新型防滲抗裂砂漿的研制

(湖南大學土木工程學院， 湖南長沙410082)

0 引言

圖1 瓷磚掉落砸壞汽車Fig.1 Falling tiles smashed the car

建筑物外立面的裂縫降低了建筑物的質(zhì)量，嚴重影響建筑物的使用功能及外觀[1]。建筑外立面裝飾開裂會引起外墻漏水。建筑物外立面裝飾一般采用水泥砂漿粘貼瓷磚、普通砂漿或在外粉飾砂漿層上涂刷涂料等。用砂漿粘貼瓷磚可能會發(fā)生附著力不足，在負風壓作用下剝離脫落[2],嚴重危害人類的生命和財產(chǎn)安全(如圖1)。外墻涂料是有機材料，在使用過程中不可避免的受到自然大氣環(huán)境因素的作用而產(chǎn)生老化，引起開裂，導(dǎo)致其保護功能及外裝飾效果的喪失[3-4]。外裝飾砂漿是無機材料，不會出現(xiàn)老化等問題，而且施工方便，經(jīng)濟性好，但收縮大、抗裂性能差，易出現(xiàn)空鼓開裂[5]。在建筑結(jié)構(gòu)外立面裝飾中，砂漿收縮開裂在工程界一直沒有得到有效的解決，砂漿開裂導(dǎo)致的外墻滲水已經(jīng)嚴重影響人們的生活，防滲抗裂砂漿的研制可以很好的解決這個問題。目前減小砂漿開裂的措施[6-9]主要是減少水泥用量，單摻纖維、粉煤灰、減水劑中的某一種材料或者雙摻，這些方法起到了一定的效果，但是并不能滿足需求。本課題組在普通砂漿中加入LX-5添加劑(主要成分是膨脹劑、減水劑、纖維等)研究砂漿的收縮和抗?jié)B性能。

1 減小砂漿收縮的措施

BISSONNETTE等[10]研究發(fā)現(xiàn)，混凝土的水膠比越小，強度越高，彈性模量越大，徐變引起的應(yīng)力松弛越小，從而水泥和混凝土越容易開裂。以此類比，砂漿的水膠比太小，也容易開裂。

膨脹劑會發(fā)生體積膨脹，一定程度上補償砂漿的收縮[11],加入減水劑可以使用水量降低，增加流動性，水灰比和強度不變的情況下，可節(jié)約水泥[12-14]。纖維的摻入能明顯提高砂漿的抗?jié)B性能。纖維種類不同，對砂漿的改善程度也不同，其中抗?jié)B性能較好的是三葉形聚丙烯纖維[15-16]。因此在砂漿中按照一定的比例添加膨脹劑，纖維，粉煤灰可以減小砂漿的收縮。

2 收縮和抗?jié)B試驗研究

傳統(tǒng)的方法對于提高砂漿的抗裂性能的效果不明顯，在砂漿中摻入LX-5添加劑可以改善砂漿性能，減少砂漿的收縮，提高砂漿的抗裂能力。

2.1 試驗材料和設(shè)備

水泥：由長沙新星水泥廠生產(chǎn)的P.O 32.5普通硅酸鹽水泥。砂：使用普通河沙，細度模數(shù)3.0。LX-5添加劑：其主要成分是膨脹劑、減水劑、纖維等。收縮試模：上海祈色生產(chǎn)的40 mm40 mm160 mm。百分表：香港三豐百分表。SS-15型砂漿抗?jié)B儀：無錫市華南實驗儀器有限公司制造。砂漿抗?jié)B試模：上口口徑70 mm，下口口徑80 mm，高30 mm圓臺試模。

2.2 試驗方法

圖2 三聯(lián)模試件Fig.2 Joint test mold

試驗測定不同配合比和不同添加劑含量砂漿的收縮值，選出收縮率小的配合比，做抗?jié)B實驗。儀器使用方法及試驗步驟均按照標準JGJ/T 70—2009[17]:收縮測試選用40 mm40 mm160 mm 的棱柱體砂漿棒(圖2)，且在試模的兩個端面中心，各開一個直徑6.5 mm的孔洞，根據(jù)實驗需求按照不同的配合比制作成型。

試驗按以下步驟進行：

① 把收縮頭固定在處于收縮試模兩端的空洞中，收縮頭露出試件端面(8±1)mm；

② 將收縮試塊放置到溫度(20±2) ℃，相對濕度(60±5) %的測試室中，測定收縮試塊的初始長度，測定前，調(diào)整好收縮儀的百分表的原點，然后按測試方向測得收縮試塊的初始長度；

