干粉砂浆的组分及其作用机理.pdf

收稿日期2001-11-30干粉砂浆的组分及其作用机理鞠丽艳,张 雄(同济大学混凝土材料研究国家重点实验室,上海 200092)摘 要 本文对干粉砂浆的组分选择及几种化学添加剂的性能和作用做了详细的阐述。同时对各种成分之间的相互作用机理进行了分析。关键词 干粉砂浆;化学添加剂;粘结剂;矿物外加剂;细分散有机聚合物中图分类号TU57+811文献标识码A文章编号1002-3550(2002)01-0050-041 引言干粉砂浆,包括普通水泥砂浆、聚合物水泥砂浆、特种功能砂浆和快速修补砂浆等。其中普通水泥砂浆是由胶凝材料、骨料(干砂)、矿物掺和料(主要为粉煤灰)、外加剂等材料组成;聚合物水泥砂浆是由特种水泥、石英砂、丙烯酸丁苯共聚物和添加剂组成;特种功能砂浆是由特种水泥、砂子、添加剂及按功能要求配置的材料组成;快速修补砂浆是由普通水泥、塑凝剂、早强剂、粘结剂、砂子等材料组成。它们分别按不同要求、不同级别、不同用途、经配料、计量、搅拌、混合、散装或包装成为产品。散装干粉砂浆可运到混凝土搅拌站,按要求加水搅拌成为商品砂浆(或预拌砂浆)。袋装干粉砂浆可运到建筑施工现场,作业时只要按一定比例加水即可成为专用砂浆材料。这些干粉砂浆具有比较强的技术优势。(1)绿色环保技术:该技术可以将大量粉煤灰进行再利用,减少废弃物对环境污染,同时降低生产成本。还可以采用纳米材料技术,使内外墙具有吸收空气中废气的功能,自动调节空气中的湿度。(2)多种功能效果:利用干粉砂浆对墙体进行砌筑与抹面,可使建筑物内外墙具有保温、隔热、防水、耐久性好、延长使用期限的功能。对于聚合物砂浆还具有高抗弯、抗拉、抗腐蚀、抗冲击等性能。(3)产品性能优良:干粉砂浆与传统砂浆相比,具有保水性好、粘结性强、抗冻、抗裂、抗干缩等优点,作为保温砂浆还有很好的节能效果。(4)保证施工质量:由于干粉砂浆是按标准要求生产的一种产品,质量能够保证。避免了施工现场配置砂浆时配比混乱、计量误差大等不利因素。本文论述了商品干粉砂浆的一些新内容,对于干粉砂浆成分的合理选择及几种化学添加剂的性能和作用进行详细的阐述。干粉砂浆的成分主要由粘结剂、细分散有机聚合物、化学添加剂、矿物外加剂、砂等组成。2 粘结剂粘结剂有普通硅酸盐水泥、白水泥、高铝水泥、天然石膏、无水石膏、半水石膏、石灰、铝酸钙水泥及铝酸钙水泥组成的复合粘结剂。(1)普通硅酸盐水泥:是熟料与石膏及其它组分(粉煤灰、矿渣、火山灰)一起粉磨而成,加入石膏是为了调节凝结时间。(2)石膏:主要成分为硫酸钙。天然石膏是CaSO42H2O是通过控制脱水生成或半水石膏(CaSO41/2H20)和无水硬石膏。在干粉砂浆中一般用、半水石膏或天然石膏。干粉砂浆中石膏的作用与其在水中的溶解度比较重要。而石膏在水中的溶解度与它的生产方法、磨细方法和磨细程度、存放时间、使用温度和pH值有关,溶解度的大小对干粉砂浆的粘结性产生根本性的影响。表1列出了各种石膏在浓度25g/L和温度25 时的溶解度。表1 各种石膏的溶解速度石膏种类半水石膏半水石膏天然石膏溶解速度/(g/min)4382(3)铝酸钙水泥:铝酸钙水泥是国外“Lafarge Alu2mintes”公司研制专门用于干粉砂浆的一种高性能粘结剂。这类水泥是用一定比例含有Al2O3和CaO的原料经熔化或烧结,然后将获得的熟料磨细而成。铝酸钙水泥具有快的强度发展,甚至在低温下强度发展也很快,高的耐火性和化学稳定性。在干粉砂浆中铝酸钙水泥可作为复合粘结剂的一个组分,在不同的复合粘结剂中发挥不同的作用。