可再分散乳胶粉对干混砂浆物理性能影响研究

摘要 : 本文研究了添加不同掺量可再分散乳胶粉对干混砂浆的抗压强度、抗折强度、粘结强度、抗渗性等物理性能的影响,并对其作用机理进行了分析。结果表明:当干混砂浆水灰比为 0.45 时,在 0~5%掺量范围内,添加可再分散乳胶粉可显著改善干混砂浆的抗折强度、粘结强度、抗渗压力、动态抗开裂性等物理性能。

1 试验部分

1.1 主要原料

可再分散乳胶粉(VAE 类,自制)[2]、纤维素醚(500mPa·s)、重钙(200 目)、石英砂(60~120 目)、石英粉(200 目)、普通硅酸盐水泥(42.5R)、硅灰、其他助剂。

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1.2 主要仪器设备

台式材料试验机:3365 型,美国 INSTRON 公司;电动抗折试验机:DKZ-5000 型,无锡建筑材料仪器机械厂;压力试验机:NYL-300 无锡建筑材料仪器机械厂;砂浆渗透仪:SS15 型,天津市建筑仪器试验机公司;水泥净浆搅拌机:NJ-160A 型,无锡建筑材料仪器机械厂;水泥胶砂搅拌机:JJ-5 型,无锡建筑材料仪器机械厂;水泥砼标准养护箱:SHBY-40B 型,无锡华南试验仪器有限公司;动态抗开裂测试仪:北京华电大通电力设备有限公司;扫描电镜:DXS-10A型,上海电子光学技术研究所。

1.3 干混砂浆的配制

(1)刚性防水材料的配制。按表 1 配制刚性防水材料。

表 1 刚性防水材料配方

(2)建筑外墙用腻子的配制。按表 2 配制建筑外墙用腻子。

表 2 建筑外墙用腻子配方

1.4 物理力学性能测试

(1)刚性防水材料物理力学性能测试。抗压强度、抗折强度、抗渗压力等均按 GB/T23440-2009《无机防水堵漏材料》进行测试。

(2)建筑外墙用腻子物理力学性能测试。吸水量、粘结强度、动态抗开裂性等均按 JG/T157-2009《建筑外墙用腻子》进行测试。

2 试验结果及讨论

2.1 可再分散乳胶粉掺量对刚性防水材料抗压强度的影响水泥基体的抗压强度是由孔隙率决定的,而孔隙率又是由水灰比和含气量决定的。聚合物的加入可使刚性防水材料的抗压强度得到提高,这主要归结于水灰比或含气量的降低。事实上当水灰比或含气量保持恒定时,刚性防水材料的抗压强度在一定掺量范围内随着聚合物掺量的增加而降低。

图 1 是水灰为 0.45 时,可再分散乳胶粉掺量与刚性防水材料抗压强度的关系。从图中可看出,在掺量 0~5%范围内,抗压强度随着可再分散乳胶粉掺量的增加而降低。

2.2 可再分散乳胶粉掺量对刚性防水材料抗折强度的影响

可再分散乳胶粉的加入可以提高刚性防水材料的抗折强度,这主要是因为界面过渡区的致密化,改善了骨料与水泥基体的粘结,减少了缝隙的形成。聚合物与水泥浆体互穿基质,在应力作用下产生裂缝时,聚合物能跨越微裂纹并抑制裂缝扩展,从而使砂浆的断裂韧性、变形性能得以提高。此外,可再分散乳胶粉的加入改善了刚性防水材料的和易性和分散性,使水化水泥浆体的匀质性提高,也是抗折强度增强的原因之一。图 2 是水灰比为 0.45 时,可再分散乳胶粉掺量对刚性防水材料抗折强度的影响。从图中可看出,在掺量 0~5%范围内,抗折强度随着可再分散乳胶粉掺量的增加而增大。

2.3 可再分散乳胶粉掺量对刚性防水材料涂层抗渗压力的影响

可再分散乳胶粉的加入可以有效提高刚性防水材料的防水性能,这显然是由于聚合物膜的存在,使用聚合物时较低的水灰比以及合理的孔结构等因素所致。图 3 是水灰比为0.45 时,可再分散乳胶粉掺量与刚性防水材料涂层抗渗压力的关系。从图中可看出,在掺量 0~5%范围内,涂层抗渗压力随着可再分散乳胶粉掺量的增加而增大。

2.4 可再分散乳胶粉掺量对建筑外墙用腻子粘结强度的影响

按表 2 配制建筑外墙用腻子,可再分散乳胶粉掺量分别为 0%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%,按粉∶水 =1∶0.35 制样,在(23±2)℃,(50±5)%的环境中养护 14d 后进行试验,拉伸速率为 5mm/min,试验结果如图 4 所示。

由图 4 可看出,未掺可再分散乳胶粉的腻子粘结强度仅为 0.20MPa。当掺量达到 1%时,粘结强度有了显著的提高,达到 0.50MPa。随着可再分散乳胶粉掺量的继续增加,腻子的粘结强度进一步提高,掺量达 1.5%时,粘结强度为 0.62MPa。当掺量从 1.5%上升到 2%时,粘结强度增加很快,达 0.81MPa,大大超过行业标准 0.60MPa 的技术要求。当掺量进一步增加,超过 2.5%时,粘结强度进一步上升,但趋势减缓。