③測定砂漿試件初始長度后，置于溫度(20±2) ℃，相對濕度為(60±5) %的室內(nèi)，每天測定試件的長度，即為自然干燥后長度。

砂漿自然干燥收縮值應(yīng)按下式計算：

式中：εat為相應(yīng)td的自然干燥收縮值；

L0為試件成型后的長度即初始長度(mm)；

L為試件的長度160 mm；

Ld為兩個收縮頭埋入砂漿中長度之和，即(20±2)mm；

Lt為相應(yīng)td試件的實測長度(mm)。

2.3 試驗過程和結(jié)果

試驗編號A1、A3組采用水灰比0.4，灰砂比1∶3，試驗編號A2、A4組采用水灰比0.45，灰砂比1∶3，具體配合比見表1。

表1 試驗配合比Tab.1 Test mix ratio

試驗結(jié)果(見表2)顯示，水灰比較低時，收縮率大，因為砂用量低，單位立方米砂漿中水泥含量高，水泥漿收縮大導(dǎo)致砂漿收縮率高。摻加添加劑的砂漿收縮率減小但效果不明顯，收縮率仍比較大。

表2 收縮率Tab.2 Shrinkage rate

后續(xù)試驗加大砂用量，改變添加劑含量，尋找最優(yōu)的配合比。試拌過程中，增大了砂子用量，為了保證和易性，水灰比也相應(yīng)地增加。試驗編號A5-A11，配合比見表1。

試驗結(jié)果(見圖3)表明，砂漿的收縮明顯減小。因為單方砂用量增多，砂不會產(chǎn)生收縮，水泥用量減少, 水泥凝縮減少。砂漿的收縮隨添加劑LX-5含量的增加先減小后增加，在12 %時砂漿收縮率最低。

在以上試驗的結(jié)果的基礎(chǔ)上研究灰砂比和添加劑含量不變情況下，水灰比對砂漿收縮性能的影響，試驗編號A12～A18, 具體配合比見表1。

試驗結(jié)果(見圖4)表明每立方米砂漿中水的質(zhì)量在140～260 kg范圍內(nèi)時，砂漿的收縮隨水灰比的減小先減小后增加，每立方米砂漿中水的質(zhì)量在200～220 kg范圍內(nèi)收縮率最低，繼續(xù)降低水灰比，砂漿的收縮率增大。原因可能是水灰比減小使砂漿中總的用水量減小，自干燥現(xiàn)象將會提前發(fā)生，同時水灰比較低會引起砂漿中的空隙細化，密實度增強，導(dǎo)致其內(nèi)部毛細管張力增加，從而引起砂漿的收縮增大。

圖3 LX-5摻量對砂漿收縮的影響
Fig.3 Influence of LX-5 content onthe shrinkage of mortar

圖4 水灰比對砂漿收縮的影響
Fig.4 Influence of water cement ratio onshrinkage of mortar

2.4 抗?jié)B壓強測定

圖5 砂漿抗?jié)B試驗Fig.5 Mortar impermeability test

儀器使用方法按照標準JGJ/T 70—2009:將抗?jié)B儀的水箱注滿蒸餾水，用月牙扳手將抗?jié)B試件固定在抗?jié)B儀上(如圖5所示)，試驗時，從0.2 MPa開始加壓，恒壓2 h后增至0.3 MPa，以后每隔1 h增加0.1 MPa，直至6個試件中有3個有水珠滲出則停止試驗，并記錄壓強數(shù)值和時間。此外，如果在上述實驗過程中發(fā)現(xiàn)時間密封差，有漏水現(xiàn)象，則終止實驗，干燥試塊，重新密封。砂漿抗?jié)B壓強值是6個試塊中4個未出現(xiàn)漏水時的值，結(jié)果按下式得出：

P=10H-1，

式中：P為砂漿抗?jié)B等級，H為6個試件中3個滲水時的水壓力。試驗分為4組，試驗編號分別為B1、B2、B3、B4, 試驗編號B2、B3、B4設(shè)計為不同厚度的砂漿試塊，尋找滿足工程實際需求的最經(jīng)濟厚度。具體配合比及厚度見表3。

表3 試塊配合比及厚度Tab.3 Test mix ratio and thickness

通過試驗可知，普通砂漿的抗?jié)B等級為P4(見表4),加入LX-5添加劑可以明顯提高砂漿的抗?jié)B等級。在實際工程中，房屋的外墻粉刷層厚度在30 mm之上，此防滲抗裂砂漿滿足抗?jié)B性能的要求。

表4 3個試塊出現(xiàn)滲水現(xiàn)象及抗?jié)B等級Tab.4 Three test blocks leakage time and impermeability grade

