干粉砂浆中常用添加剂及作用

干粉砂浆又称砂浆干粉(混) 料,系指由专业生产厂家生产的、经干燥筛分处理的细骨料与胶凝材料、添加剂按一定比例混合而成的一种颗粒状或粉状混合物,是用袋装或散装的形式运到建筑工地,加水拌和后就可直接使用的砂浆类建筑材料。干粉砂浆的基本组分包括胶凝材料、骨料和各种添加剂。干粉砂浆的添加剂可分为矿物添加剂、化学添加剂和纤维。本文主要论述了中国干粉砂浆中常用添加剂的作用及机理分析。

1  矿物添加剂
1. 1  粉煤灰
粉煤灰的主要成分是硅、铝、铁、钙、镁的氧化物,具有潜在的化学活性,粉煤灰单独与水拌和不具有水凝活性,但与水泥混合后再加水拌和,粉煤灰中具有化学活性的SiO2 和Al2O3 能够与水泥水化析出的Ca (OH) 2 反应生成类似于水泥水化产生的水化硅酸钙和水化铝酸钙等凝胶体的胶凝物质,并具有一定的强度。粉煤灰中活性SiO2 与活性Al2O3 的比例称为“硅铝比”。粉煤灰常应用于砌筑砂浆及抹灰砂浆等普通干混砂浆中。在干粉砂浆中掺粉煤灰既降低了砂浆成本,又能保证砂浆在不增加水泥用量的前提下,增加胶结料,减少砂浆的流动性损失。

1. 2  硅灰
硅灰是从生产硅铁合金或硅钢等时所排放的烟气中收集到的颗粒极细的烟尘。硅灰的主要成分是二氧化硅,一般占90 %左右,绝大部分是无定形的氧化硅,还含有其他成分如:氧化铁、氧化钙、氧化硫等[1 ] 。当干粉砂浆中掺入硅灰时,普通硅酸盐水泥水化后生成的氢氧化钙约占体积的20 % ,硅灰能与该部分氢氧化钙反应生成硅酸钙,均匀分布于水及颗粒之间,形成密实的结构,提高砂浆强度。由于硅灰细度细,活性高,掺加硅灰对砂浆早期强度没有不良影响。掺有硅灰的砂浆,其毛细孔会相应变小,使得砂浆抗渗性、抗冻性及抗腐蚀性明显提高。值得注意的是,由于硅灰具有高比表面积,因而其需水量很大,将其掺入砂浆时需配以减水剂,以保证砂浆的和易性。

1. 3  矿渣粉
矿渣的主要化学成分为SiO2 ,CaO ,Al2O3 ,一般情况下,这三种氧化物的含量达约90 % ,另外还有少量氧化镁、二氧化二铁、氧化钠、氧化钾等。矿渣中的活性SiO2 、活性Al2O3 等成分与液相中的Ca (OH) 2 作用生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等,因而具有较高的活性[2 ] 。当砂浆中掺有矿渣粉时,水泥熟料首先水化生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁铝酸钙、水化硫铝酸钙等。水泥熟料的水化作用将对矿渣中熟料矿物的水化起诱导作用,大大促进水化反应的历程。随着矿渣和水泥熟料水化反应的加速进行,保证了液相中Ca (OH) 2 的浓度,促使矿渣的碱激发反应的进行。因而在砂浆中掺入适量的矿渣,可在一定程度上提高砂浆的强度。

1. 4  偏高岭土
偏高岭土是一种高活性人工火山灰材料,在水泥水化产物Ca (OH) 2 的作用下发生火山灰反应,起辅助胶凝材料的作用。适量的煅烧高岭土与水泥粉体混合,煅烧高岭土中的活性SiO2 和Al2O3 可以与Ca (OH) 2 以及石膏水化反应,生成微细针状钙矾石、水化硅酸钙和水化铝酸钙。掺入煅烧高岭土,还可提高水泥浆体与集料(砂或砾石) 界面附近的SiO2/ CaO 和Al2O3/ CaO 含量的比值,降低氢氧化钙结晶体在界面附近聚集长大的可能性,对改善界面结构有利。煅烧高岭土中的微细颗粒,还可为氢氧化钙的结晶提供大量结晶核心,对氢氧化钙晶体的长大具有抑制作用[3 ] 。煅烧高岭土的加入,增加了反应体系的组分数和自由度,对提高水化反应和凝结速率、改善微结构有利。同时,高岭土具有较高的吸附性能,并且能够增加悬浮力,从而具备了一定的保水增稠性能。在砂浆中适量的加入品质较好的偏高岭土,不仅有利于砂浆的工作性能,而且能够在一定程度上提高砂浆的强度。

