乳膠粉對水泥砂漿性能影響的研究

付廷波

(鐵正檢測科技有限公司 山東濟南 250014)

1 前言

近年來，隨著現代建筑施工技術進步和國家對環境保護要求的提高，伴隨著施工現場管理混亂與粗放、污染環境、砂漿質量參差不齊等諸多問題的現場拌制砂漿已不能適應建筑技術的發展[1]。因此，采用質量穩定、保護環境、有利于文明施工的預拌砂漿是現代砂漿產業發展的重要趨勢。尤其是近年來伴隨著國家禁止現場拌制砂漿，工業化預拌砂漿得到了長足發展[2-3]。預拌砂漿主要是由膠凝材料、細骨料以及滿足各種性能要求的外加劑組成[4-5]。其中可再分散乳膠粉由于具有遇水可再分散以及成膜特性而廣泛應用于砂漿中，成為拌制預拌砂漿不可或缺的一種重要組分[6-7]。本文就可再分散乳膠粉對砂漿的和易性與力學性能的影響進行了系統的研究，為在工程中的應用提供理論依據。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

(1)水泥：中聯普通硅酸鹽水泥42.5，其性能符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)，相關指標如表1所示。

表1 水泥基本性能

(2)粉煤灰：F類粉煤灰Ⅱ級，細度13.8%，需水量比為98%。砂：河沙，細度模數2.7，含泥量1.0%，泥塊含量0.3%。

(3)乳膠粉：市售醋酸乙烯酯與乙烯共聚膠粉(VaE)乳膠粉。

(4)纖維素：采用羥丙基甲基纖維素醚，黏度為75 000 mPa·s。

(5)減水劑：市售固體聚羧酸減水劑，其性能符合《混凝土外加劑》(GB 8076-2008)和《混凝土外加劑勻質性試驗方法》(GB 8077-2012)要求。

2.2 試驗方法

砂漿的性能試驗按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70-2009)進行。

2.3 試驗配比

本文結合實際需求與《砌筑砂漿配合比設計規程》(JGJ/T 98-2010)的要求，設計一種抹灰砂漿配合比，其中水灰比為0.5，減水劑摻量為0.1%，其余各種材料用量如表2所示。

表2 抹灰砂漿配合比

3 試驗結果與討論

可再分散膠乳粉作為一種高分子聚合物粉末，由于其良好的再分散性，因此成為干混砂漿、修補砂漿等一系列特種砂漿的重要添加劑。為探究乳膠粉對砂漿性能的影響，分析乳膠粉的最佳摻量，本試驗選取了兩種不同的乳液，設置不同的摻量(0、2%、4%、6%、8%、10%)進行試驗，其試驗結果如下：

3.1 乳膠粉對新拌水泥砂漿和易性的影響

可再分散乳膠粉在砂漿中的應用主要是利用其遇水可再分散以及成膜特性。因此，砂漿中乳膠粉的種類與摻量對砂漿的和易性有很大的影響。通過試驗發現，乳膠粉的加入會使得砂漿的稠度變大，并且在一定摻量下隨著乳膠粉摻量的增加呈現出先增大后減小的趨勢，其主要原因是：膠粉的分散性及在合成過程中表面活性劑的引入使得其宏觀上表現為砂漿稠度變大，但本身作為一種高聚物，其黏稠性與濃度成正比，摻量過大砂漿稠度變小黏度變大。

此外，在試驗過程中還發現乳膠粉的最低成膜溫度(MFT)是影響砂漿和易性的重要因素[8]。最低成膜溫度不宜過高，若高于水泥水化溫度將不能形成連續的膜，起不到橋架作用；最低成膜溫度不宜過低，如果太低會在砂漿攪拌過程中迅速成膜，造成稠度的迅速損失，失去可操作時間。因此選擇合適的乳液至關重要。