添加LX-5添加劑，采用較大砂用量的防滲抗裂砂漿收縮明顯減少，抗?jié)B性能增強，其原因是：

① 防滲抗裂砂漿中的LX-5添加劑按照一定比例的加入。其中纖維直徑小，摻加的根數(shù)很多，這些纖維可以有效的分布在砂漿內(nèi)，強度高，性能穩(wěn)定。纖維不會與砂漿產(chǎn)生化學反應(yīng)，當砂漿發(fā)生收縮時，均勻分布的纖維可以承受一定的拉應(yīng)力，從而可以有效的減少裂縫的產(chǎn)生、抑制裂縫的發(fā)展。由于砂漿的不確定性，砂漿仍有可能產(chǎn)生一定的裂縫，因為纖維數(shù)量較多，總會有一定量的纖維分布在裂縫處，提高砂漿的抗裂及抗?jié)B性能；膨脹劑在硬化后會生成一定量膨脹物質(zhì)，這部分膨脹可以有效的減小砂漿因收縮引起的體積變化，膨脹劑可以減少砂漿在硬化時因自由水分的蒸發(fā)而導(dǎo)致的毛細通道，增加砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實度；減水劑與硅粉可以在保持砂漿和易性下，減少水的用量，從而減少砂漿孔隙及毛細通道，降低砂漿的收縮率，提高砂漿的抗?jié)B等級。

② 砂漿的收縮是由于水泥漿的收縮引起的，砂本身不會產(chǎn)生收縮。所以減小水泥漿可以有效減少砂漿的收縮。

3 外墻模擬試驗

為了進一步驗證本研究研制的新型防滲抗裂砂漿的抗裂防滲效果，研究通過風機鼓風和鋼管中滴落的水珠模擬室外風雨交加的天氣，以測試新型防滲抗裂砂漿作為外裝飾層的抗裂防滲能力。試驗墻體(如圖6所示)分為四個區(qū)域，編號為C1、C2、C3、C4(表5),墻體詳圖見圖7。

經(jīng)風速儀測定，風機鼓風吹到墻面風速為17.0 m/s(七級風速：13.9～17.2 m/s)。墻體上部放置鋼管(鉆孔直徑為2 mm間距50 mm)，鋼管連接自來水管。試驗結(jié)果(見表6)表明摻加LX-5添加劑的防滲抗裂砂漿抗?jié)B及抗裂性能明顯優(yōu)于普通砂漿。

圖6 試驗墻體Fig.6 Test wall

圖7 墻體詳圖Fig.7 Detail of the wall

表5 墻體區(qū)域布置說明Tab.5 Description of wall area layout

表6 試驗時間及結(jié)果Tab.6 Test time and results

4 實際工程外墻試驗

將復(fù)合砂漿與鋼筋網(wǎng)相結(jié)合形成高性能無機防滲抗裂砂漿鋼筋網(wǎng)薄層。鋼筋網(wǎng)通過剪切銷釘固定在結(jié)構(gòu)物上，鋼筋網(wǎng)可以提高復(fù)合砂漿的抗裂性，復(fù)合砂漿起到保護鋼筋網(wǎng)的作用[18-19]。

將試驗結(jié)果用于工程實際，檢驗大面積防滲抗裂砂漿裝飾是否會產(chǎn)生肉眼可見的裂縫。試驗墻體位于湖南省長沙市某小區(qū)外墻體，墻體尺寸見圖8，防滲抗裂砂漿采用試驗編號A15配合比，施工詳圖見圖9，外墻試驗見圖10。試驗步驟：清潔墻面—植剪切銷釘—綁扎安裝鋼絲網(wǎng)—涂抹防滲抗裂砂漿—涂抹表面膩子面層—養(yǎng)護。

試驗結(jié)果表明，防滲抗裂砂漿外粉飾層無肉眼可見裂縫,見圖10(d)。

圖8 墻體尺寸Fig.8 Wall size

圖9 施工詳圖Fig.9 Detail of construction

(a) 綁扎安裝鋼筋網(wǎng)

(b) 涂抹防滲抗裂砂漿

(c) 抹表層膩子面層

(d) 完工后

5 結(jié)論

本文通過添加LX-5添加劑制備新型防滲抗裂砂漿，并通過實驗室試驗、模擬試驗、工程實踐驗證新型防滲抗裂砂漿的抗裂和抗?jié)B性能，得出以下結(jié)論：

① 與普通砂漿相比，加入12 %LX-5添加劑的防滲抗裂砂漿收縮率降低72.4 %，抗裂能力顯著提高。

② 添加劑的含量影響防滲抗裂砂漿的收縮，12 %左右的含量為最適宜含量，此時抗?jié)B能力也滿足要求。