用于干粉砂浆中的添加剂

1 引言
砂浆是建筑施工中不可或缺的组成部分,传统砂浆一般都在施工现场拌制,砂浆抗渗性差、收缩值大,是粉刷开裂、起壳、渗漏等建筑质量通病发生的薄弱环节。同时,现场非准确计量配制砂浆,不可避免地造成资源浪费和环境污染[1]。因此,为保证建筑工程质量得到全面控制,人们开始研制商品砂浆,这种产品以其优良的品质,便捷的施工已逐渐被人们所接受,并成为建筑行业中发展最快的一种新产品。以干粉砂浆替代现场拌制的传统砂浆,无论从节约投资、提高工程质量,还是减少环境污染和施工现场占有量等方面都具有特殊优越性,必将成为建筑业的发展方向[2]。有目的的在干粉砂浆中掺入添加剂,可以起到改善与提高砂浆工作性能的作用。本文对目前较常用于干粉砂浆的各种主流添加剂进行了论述。

2 干粉砂浆的定义及其组分
干粉砂浆又称干拌(混)砂浆、砂浆干粉(混)料等,也可简称干粉,英文名称是dry mixedmorta[3](或drymix[4]),它是指由专业生产厂家生产的、经干燥筛分处理的胶凝材料、细集料、添加剂(有时根据需要加入一定量的掺和料)等固体材料按一定比例混合而成的一种颗粒状或粉状混合物,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半成品材料[5]。干粉砂浆一般采用硅酸盐水泥作为胶凝材料,胶凝材料的用量一般占干粉砂浆的20%~40%;大多数的细集料是石英砂,且用量很大,一般需要经过干燥、筛分等预处理,以保证其粒度、质量符合配方的要求;有时还掺入粉煤灰、矿渣粉等作为掺和料;外加剂一般用量很小,在1%~3%左右,但作用巨大,常根据产品配方的要求来选用,以改善砂浆的和易性、分层度、强度、收缩和抗冻性能等指标。

3 用于干粉砂浆中的各种添加剂
3.1 可再分散乳胶粉
可再分散乳胶粉在干粉砂浆中一般是作为粘结剂掺入的,以往使用较多的是聚合物乳液,但是乳液改性的水泥砂浆一般为双组分或多组分砂浆,无法满足干粉砂浆的要求。而可再分散乳胶粉可以满足干粉砂浆的要求,现在得到了广泛的使用。可再分散乳胶粉基本上已经成为干拌砂浆的必不可少的一个组分。可再分散乳胶粉是细分散的有机聚合物,是水溶性的,是聚合物乳液经过喷雾干燥过程(以及选用适当的添加剂)形成的,它遇水可以再分散形成乳液,对无机和有机材料都具有较好的粘结性。在干拌砂浆加水搅拌时,聚合物颗粒自行分散,并不会同水泥粘聚,可再分散乳胶粉颗粒之间存在着润滑效应,使砂浆组分能够单独流动;另一方面可再分散乳胶粉加入后,有一定的引气作用,气泡在拌合过程中起着微珠的作用,因此可以改善砂浆的施工和易性。试验证明,加入可再分散聚合物乳胶粉的砂浆具有下列优点:①砂浆的强度发展好,与基体粘结性好,尤其是早期粘结强度高;②具有良好的抗裂性和抗冻性;③工作性能好,易于快速抹灰。

添加了可再分散乳胶粉的干粉砂浆的典型应用有:瓷砖和建筑粘结剂、瓷砖钩缝剂、保温板的粘结砂浆、自流平地面找平层、混凝土修补和修复砂浆、不同类型的抹灰砂浆等。在干粉粘结砂浆中通常都需要加入可再分散乳胶粉,它的加入使砂浆的粘结强度、抗剪强度、抗拉强度均有提高,可以降低砂浆的弹性模量,从而改善砂浆的韧性,最终可以避免砂浆易收缩开裂的缺点,粘结力的提高也可以使粘结层的厚度有较大下降(如瓷砖粘结用普通砂浆通常需要10mm 的粘结厚度,而使用了掺入可再分散乳胶粉的干拌砂浆后粘结层厚度可降至3mm 左右)。可再分散聚合物乳胶粉能改善砂浆的上述性能, 是因为其可以在砂浆颗粒表面形成聚合物膜,膜上部分表面有气孔,而气孔表面被砂浆填充,使应力集中降低,并在外力的作用下会产生松弛而不破坏。另外,砂浆在水泥水化后形成刚性骨架,而聚合物形成的膜可以提高刚性骨架的弹性和韧性。