3.2 乳膠粉對砂漿抗壓/抗折強度的影響

為探究乳膠粉摻量對砂漿抗壓抗折強度的影響，本試驗選擇效果較好的VAE乳膠粉進行試驗，試驗結果如圖1、圖2所示。

圖1 乳膠粉對抗壓強度的影響

圖2 乳膠粉對抗折強度的影響

圖1、圖2分別為在VAE乳膠粉不同摻量下對砂漿28 d抗壓、抗折強度的影響趨勢。從圖可以看出空白砂漿試驗組28 d的抗壓強度為24.7 MPa，抗折強度為5.8 MPa，通過添加不同摻量的乳膠粉，砂漿強度表現出先增大后減小的趨勢。從抗壓強度來看，在摻量為4%時抗壓強度達到26.2 MPa，當摻量繼續增加會導致抗壓強度降低。從抗折強度來看，在乳膠粉摻量為8%時，抗折強度達到7.0 MPa，強度增加20.7%，乳膠粉的加入對抗折強度有顯著影響。乳膠粉對強度的影響主要表現為兩個方面：一是高分子聚合物成膜性能在水泥礦物之間形成橋架作用，有助于強度的提高；二是乳膠粉自身的柔性并具有一定的引氣作用，當摻量過高時會對強度有損害作用，試驗表明當乳膠粉摻量為10%時，容重減少約7%。

3.3 乳膠粉對砂漿粘結強度的影響

對砂漿粘結性能的測試按照《建筑砂漿基本性能試驗方法》(JGJ 70-2009)進行，粘結材料選用水泥砂漿材料。圖3為乳膠粉摻量對粘結性能的影響。

從圖3可以看出，通過添加乳膠粉能夠顯著提高砂漿的拉伸粘結強度，并且在一定摻量下隨著乳膠粉摻量的增加，粘結強度逐漸提高，當摻量為10%時粘結強度較空白試驗組粘結強度增加了130%。此外試驗還發現，在新舊砂漿界面涂抹水泥漿或者使用界面劑將會有效地提高粘結強度[9]。這將有效避免水泥砂漿內部出現空鼓、脫落等病害。

圖3 乳膠粉對砂漿粘結強度的影響

3.4 乳膠粉對砂漿粘結抗彎折強度的影響

為進一步更深入地探究乳膠粉對砂漿粘結強度的影響，設計了砂漿粘結抗彎折強度實驗。具體操作過程為：將標養后的40×40×160 mm基準砂漿試塊鋸成一半，與新拌砂漿一起成型，標養后進行抗彎折實驗(見圖4)[10]。

圖4 砂漿粘結抗彎折實驗示意

從圖5可以看出，砂漿粘結抗彎折強度因為摻加可再分散乳膠粉而提高，其表面粘結能力也因此提高。粘結抗彎折強度提高的原因與乳膠粉影響砂漿抗折強度的機理相同，主要是乳膠粉伴隨著水泥的水化逐漸成膜形成三維網狀結構，起到橋架作用。同時，水泥漿與聚合物滲透進粘結表面的缺陷與孔隙，使新舊粘結面更加密實。因此，通過摻加適量的乳膠粉可以改善新舊混凝土的粘結能力。

圖5 乳膠粉摻量對砂漿粘結抗彎折強度的影響

4 機理分析

在水泥砂漿中加入適當摻量的可再分散乳膠粉可以有效地改善新拌水泥砂漿的和易性，提高砂漿的抗壓抗折強度、粘結強度等力學性能。

通過研究發現，可再分散乳膠粉在水中能夠迅速恢復形成乳液，乳液顆粒隨砂漿攪拌過程均勻分散(見圖6a)，伴隨著水泥的水化過程(見圖6b)以及水化產物的不斷增多，聚合物顆粒不斷沉積形成聚合物膜并不斷延伸(見圖6c)，其中一部分乳液顆粒貫穿于骨料與水泥水化體系-聚合物成膜，形成三維立體網狀結構，起到橋架作用(見圖6d)，使水泥水化產物與骨料之間相互粘結；同時少部分乳液顆粒填充于水泥顆?？障吨g，提高密實度。兩種作用共同使得水泥砂漿的力學性能得到改善[11]。

圖6 乳膠粉作用機理示意

5 結論

(1)在新拌水泥砂漿中加入適當摻量的可再分散乳膠粉能夠有效地改善砂漿的和易性。但在乳膠粉的選擇上應注意乳膠粉的最低成膜溫度與玻璃化轉變溫度。

(2)在0～10%的摻量下，可再分散乳膠粉會使得砂漿28 d抗壓抗折強度呈現出先增加后降低的趨勢，當摻量分別在4%與8%時，抗壓抗折強度達到最大。

(3)通過測試砂漿的粘結強度與粘結抗彎折強度，發現隨乳膠粉摻量的增加強度逐漸增加。

(4)綜上所述，乳膠粉的最佳摻量為2%～4%。

(5)可再分散乳膠粉在砂漿中的作用機理主要是均勻分散后成膜，在水泥水化物與骨料之間形成三維網狀結構，起到橋架作用。