聚合物品种与掺量对粘结干粉砂浆性能的影响

1 前言
干粉砂浆亦称干拌砂浆、干混砂浆, 它是由专业生产厂生产、经干燥筛分处理的细集料与无机胶凝材料、矿物掺和料、其他外加剂按一定比例混合成的一种粉状或颗粒状混合物, 在施工现场按使用说明加水搅拌即成砂浆拌和物。产品的包装形式可分为散装或袋装。它具有备料快、施工快、保水性好、和易性好、耐久性好和省时、省工、省心及文明施工等特点。由于高分子聚合物其抗压强度较低而抗拉伸能力较强, 与其他材料的粘结力较强,并且具有较好的抵抗化学侵蚀的性能, 因此往普通砂浆中加入高分子聚合物可以配制出具有较高性能的复合材料———聚合物砂浆。聚合物有液态和粉末两种形式。乳液是液态的聚合物, 乳胶粉是聚合物乳液的粉末形态。传统的粘结剂为双组分, 也就是把乳液形态的聚合物加入到预先拌制好的干混料中, 或者添加到现场配比的砂浆中。然而, 在实际施工中使用双组分经常会出现问题, 主要是乳液的精确计量比较困难。操作工人缺乏足够的认识, 添加聚合物过程中一般靠经验, 并没有意识到计量准确的重要性。另外, 不正确的添加也有可能是为了降低成本而人为故意减少掺量。聚合物添加量减少会明显改变粘结剂的技术性能, 造成粘结强度、柔性和耐久性不足, 严重影响工程质量。近40 年来, 在粘结体系的改进和简易新型粘贴技术———薄层技术的推动下, 瓷砖才被再度应用于外墙。薄层技术是使用有凹槽的泥刀, 见图1。

图1 缺口镘刀施工图
缺口镘刀具有齿宽6 mm, 齿高6 mm, 齿间距6mm, 故而用此镘刀施工的砂浆也具有宽6 mm、高6mm、间距6 mm 的砂浆条, 当将瓷砖按压在此砂浆条上之后, 就可或得一层没有空气袋、厚度为3mm 的砂浆层。这种薄层铺贴技术需要先进的粘结剂。改进与薄层技术相配套的粘结剂是改进瓷砖粘贴性能极为重要的一个方面。本文作者提出一种与薄层技术相配套的粘结剂———粘结干粉砂浆, 下面主要研聚合物品种与掺量对粘结干混砂浆的性能影响, 以期改善粘结干混砂浆的粘结性能。

2 原材料与试验方法
2.1 原材料
2.1.1 水泥
粘结干混砂浆主要使用高标号的普通硅酸盐水泥, 如42.5 级、42.5R 级、52.5 级和52.5R 级。本课题实验的水泥采用焦作市中晶水泥厂生产的42.5 级普通硅酸盐水泥。

2.1.2 砂子
本次实验用砂为信阳河砂, 烘干使用。经测定, 砂的细度模数为2.6, 属中砂, 其级配落在Ⅱ区。

2.1.3 聚合物
在试验中使用的聚合物如下:
a.可再分散性乳胶粉
可再分散性乳胶粉是将特殊的胶乳喷雾干燥加工而成。它与聚合物乳液就像奶粉和牛奶一样。本次实验所用的可再分散性乳胶粉属于抗皂化的醋酸乙烯酯———乙烯共聚物, 品种有VINNAPAS RE5044N( 简称RE5044N) 和VINNAPAS RE5010N ( 简称RE5010N) ,均来自上海尚南贸易有限公司(进口德国威凯公司的乳胶粉), 外观为白色粉末, 均含有细的矿物质抗结块剂, 不含任何溶剂、增塑剂与成膜剂。RE5044N 乳胶粉的乙烯含量高, 具有极好的柔韧性。二者不同点见表1。
表1 乳胶粉RE5044N 和RE5010N 的性质对比