2  化学添加剂
2. 1  可再分散乳胶粉
可再分散乳胶粉亦作为有机胶凝材料应用于干粉砂浆中,它是醋酸乙烯—乙酯的聚合体,经喷雾干燥,从起初的2 μm 聚集在一起形成了80μm~1 002μm 的球形颗粒。这些颗粒表面被一种无机的抗硬结构的粉末包裹,从而得到干的聚合物粉末[4 ] 。当粉末与水、水泥或石膏为底材的砂浆混合时便可再分散,其中的基本粒子(2μm) 会重新形成与原来乳胶相当的状态,其化学性能与初始溶液完全相同。当把干粉砂浆加入水中搅拌时,在亲水性的保护胶体以及机械剪切力的作用下,胶粉颗粒分散到水中。在施工过程中,随着水分的减少,树脂颗粒逐渐靠近,界面逐渐模糊,树脂逐渐相互融合,最终在砂浆的气孔以及固体的表面形成连续的聚合物薄膜。从而提高了砂浆的抗裂能力。同时,可再分散乳胶粉的加入导致砂浆含气量的提高对砂浆的施工起到了润滑的作用,以及胶粉尤其是保护胶体分散时对水的亲和以及随后的粘稠度对施工砂浆内聚力的提高,从而提高了和易性。有研究表明[5 ] ,由于可再分散乳胶粉的引气作用,其对水泥砂浆的抗压强度是不利的。

2. 2  纤维素醚
在干粉砂浆中纤维素醚的添加量很低,但能显著改善砂浆的性能。保水性是甲基纤维素醚的一个重要性能。纤维素醚的保水效果与其掺量、粘度、细度和使用的温度密切相关。随着掺量的增加,保水效果越明显。但当掺量过大( > 0. 2 %) 时,砂浆粘度急剧增加,施工时表现为粘刮刀现象,不利于施工。而且,随着掺量的增加,在砂浆中引入大量气泡,并因粘度过大而无法清除,从而大大影响砂浆的强度。此外纤维素醚还会降低体积密度,会显著延缓水泥水化放热速率和推迟水化放热峰值的出现,使得48 h 内水化放热明显降低,延长了砂浆的凝结时间,增大了砂浆的干缩值[5 ] 。

3  纤维
在干粉砂浆中加入纤维主要起到下面几个方面的作用:
1) 阻止和砂浆基本原有缺陷裂缝的扩长,并有效阻止和延缓新裂缝的出现;2) 提高砂浆机体的密实性,阻止外界水分侵入,提高耐水性和抗渗性;3) 改善砂浆基体的抗冻、抗疲劳性能,提高耐久性;4) 改善砂浆基体的刚性,增加韧性,减少脆性,提高砂浆机体的变形力和抗冲击性;5) 改善水泥砂浆的表面形态,使其更加致密、细腻、平整、美观。
掺入纤维的砂浆,当水泥浆体开裂后,纤维继续发展强度作用,使砂浆应变容量增大,在要求高抗拉强度和减少开裂的地方尤其显示出巨大的优越性。当短切纤维加入到水泥拌合物中,砂浆固化时,那些大量的、各向分散而又具有高韧性的与水泥牢固结合的微纤维,削弱和抑制了水泥早期变形和干缩应力,让其在固化过程中不易形成应力集中,从而减少明显的裂缝。

4  结语
如何配制经济、耐久、高强的干粉砂浆一直是业内人士研究的课题。而添加剂的选择和用量对提高干粉砂浆性能有重要影响。矿物添加剂的选用不仅能改善干粉砂浆各方面的性能,而且对环境是一个大的贡献。可再分散乳胶粉和纤维素醚已经成为干粉砂浆所必不可少的添加剂,在提高砂浆韧性、施工性能方面影响巨大。而在干粉砂浆中加入纤维是治理砂浆基体开裂的重要措施。同时减水剂、缓凝剂、引气剂、速凝剂、早强剂等外加剂的使用对干粉砂浆性能有重要影响。了解各类添加剂对砂浆性能的影响及作用机理,无论对配制所需要的干粉砂浆还是治理硬化砂浆出现的各种问题都是有帮助的。

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