它对砂浆的和易性、硬052 0 0 2年 第1期总第147期)Number 1 in 2002(Total No.147)混 凝 土Concrete全 国 建 筑 科 学 核 心 期 刊China Building Science Core Periodical化性质、强度、收缩率等都有影响。其化学成分列于表2:表2 铝酸钙水泥的化学成分w%成分品 种1#2#3#Al2O3384051181541269187212CaO373935193826182912Fe2O3+FeO15181118 014SiO2354515 014(4)复合粘结剂:含有铝酸钙水泥的复合粘结剂在干粉砂浆中用的比较广泛。主要有两大系列:1)普通硅酸盐水泥2铝酸钙水泥2)铝酸钙水泥2石膏。这两系列复合粘结剂的水化产物见表3:表3 复合粘结剂形成的水化产物普通硅酸盐水泥 铝酸钙水泥铝酸钙水泥 石膏CA+C+H2OCAH13C3A+3CaSO4+32H2OCA33CaSO432H2OCA+10H2OC4AH103CA+3CS+35H2OC3A3CS32H2O2AH3C3S+H2OCSH3CA+9CS+6CH+90H2O3C3A3CS32H2O 普通硅酸盐水泥2铝酸钙水泥系统这一系列复合粘结剂主要用于需快速硬化的干粉砂浆中,硬化和凝结时间的调节主要是复合粘结剂中铝酸钙水泥的含量和普通硅酸盐水泥的品种。它主要作为装饰板块的粘结砂浆、修复砂浆、防水砂浆等。修复砂浆用于已有的砌体和混凝土建筑物,不论是施工缺陷,还是风化引起的结构裂缝及各种破损,利用现有的多种技术和相应的材料可以恢复原建筑物表面,并可以提高建筑物的整体强度。防水砂浆不仅能防止液体渗漏,还有一定的耐蒸汽渗透性和防止分层剥离的良好的附着力。所以这种干粉砂浆可以用于各种蓄水池、建筑物屋面和外墙面等。铝酸钙水泥2石膏系统在这类复合粘结剂系统中,大多数采用1#铝酸钙水泥,并加入相当多的石膏。该复合粘结剂系统水化生成的主要产物是钙矾石,且具有自动均衡的结构,能快速干燥,强度增长速度快,其收缩可以抵消,这类干粉砂浆可以作为精密几何尺寸的装饰板块的粘结砂浆。3 细分散有机聚合物添加剂干粉砂浆中采用的细分散有机聚合物是水溶性的,它在水中形成乳胶液,对各类物质具有很好的粘结性,但它的粘结机理与矿物水化物(水泥)粘结机理有根本区别。在干粉砂浆加水搅拌时,聚合物颗粒自行分散,并不会同水泥粘聚,一方面由于细分散有机聚合物颗粒之间润滑效应,使砂浆的组分能够单独流动;另一方面细分散有机聚合物对空气有诱导效应,赋予砂浆可压缩性,因此,可以改善砂浆的施工和易性。实践证明,加入细分散有机聚合物的砂浆具有下列优点:1)砂浆的强度发展很好,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。在装饰板块用的粘结砂浆中,对细分散有机聚合物的量要求比较多,它的加入使砂浆的抗弯强度、抗裂性、附着强度、弹性、韧性都有改善,最终可以避免砂浆收缩开裂,还可以减少粘结层的厚度。细分散有机聚合物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,而在骨架内的聚合物具有活动接头的功能,类似于人体的组织,聚合物形成的膜可以比喻关节、韧带,从而可以保证刚性骨架的弹性和韧性。聚合物膜抗拉强度比普通砂浆的抗拉强度要大10倍以上,所以,细分散有机聚合物还可以改善砂浆的抗拉强度。