b.纤维素醚
在干混砂浆中, 纤维素醚用作增稠剂和保水剂。本次实验用的纤维素醚为羟甲基纤维素钠, 郑州市中原化工材料有限公司生产, 颜色为肉红色。
c.聚丙烯酰胺
聚丙烯酰胺(简称PAM)是一种极易溶于水的粉状聚合物, 化学性质活泼, 具有超高的吸湿容量, 分子量高, 具有成膜性和粘附性。本次实验用的聚丙烯酰胺为上海恒谊化工有限公司生产。
2.2 试验方法
稠度、分层度试验按照《建筑砂浆基本性能试验方法》( JGJ70- 90)执行。抗压强度、抗折强度试验按照《水泥胶砂强度检验方法》GB/T17671- 1999)执行。粘结强度由粘结抗折试验给出见图2。试模采用40 mm×40 mm×160 mm 尺寸。基准砂浆也采用上述尺寸, 配合比为水泥: 砂: 水=1:2:0.5, 成型后同胶砂试验, 标准养护后, 将试件用切割机切成两半, 并在砂轮上修整。基准砂浆的粘贴面在浇筑前保持湿润, 把新拌的砂浆浇筑到40 mm×40 mm×80 mm 的基准砂浆断面上, 成型出40 mm×40 mm×160 mm 的砂浆, 喷淋洒水薄膜养护3 d 后脱模, 而后薄膜养护到28 d。28 d 后按抗折强度的方法测定粘结抗折强度。
图2 粘结抗折强度试件

说明: 左半部分为新砂浆, 右半部分为老砂浆

3 试验研究
试验采用配合比是中晶42.5 级普通硅酸盐水泥:砂: 羟甲基纤维素醚(CMC)=1:2:0.005, 分别加入聚合物PAM、乳胶粉RE5044N 和RE5010N 来配制粘结干粉砂浆, 研究这三种不同品种砂浆的性能。稠度均控制为5.5 cm。每种聚合物掺量分别为水泥质量的0.0%、0.5%、1.5%、2.0%、3.0%。

3.1 聚丙烯酰胺掺量( PAM) 对砂浆性能的影响
将PAM按不同掺量等量取代水泥, 它对砂浆的性能影响见表2。随着PAM掺量的增加, 分层度变小, 当掺量为1.5%时, 分层度最小; 当掺量超过1.5%时, 分层度又略微增大。砂浆7 d、28 d 抗压强度与抗折强度均随PAM掺量的增加而减少。空白时7 d 抗压强度是掺量为3.0%时的3 倍多, 空白时7 d 抗折强度是该掺量的1.7 倍。比较砂浆后期强度值, 空白时28 d 抗压强度是掺量为3.0%时的2.7 倍, 空白时的抗折强度是该掺量的1.5 倍。因此, 早期强度损失较后期增大。

比较28d 砂浆的粘结强度和折压比, 随着PAM掺量的增加, 粘结强度先增大而后减小, 总趋势是增大,在掺量为2.0%时达到最大; 而折压比总的趋势是在增大, 在掺量1.5%时达到最大。从试验过程中发现, 随着PAM掺量(0.0~1.0%)的增加, 砂浆的和易性逐步得到改善。在分层度测定时,发现PAM掺量为0.0%、0.5%时, 发现砂浆周围有泌水现象。但随着PAM掺量的加大(1.0%以上), 砂浆要达到5.5 cm 的稠度, 需水量明显增多, 且难于拌和, 砂浆的粘聚性加大, 不见泌水现象, 而且成型好的砂浆试块气孔量、气孔尺寸逐渐变大。

3.2 RE5044N 和RE5010N 乳胶粉掺量对砂浆性能的影响
将RE5044N 和RE5010N 乳胶粉按不同掺量0.0%、0.5%、1.5%、2.0%、3.0%等量取代水泥, 测得掺RE5044N 砂浆和掺RE5010N 砂浆的分层度分别为:1.2 cm、1.1 cm、0.8 cm、0.9 cm、0.6 cm、0.9 cm 和1.2cm、1.1 cm、0.5 cm、0.5 cm、0.4 cm、0.8 cm。它们对砂浆的性能影响见图3~6。