用于干拌砂浆的可再分散乳胶粉主要有以下几种:
①苯乙烯- 丁二烯共聚物;②苯乙烯- 丙烯酸共聚物;③醋酸乙烯酯共聚物;④聚丙烯酸酯均聚物;⑤醋酸苯乙烯共聚物;⑥醋酸乙烯- 乙烯的共聚物[12,13]。由于可再分散乳胶粉的加入会引入一定量的气泡,因此在实际应用中可以视引入气泡量的大小同时加入微量的消泡剂。

3.2 保水增稠材料
保水增稠材料主要种类就是纤维素醚。纤维素醚是一种只需添加少量,就会使砂浆的特定性能有很大提高的一种高效外加剂,它是由不溶于水的纤维素经醚化反应使其转化为水溶性的纤维素醚而制得的,具有脱水葡萄糖的基本结构单元,根据其取代位置上的取代基团的种类和数量不同而具有不同的性质,它可作为增稠剂用于调整砂浆的稠度;其保水性可以很好调整砂浆的需水量,并能够在一定的时间内逐渐释放水分,可以很好地保证浆体与吸水基材更好地粘结。同时,纤维素醚可以调整砂浆的流变性能,增加和易性和工作性能。以下几种纤维素醚类化合物可用于干混砂浆中作为化学添加剂:①Na- 羧甲基纤维素;②乙基纤维素;③甲基纤维素;④羟基纤维素乙醚;⑤羟丙基甲基纤维素;⑥淀粉酯等。
上述各种纤维素醚的加入,使干混砂浆性能得以改善:①增加和易性;②增加粘附力;③砂浆不易泌水和分离;④提高抗渗性和抗冻性;⑤提高砂浆的抗裂性;⑥砂浆易于薄层施工。除以上各项性能外,不同的纤维素醚还有各自的特殊性能。

重庆大学的蔡苇对甲基纤维素醚对砂浆性能的改善机理进行了总结,他认为砂浆中加入MC(甲基纤维素醚)保水剂后,会形成许多的微小气泡,这些气泡在砂浆中如滚珠轴承般的作用,使新拌砂浆的和易性得以改善,并且气泡还在硬化砂浆体中保留下来,形成了彼此独立的孔隙,起着阻断毛细孔的作用,MC 保水剂还能较大程度提高新拌砂浆的保水性,既可防止砂浆泌水离析,又能在养护初期防止水分过快蒸发或被基材过快吸收,使水泥能较好的水化,从而使粘结强度得到提高。MC保水剂的掺入会改善砂浆的收缩性,这是细粉状的保水剂可填充于孔隙中,使砂浆中的连通孔变少,水分的蒸发损失变小,从而降低了砂浆的干缩值。干拌粘结砂浆中特别是作为瓷砖粘结剂使用时一般都掺入纤维素醚。如在瓷砖粘结剂中掺入纤维素醚,可以大幅度提高瓷砖胶泥的保水能力。纤维素醚抑制了水分由胶泥往底材或砖块的过快流失,令胶泥有足够的水分得以全面凝固,延长了修正时间,提高了粘结强度。此外,纤维素醚也改善了胶泥的可塑性,使施工更容易,并增加了胶泥与砖体的接触面积,减少胶泥的滑移和流挂,即便是将单位面积质量大且表面致密度高的瓷砖粘贴于垂直表面,也不会使胶泥产生下滑。纤维素醚还可以延缓胶泥表皮的形成,延长开放时间,提高胶泥的使用率。
3.3 有机纤维
用于砂浆中的纤维按其材料性质可分为金属纤维、无机纤维和有机纤维。在砂浆中掺入纤维,能大大提高其抗裂防渗性能。在干拌砂浆中通常加入有机纤维来改善砂浆的抗渗、抗裂性能。常用的有机纤维有:聚丙烯纤维(PP)、聚酰胺(尼龙)(PA)纤维、聚乙烯醇(维纶)(PVA)纤维、聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯纤维、聚酯纤维等。其中聚丙烯纤维是目前实际用量最大的,它是以丙烯单体在一定条件下聚合而结构规整的结晶型聚合物,具有耐化学腐蚀、加工性好、质轻、蠕变收缩小、价格低廉等特点,且因为聚丙烯纤维耐酸碱、不与水泥基材料发生化学反应,所以得到了国内外的广泛关注。纤维掺入砂浆后的抗裂作用主要分为两个阶段:一是塑性砂浆阶段;二是硬化砂浆体阶段。在砂浆的塑性阶段,均匀分布的纤维呈现三维网络结构,起到了支撑细骨料的作用,阻止了细骨料的沉降,减少了离析。而离析是砂浆表层开裂的主要原因,纤维的加入减少了砂浆的离析也就降低了砂浆表层开裂的可能性。塑性阶段的砂浆由于水分的蒸发,砂浆收缩会产生拉应力,而纤维的加入可以承受这种拉应力。在砂浆的硬化阶段,由于干燥收缩、碳化收缩、温度收缩的存在,在砂浆内部也会产生应力,应力的存在使砂浆中出现微裂纹,而纤维的加入可以降低微裂缝尖端的应力集中,防止微裂缝扩展。袁震宇等通过砂浆平板的抗裂试验分析也得出结论:在砂浆中加入聚丙烯纤维能明显减少塑性收缩裂缝的产生,改善砂浆的抗裂性。当砂浆中的聚丙烯纤维体积掺量分别为0.05%和0.10%时,可分别减少65%和75%的裂缝。而华南理工大学材料学院的黄承亚等人通过改性聚丙烯纤维水泥基复合材料力学性能试验也证实:水泥砂浆中加入少量的聚丙烯纤维可以提高水泥砂浆的抗折、抗压强度。纤维在水泥砂浆中的最佳用量为0.9kg/m3 左右,超过这一用量,纤维对水泥砂浆的增强增韧效果提高不显著,且不经济。在砂浆中加入纤维可以提高砂浆的抗渗性。当水泥基体收缩时,由于纤维起着的微细钢筋的作用,有效地消耗了能量,凝结后即使有微裂纹的产生,在内部和外部应力作用下,裂纹的扩展要受到纤维网状系统的阻碍,很难发展成为较大的裂缝,这样也就难以形成贯通的渗水通路,从而提高了砂浆的抗渗性。