目前用在干粉砂浆中的细分散有机聚合物主要有以下几种:1)苯乙烯-丁二烯共聚物;2)苯乙烯-丙烯酸共聚物;3)醋酸乙烯酯均聚物;4)聚丙烯酸酯均聚物;5)醋酸苯乙烯共聚物;6)醋酸乙烯酯-乙烯共聚物等。因为加入细分散有机聚合物会增加砂浆的气孔率,所以必须引入消泡剂,以消除气泡。4 化学添加剂411 化学添加剂的分类及功能化学添加剂的功能可以分为以下几种:1)稳定剂;2)硬化剂和固化加速剂及减缓剂;3)增塑剂;4)减水剂和稀释剂;5)憎水剂;6)泡沫形成剂等。采用稳定剂能赋予干粉砂浆合宜的稠度和和易性,它能够避免砂浆在硬化前产生沉淀和水分蒸发,也能改善砂浆最终硬化浆体的性能。稳定剂可以是无机矿物(如层状硅酸盐),也可以是有机合成物(如各种纤维素醚)。木质素磺酸盐是干粉砂浆中常用的一种增塑剂,是造纸厂的废料,其一般掺量为012%013%,还可以提高砂浆的粘结强度。聚乙烯醇在干粉砂浆中作为阻凝剂,同时也是一种粘结剂,也可以提高砂浆的粘结强度。碳酸锂作为干粉砂浆凝固和硬化的加速剂。醋酸作为石膏组分缓溶剂,可以调节干粉砂浆中石膏的硬化凝固速度。还可以采用酒石酸钾、聚烷基酰胺、某些磷酸盐和硼酸盐作为石膏硬化的缓凝剂。纤维素醚是由天然纤维素经过醚化反应得到,具有脱水葡萄糖的基本机构单元,根据其取代位置上的15取代基团的种类和数量不同而具有不同的性质可作为增粘剂、保水剂、引气剂等。以下几种纤维素醚类化合物可用于干粉砂浆中作为化学添加剂:1)Na-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,使干粉砂浆性能得以改善:1)增加和易性:2)增加黏附力;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。412 化学添加剂的选择用少量的化学添加剂使干粉砂浆改性是与传统砂浆的最大区别之一。在干粉砂浆中加入一种化学添加剂称为一级改性,加入两种或两种以上添加剂为二级改性。干粉砂浆的质量取决于正确选择成分和各种成分相互协调匹配。在选择化学添加剂时,针对合宜无机复合物成分,应该把化学添加剂的掺量放在首位,因为化学添加剂价格比较贵,并且对于干粉砂浆性能影响比较大。下面以纤维素醚为例来阐述化学添加剂的选择方法。对于水泥和石膏型干粉砂浆,无论作为保水剂还是增稠剂,均可以采用各种纤维素醚,对于选择品种和加入量按以下性能考虑:1)不同温度下的保水性;2)增稠作用,粘度(保水相关性、粘结性、结构粘度,在不同涂刷条件下,纤维素醚与砂浆粘度的关系);3)稠度与温度的关系,在存在电解液情况下,对稠度的影响;4)醚化作用的形式和程度;5)对砂浆触变性和定位能力的改进(这对垂直表面涂刷的砂浆是必需的);6)溶解速度、条件和溶解完全性。水泥与石膏硬化是由于它们的水化作用,但是砂浆薄层涂抹,水很快渗到基体中或者蒸发,纤维素醚由于分子间的作用力(范德华力),具有良好的保水能力;还可以保证无机粘结剂水化作用的均匀性和完全性,因为它与水有大致相同的蒸发热和毛细管扩散作用。以甲基纤维素酯为例,同样的砂浆,在不加甲基纤维素酯时,保水率为65%70%,加入甲基纤维素酯的干粉砂浆,在冬天保水率不低于90%,在夏天不低于85%。砂浆是非匀质系统,其中水和水溶液是连续相,水刚开始加入剧烈提高摩擦力和移动阻力,因此使砂浆涂抹困难,特别是薄层,纤维素醚类塑性剂的加入,可以对砂浆的滑移起润滑作用,同时改变砂浆的和易性。纤维素醚的加入依赖砂浆的涂抹厚度。厚层涂抹有开裂的危险,加入纤维素醚可以防止这种情况发生。但若掺量太小,仍有开裂的危险。