图3 乳胶粉掺量对砂浆抗压强度的影响

图4 乳胶粉掺量对砂浆抗折强度的影响

图5 乳胶粉掺量对砂浆折压比的影响

图6 乳胶粉掺量对砂浆28 d 粘结强度的影响
从图中可以看出, RE5044N 掺量使砂浆早期的抗折强度总体上有所增大, 在掺量为3.0%时反而有所回落, 而抗压强度基本上呈缓慢的下降趋势。分析砂浆后期强度, 与前期强度变化规律基本一致。从RE5010N 掺量对砂浆28 d 抗压强度、抗折强度曲线上可以看出: 随着RE5010N 掺量的增加, 砂浆的抗压强度降低的幅度也越大, 而抗折强度呈上升趋势。同时, 也可看出: 28 d 抗压强度、抗折强度的变化情况与7 d 的基本一样。比较两种乳胶粉掺量对砂浆折压比、粘结强度的影响曲线, 它们对砂浆7 d、28 d 的折压比影响是相同的, 均是随掺量的增加, 折压比增大, 砂浆的柔韧性提高。28 d 粘结强度随乳胶粉掺量的增加而增大。其中, 掺量为2.0%、3.0%RE5044N 砂浆其折压比比空白砂浆分别增加了60.7%、85.4%, 其粘结强度比空白砂浆分别增加了61.5%、63.8%。而掺量为2.0%、3.0%RE5010N 砂浆其折压比、粘结强度分别比空白砂浆增加了48.4% 、75.2% 、62.8% 、70.1%。两种乳胶粉掺量均是在0%~1.5%范围内, 砂浆的抗压强度微小波动, 即先增后减。在掺量1.5%以上时, 掺量越大, 抗压强度递减的幅度越大, 抗折强度基本上稳定提高。这可能是掺量0%~1.5%范围是聚合物可以连续成膜的掺量范围。乳胶粉掺量在1.5%以上, 乳胶粉形成的乳液成膜稳定, 这种薄弱的连续膜刚好削弱了砂浆的抗压强度, 但它连续地充填于水泥石的孔隙和缺陷中, 起粘结作用, 使得砂浆的抗折强度提高, 折压比增大。

3.3 三种聚合物在不同掺量下折压比和粘结强度的对比
通过前面试验的研究, 了解了PAM、RE5044N、RE5010N 三种聚合物的不同掺量对砂浆性能的影响。由于粘结干混砂浆对抗压强度、抗折强度要求不高, 试验中未发现砂浆的分层度超过2 cm, 说明砂浆稳定。28 d 的折压比增长率、28 d 粘结强度增长率进行对比, 结果见表3、表4。
表3 三种聚合物的不同掺量对砂浆折压比(28 d)增长率的影响/%

表4 三种聚合物的不同掺量对砂浆粘结强度增长率(%)的影响

从表3、表4 中可以看出, 同掺量下折压比增长率从大到小的顺序为PAM、RE5044N、RE5010N。这与PAM高引气量、RE5044N 中乙烯含量高有关。从分析表4~8 可知, 在聚合物掺量0.5%~2.0%范围内, 粘结强度增长率的大小顺序为RE5010N、RE5044N、PAM。在掺量为3.0%时, 粘结强度增长率的大小次序发生改变, RE5010N 仍最大, 但PAM 次之, RE5044N 最小。从粘结强度增长率来看, 在配制粘结干混砂浆时, 应选RE5010N。另外, 从前面可知, PAM随掺量的增加, 砂浆中气孔量和尺寸增大。但在试验过程中没发现掺RE5010N、RE5044N 的砂浆试块上有此现象的发生, 而发现了掺RE5010N、RE5044N 的砂浆和易性较好。因此, 配制粘结性能较好的砂浆应选用RE5010N。

4 结论
a. 在配合比为中晶42.5 级普通硅酸盐水泥∶砂∶羟甲基纤维素醚(CMC)=1∶2∶0.005 的砂浆中加入PAM, 随着PAM掺量的增加, 砂浆的抗压强度和抗折强度降低, 早期两种强度降低量较后期大, 砂浆的粘结强度总体上呈增加趋势。在掺量超过1.5%以上时, 砂浆试块可见明显的气孔。
b.乳胶粉RE5010N、RE5044N 掺量均是在0%~1.5%范围内, 砂浆的抗压强度微小波动, 即先增后减。在掺量1.5%以上时, 掺量越大, 抗压强度递减的幅度越大, 抗折强度基本上稳定提高。
c.RE5010N 粘结强度增长率整体上较高, 因此适宜RE5010N 配制粘结干混砂浆。

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