凍性能影響較小。

(3)重鈣的摻入雖然會(huì)引起砂漿抗壓強(qiáng)度與強(qiáng)度損失率下降,但下降幅度均很小,可以將重鈣摻量控制在3%以內(nèi),節(jié)約工程成本。

(4)綜合考慮28 d抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)度損失率,將水灰比控制在0.37附近,VAE摻量2.8%附近、重鈣摻量3.9%附近,不僅對抗壓強(qiáng)度影響較小,且有很好的抗凍性能,試驗(yàn)結(jié)果為輕質(zhì)聚合物干粉抹面砂漿的進(jìn)一步研究提供理論參考。