在干粉砂浆中除加入纤维素醚(如甲基纤维素酯),还可以加入聚乙烯酸乙烯酯,即二级改性。砂浆中的无机粘结剂(水泥、石膏)能保证高的抗压强度,而对抗拉强度和抗弯强度作用甚微。聚乙烯酸乙烯酯在水泥石孔内建立弹性膜,所以使砂浆可以承受高的变形负载,提高耐磨性即抗拉强度和抗弯强度。实践证明:在干粉砂浆中加入不同数量的甲基纤维素酯和聚乙烯酸乙烯酯,可以制备薄层涂抹板块粘结砂浆、抹灰砂浆、装饰粉刷砂浆、用于加气混凝土砌块的砌筑砂浆、浇注地坪的自流平砂浆等。将二者混合使用不仅可以提高砂浆的质量,而且可以大大提高施工效率。5 矿物外加剂干粉砂浆质量既依赖于化学添加剂,又依赖于正确选择无机矿物外加剂。其配方组成必须研究砂浆拌和物的凝固硬化过程。当前已广泛应用的矿物外加剂有粉煤灰、矿渣微粒、石灰石粉、硅灰、珍珠岩等。矿物外加剂的某些重要性质必须详细研究,例如矿物外加剂使化学添加剂过量消耗问题。矿物外加剂中对于破坏粘结剂性能的杂质应尽量少。矿物外加剂的活性成分改变水泥的水化和硬化机理,会导致不能控制的收缩和膨胀。我国正在制定矿物外加剂的国家标准。目前最常用的矿物外加剂就是粉煤灰、矿渣微粉和石灰石粉,他们都属于工业废料,从化学成分来看,他们都是含有很高的氧化钙的铝硅酸盐和碳酸盐,它们在水中有不同的溶解性。由于粉煤灰本身的性质,使掺加粉煤灰的砂浆具有早期强度低,后期强度持续增长的特点,这是因为粉煤灰的活性被持续激发所致;此种砂浆的早期收缩较大,到28天基本趋于稳定;随着粉煤灰掺量的增加,干粉砂浆的凝结时间延长,综合以上因素,一般认为选择粉煤灰的用量在水泥的50%左右是合理的。矿渣微粉是将矿渣磨细至超细程度(比表面积达850m2/kg)的矿渣,其活性与其比表面积密切相关。单掺矿渣微粉的砂浆有泌水现象,一般与减水剂或有保水作用的外加剂混掺。矿渣和减水剂共同作用可使新拌砂浆的含气量、硬化砂浆的孔隙率达到最低,硬化砂浆的体积密度达到最大,同时使砂浆的吸水率明显降低。抗冻性和抗渗性都有所提高。我国石灰石资源很丰富,有效地应用石灰石矿物外加剂,有着积极的社会效益。可以替代一部分水泥。掺石灰石粉的砂浆随着其替代水泥量的减少,强度提高,砂浆的和易性变好,一般合理掺量为5%10%。石灰石粉与其它磨细矿物外加剂一样,对水泥颗粒有25一定的分散作用,致使水泥颗粒的絮凝结构难以形成,从而改善了砂浆的和易性。掺适量的石灰石粉替代水泥后,其强度超过纯水泥砂浆的强度,这是石灰石粉的物理、化学作用的共同结果。有人通过电子显微镜观察到CaCO3表面长满了水化产物,可以认为石灰石粉起着微晶和催化的作用,使大量水化产物生长在其表面,降低了溶液中的离子浓度,加速了C3S颗粒表面的离子向溶液中的迁移,使C3S的水化速度提高。而一部分CaCO3的“消失”,证实了CaCO3通过参与化学反应而对砂浆的强度产生贡献。有试验表明石灰石粉与矿渣微粉共掺时,可以改善矿渣微粉的泌水缺陷,随着石灰石粉替代矿渣微粉的比例增加,砂浆的泌水量明显降低,石灰石粉与矿渣微粉的比例为41时,砂浆已没有泌水现象。同样石灰石粉与矿渣微粉共掺时,也表现出对强度极有利的复合效果。因为在掺有石灰石粉和矿粉的砂浆中加入水后,首先是水泥熟料矿物与水作用生成CSH、AFT、Ca(OH)2等,一部分C3A与CaCO3反应生成CCA,由于石灰石粉的存在,上述水化反应速度加快,致使一定龄期内的水化产物增多,而水化产物中的Ca(OH)2又是矿粉的活性激发剂,又可以提高矿粉的水化速度,而矿粉对于Ca(OH)2的“消耗”,对于水泥颗粒的水化反应无疑又是一种推动作用。