3.4 膨胀剂
膨胀剂是干拌砂浆中另一个重要的抗裂防渗组分。现在使用较广泛的膨胀剂有AEA、UEA、CEA 等。AEA 膨胀剂具有能量大、掺量小,后期强度高,干缩小,含碱量低等优点。AEA 组分中高铝熟料中铝酸钙矿物CA 等首先与CaSO4、Ca(OH)2 作用,水化生成水化硫铝酸钙(钙矾石)而膨胀。UEA 也是生成钙矾石产生膨胀,CEA 则主要是生成氢氧化钙。AEA 膨胀剂是铝酸钙类膨胀剂,是一定比例的高铝熟料天然明矾石、石膏共同磨制成的膨胀型外加剂。AEA加入后形成的膨胀主要是两个方面:水泥水化初期,AEA组分中高铝熟料中铝酸钙矿物CA 先与CaSO4、Ca(OH)2作用,水化生成水化硫铝酸钙(钙矾石)而膨胀,膨胀量较大。生成的钙矾石与水化氢氧化铝凝胶使膨胀相与胶凝相合理匹配,既保证了膨胀效能又保证了强度。中后期,明矾石在石灰石膏激发下也生成钙矾石而产生微膨胀,改善了水泥集料界面微区结构。砂浆中掺入AEA 后,初、中期生成的大量的钙矾石使砂浆体积膨胀,内部结构更致密,改善了砂浆的孔结构,大孔减少,总孔隙率减小,抗渗性大大提高。当砂浆后期处于干燥状态时,初、中期产生的膨胀能抵消后期的全部或部分收缩,从而使抗裂防渗性得到提高。
UEA 膨胀剂是由硫酸盐、氧化铝、硫铝酸钾和硫酸钙等无机化合物制成。UEA 以适量掺入水泥中,可达到补偿收缩和抗裂防渗漏的功能,UEA 加入普通水泥中拌和后与硅酸钙水化反应后折出Ca(OH)2,作用生成化硫铝酸钙(C2A·3CaSO4·32H2O)即钙矾石,使水泥砂浆适度膨胀,水泥砂浆膨胀率与UEA 掺量成正比,使砂浆致密,提高抗裂性及抗渗性。林文添把掺有UEA 的水泥砂浆用
于外墙面,取得了良好的防渗漏效果。
CEA 膨胀剂熟料是由石灰石、粘土(或高铝粘土)、铁粉制成生料,经1350~1400℃煅烧而成,再经粉磨制成CEA 膨胀剂。CEA 膨胀剂有两个膨胀源:CaO 水化形成Ca(OH)2;C3A 和活性Al2O3 在石膏和Ca(OH)2 介质中形成钙矾石。