2.5 可再分散乳胶粉掺量对建筑外墙用腻子动态抗开裂性的影响

近年来,建筑涂料在建筑物外墙的应用越来越广泛,但不少建筑物的涂料饰面经过一段时间使用后出现开裂、起皮甚至脱落的现象,严重影响建筑装饰工程质量。造成这些现象的原因很多,其中墙体基层处理所用建筑腻子质量是关键因素。腻子质量的优劣对涂膜的质量起决定性的因素。而对腻子质量起决定性因素的则是其核心添加剂 - 可再分散乳胶粉的质量和掺量。按表 2 配制建筑外墙用腻子,参照 JG/T157-2009 测试腻子动态抗开裂性,试验结果如图 5 所示。

从图 5 可看出,未掺可再分散乳胶粉时,腻子柔性很差,基本没有抗开裂能力;当掺量达到 0.5%时,腻子的抗开裂能力为 0.05mm,基本符合普通腻子抗开裂要求;当掺量达到1.0%时,腻子的抗开裂能力为 0.12mm,符合柔性腻子抗开裂要求;当掺量由 1%上升至 2%时,腻子抗开裂能力上升很快,由 0.12mm 上升至 0.36mm,符合弹性腻子动态抗开裂性要求。当掺量进一步增大时,腻子柔性继续增强,其动态抗开裂能力也进一步增强。可见,可再分散乳胶粉对于改善建筑腻子的柔性起到了决定性的作用。

2.6 可再分散乳胶粉掺量对建筑外墙用腻子吸水量的影响

由于可再分散乳胶粉的加入可以改变干混砂浆的孔结构,因此,可以减小干混砂浆的单位时间吸水量。按表 2 配制建筑外墙用腻子,参照 JG/T157-2009 测试吸水量,试验结果如图 6 所示。

由图 6 可看出,可再分散乳胶粉的掺入使腻子的吸水量得到明显的降低,特别是在 0~3%的掺量范围内。当掺量超过 3%后,吸水量变化很小。

3 可再分散乳胶粉作用机理分析

可再分散乳胶粉的加入可使干混砂浆的抗折强度、粘接力、抗渗性能得到显著的提高,这是因为聚合物以粉末的形式掺入到水泥基材料中,加水重新分散为乳液,且分散液的性能与初始乳液基本相同。在搅拌过程中聚合物颗粒均匀地分散到水泥浆体中。水泥一加水水化反应就开始,氢氧化钙溶液很快达到饱和并析出晶体,同时生成钙矾石晶体及水化硅酸钙凝胶体,乳液中的聚合物颗粒便沉积到凝胶体和未水化的水泥颗粒上。随着水化反应进行,水分不断消耗,水化产物增多,聚合物颗粒逐渐聚集在毛细孔中,并在凝胶体表面和未水化的水泥颗粒上形成紧密堆积层。这聚集的聚合物颗粒逐渐填充毛细孔并且覆盖着它们不能完全填充的毛细孔的内表面。由于水化或干燥使水分进一步减少,在凝胶体上和在孔隙中紧密堆积的聚合物颗粒便凝聚成连续的薄膜,形成与水化水泥浆体互穿基质的混合体,并且使水化产物之间及骨料相互胶接。

由于带有聚合物的水化产物在界面形成了覆盖层,可能影响了钙矾石和粗大氢氧化钙晶体的生长,也由于聚合物在界面过渡区孔隙中凝聚成膜,从而使聚合物水泥材料的过渡区更为致密,使其性能得以改善。一些聚合物分子中的活性基团可能与水泥水化产物中的 Ca2+Al3+ 等产生了交联反应,形成特殊的桥键作用[3],改善了水泥砂浆硬化体的物理组织结构,缓解了内应力,减少了微裂纹的产生,增强了聚合物水泥材料的致密性,从而改善了干混砂浆的诸如抗折强度、粘接力、抗渗性能等性能。这可以由干混砂浆断面的 SEM 图看出。图 7 是干混砂浆(水灰比均为 0.45)在(20±1)℃水中养护 7d 后断面的 SEM 图。

图 7 (a) 为未掺可再分散乳胶粉砂浆断面 SEM 图(150倍),图 7(b)为掺 2%可再分散乳胶粉砂浆断面 SEM 图(150倍)。两图比较可以清楚看出,掺 2%可再分散乳胶粉的砂浆中,聚合物与水化水泥浆体形成了互穿网状的混合体,这在图 7(C)(375 倍)中更为清楚地看出。

4 结论

(1) 可再分散乳胶粉作为刚性防水材料、建筑外墙用腻子等干混砂浆的核心添加剂,可显著提高其粘结力、抗渗性、柔韧性等物理力学性能。

(2)干混砂浆水灰比为 0.45 时,在可再分散乳胶粉 0~5%掺量范围内,干混砂浆抗折强度、粘结强度、抗渗性能、动态抗开裂性随着乳胶粉掺量的增加而增大。

(3)可再分散乳胶粉对干混砂浆改性作用来源于可再分散乳胶粉可均匀地分散在水泥体系中且聚合成膜,聚合物与水化水泥浆体形成了互穿网状的混合体,并且在各组分间起了特殊的桥键作用。

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