所以石灰石粉对水泥水化和矿粉水化有直接与间接的促进作用,使得水泥+矿粉+石粉三元体系比水泥+矿粉二元体系具有更高的强度值。矿物外加剂的筛分性质也很重要,它必须在保持良好的渗透性情况下,使砂浆致密涂刷,保证砂浆良好的性能,如较高的抗拉强度和最少的化学添加剂消耗。对于薄层涂抹的干粉砂浆,最大矿物外加剂颗粒应在014mm016mm,超出014mm016mm的,只能用于厚膜涂层或者装饰涂层的砂浆。对于011mm颗粒矿物外加剂,可用于粉刷和抹平砂浆。矿物外加剂越细,比表面积越大,导致粘结剂(水泥、石膏)需用量增加。为了达到细矿物外加剂砂浆必要的塑性和和易性,用水量也会增加,水灰比偏离合宜量,导致开裂。正确选择矿物外加剂颗粒组成标志之一是最小的水灰比,在最少的粘结剂和化学添加剂的消耗下,获得最好的机械物理性能。对于砂作为干粉砂浆的一种组分的作用,本文暂不作分析。6 结论干粉砂浆系列产品在国内还尚待研究开发,要使这项新工艺、新产品得到顺利开发,并获得广泛应用,必须要使该产品的优良性能得以体现。一方面必须寻找合适的生产工艺,更重要的是要合理选择成分和降低干粉砂浆的成本。参考文献1.多斯加夫.含有铝酸钙水泥的干式混合物J.建筑材料(俄),1999,3.2.麦谢科夫,等.干式砂浆成分的合理选择J.建筑材料(俄),2000,5.3p.B.霍洛格尔.改善建筑砂浆质量的化学添加剂J.建筑材料(俄),1999,3.4.鲍尔萨科夫,等.用于装饰工程的干式混合物J.建筑材料(俄),1997,7.5Dry mortar mix with adhesive.US4465519,1984/8/1;4.6Ultra-light high moisture retention title moltarCharles S.Hobe Sound,US5718758,1998/2/17.7 Dry pre2mixed mortar.Hardin,George E.,Bloomington,US4360376,1983/6/28.8沙利业.建材新产品2干粉料J.上海建材,1999,1.9郁伟华.新型绿色建材2干粉砂浆J.上海建材2000,4.10蔡兵.建筑干粉产品方案和策略J.新型建筑材料,2001,4.作者简介 鞠丽艳(1978-),女,硕士;张雄,男,教授,博导。单位地址 上海市四平路1239号(200092)混凝土材料研究国家重点实验室联系电话[phone]The composition and interactive mechanism of dry2mortarJU Li2yan1,ZHAN G Xiong1(Tongji University State Key Lab of Concrete Materials Research,Shanghai 200092,China)Abstract:The paper dwells on the selection of the composition of dry2mortar and the properties of severalkinds additives.And analyzing the interactive mechanism of different composition of dry2mortar.Key words:Dry2mortar;Chemical additive;felt additives;mineral additives;fine2disperse organicpolymer35