3.5 塑化剂
砂浆塑化剂是一种由有机高聚物和无机化学外加剂复合而成的粉状引气型砂浆外加剂,属阴离子型表面活性材料。它能显著地降低溶液的表面张力,在砂浆加水搅拌过程中产生大量封闭而微小的气泡(直径一般为0.25~2.5mm),微泡间距小,稳定性好,能显著改善砂浆的和易性;它可分散水泥颗粒,促进水泥水化反应,提高砂浆强度、抗渗性和抗冻融性,可降低部分水泥用量;它粘性好,用其拌制的砂浆附着力强,能很好地防止墙面起壳(空鼓)、开裂、渗水等建筑通病;它可改善施工环境,减轻劳动强度,促进文明施工;是一种经济效益和社会效益非常显著的既可提高工程质量又可降低施工成本的环保节能型产品。砂浆塑化剂在国外已被广泛应用,其中以日本、美国应用最为普及。木质素磺酸盐是干粉砂浆中常用的一种增塑剂,它是造纸厂的废料,其一般掺量为0.2%~0.3%。
塑化剂常用于需要有良好自流平性能的砂浆中,如自流平垫层、面层砂浆或找平砂浆。在砌筑砂浆中掺入增塑剂,可以改善砂浆的和易性,提高砂浆的保水性、流动性和粘聚性,可克服水泥混合砂浆易爆灰,收缩大和强度低等缺点,从而保证砌体的质量。在抹灰砂浆中可节省50%石灰膏,且砂浆不易泌水或分离;砂浆与基材的粘结性好;面层没有盐析现象,抗裂、抗霜冻和耐候性良好等。

3.6 憎水添加剂
憎水添加剂或斥水剂可以防止水份进入砂浆,同时还可以保持砂浆处于开放状态从而允许水蒸气的扩散。用于干拌砂浆产品的憎水性添加剂应该具有如下的特点:①应为粉末状产品;②具有良好的拌合性;③使砂浆整体产生憎水性并维持长期作用效果;④对表面的粘结强度没有明显的负面影响;⑤对环境友好。目前使用的憎水剂有脂肪酸金属盐,如硬脂酸钙;硅烷。但硬脂酸钙由于难以迅速与水泥砂浆均匀拌合,对于干拌砂浆特别是机械施工的抹灰材料并不是一个适宜的憎水性添加剂。憎水添加剂常用于薄抹灰外保温系统的抹面砂浆、瓷砖填缝剂、饰面彩色砂浆和用于外墙的防水抹灰砂浆等。

3.7 其它添加剂
促凝剂用于调整砂浆的凝结硬化性能。广泛使用甲酸钙和碳酸锂。甲酸钙的典型掺量为1%,碳酸锂为0.2%。与促凝剂一样,缓凝剂也用于调整砂浆的凝结硬化性能。酒石酸、柠檬酸及其盐以及葡萄糖酸盐已被成功使用。典型的掺量为0.05%~0.2%。粉状消泡剂减少新拌砂浆的含气量。粉状消泡剂基于不同的化学基团,如吸附在无机载体上的碳氢化合物、聚乙二醇或聚硅氧烷。淀粉醚可以使砂浆的稠度显著增加,需水量和屈服值也因此而略有增加,新拌砂浆的垂流程度会降低。这样使得批荡砂浆可以批得更厚,瓷砖胶能够粘附更重的瓷砖而少产生下垂。

4 结语
从上文对干粉砂浆中的添加剂的论述可见,在砂浆中掺人不同品种的添加剂将对砂浆的性能产生不同的影响。加入添加剂不仅可以改变砂浆的基本性能,节约胶凝材料的用量,同时能满足砂浆的和易性及施工需要,减少能源消耗。在设计砂浆配合比时,可以根据工程设计要求、现有材料状况及现场施工需要,选择添加剂品种,做到既经济实用、减少能耗,又能满足工程施工和质量的要求。●

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