加氣混凝土砌塊界面劑性能的影響因素及其機(jī)理研究

呂官記，季 韜

(1. 福建商學(xué)院， 福建 福州 350012； 2. 福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350116)

加氣混凝土砌塊主要是以磨細(xì)的硅質(zhì)材料(石英砂、粉煤灰、尾礦灰、頁巖等)、鈣質(zhì)材料(水泥、石灰等)、發(fā)氣劑(鋁粉)等工業(yè)廢料和生活垃圾為主要原料，經(jīng)過攪拌、澆注、發(fā)泡、切割與高壓蒸養(yǎng)制成，常作為工業(yè)建筑的墻體及保溫隔熱材料．由于其具有質(zhì)輕、保溫、加工砌筑方便及性價比優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，因此在我國常以其取代粘土磚，被廣泛應(yīng)用于建筑墻體中．但加氣混凝土砌塊的吸水性較強(qiáng)，其飾面層容易發(fā)生開裂、空鼓或脫落的現(xiàn)象，針對這些現(xiàn)象，國內(nèi)外許多科技人員根據(jù)加氣混凝土砌塊材料的特性，研究了許多改善加氣混凝土砌塊墻體界面的方法和配套材料，取得了一定的進(jìn)展[1]．上世紀(jì)50年代，聚合物就開始應(yīng)用于改性水泥基材料．例如：Shaker等[2]采用SBR(丁苯乳液)改性混凝土，研究了其在耐久性方面的改善效果；Vinckea等[3]采用幾種不同的聚合物乳液來改性水泥混凝土，發(fā)現(xiàn)SAE(苯丙乳液)能有效提高水泥混凝土的耐腐蝕性，但EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)和SBR(丁苯乳液)的摻入，對水泥混凝土耐腐蝕性的影響卻較小；Gorninski等[4]將不飽和聚酯樹脂摻入水泥混凝土并研究了其對性能的影響，結(jié)果表明不飽和聚酯樹脂可以提高水泥混凝土的彈性模量，且經(jīng)改性后的混凝土在粘土磚與濕混凝土表面都具有良好的粘結(jié)性；鄭大鋒等[5]研究了在木質(zhì)素基兩親聚合物 GCL1-J 添加前后新拌砂漿和硬化砂漿的性能變化，研究結(jié)果與空白基準(zhǔn)試樣相比，GCL1-J 摻量為 0.3%時，砂漿含水率降低 3.1%，保水率增加 6.9%，28 天的抗壓強(qiáng)度增長 157%，抗?jié)B強(qiáng)度增長 241%；陳維燈等[6]研究了丁苯乳液和超高分子質(zhì)量的聚乙烯(UHMW—PE)纖維對砂漿抗彎性能的影響，結(jié)果表明，在僅摻入丁苯乳液時，聚合物改性砂漿的初裂應(yīng)力和抗折強(qiáng)度隨著聚灰比的增加而呈先提高后降低的趨勢；陳凌燕等[7]研究了聚偏氟乙烯乳液對水泥砂漿改性的影響，結(jié)果表明改性后的砂漿具有減水和保水作用，同時砂漿的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度和抗氯離子滲透的能力得到了提高；黃展魏等[8]研究了在不同聚灰比下，水性環(huán)氧樹脂對水泥砂漿水化和強(qiáng)度的影響，研究表明水性環(huán)氧樹脂的加入會降低水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)聚灰比在2%的范圍以內(nèi)時，水性環(huán)氧樹脂可以提高水泥砂漿的抗折強(qiáng)度．盡管如此，界面劑改性所采用的聚合物多為一元或二元聚合物，改性后的界面劑仍然不能完全解決目前存在的問題．

比利時Polytechnisch Bedrijf Bvba/Sprl生產(chǎn)了一種三元共聚物(以下簡稱PTB乳液)，將其摻入砂漿后，砂漿具有了高效的防水性、耐腐性、粘結(jié)性、柔韌性以及工作性．例如：季韜[9]在試驗的基礎(chǔ)上研究了PTB乳液改性普通水泥砂漿后的防水性、防腐性、粘結(jié)性以及柔韌性，發(fā)現(xiàn)摻入PTB乳液后這些性能均能明顯提高，經(jīng)改性后的水泥砂漿具有多功能性；鄢飛[10]研究了PTB乳液在無機(jī)植筋膠中的應(yīng)用，取得了良好的效果；盧舒舒等[11]以316國道竹岐隧道工程的滲漏水為例，研究了PTB乳液在隧道工程中的應(yīng)用．目前，針對加氣混凝土砌塊界面劑性能影響因素和機(jī)理分析的研究較少，尤其是將三元聚合物應(yīng)用于界面劑的研究還未見報道．為此，本文引入PTB乳液，研究了聚灰比、水膠比和減水劑摻量對加氣混凝土砌塊聚合物改性界面劑性能(保水性、粘結(jié)強(qiáng)度、抗?jié)B能力)的影響，同時，利用試驗儀器研究了其宏觀性能和微觀形貌，隨后進(jìn)行了方差分析、極差分析以及機(jī)理探討．

1 原材料

聚合物為PTB乳液，是比利時精細(xì)化工工業(yè)(控股)有限公司生產(chǎn)的一種水泥基材料多功能增強(qiáng)劑，可將其作為一種添加劑摻入到水泥基材料中，從而使水泥基材料具有高效的防水性、耐腐性、粘結(jié)性、柔韌性以及工作性，PTB乳液的技術(shù)參數(shù)見表1．

表1 PTB乳液的技術(shù)參數(shù)

水泥為普通硅酸鹽水泥，來自福建煉石水泥有限公司(P.O 42.5)，比表面積為361 m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27.2%；減水劑為萘系高效減水劑(化學(xué)名稱為萘磺酸鹽甲醛縮合物)，來自福州四方化工有限公司，減水率為20.3%；纖維素醚為羥丙基甲基纖維素(簡稱HPMC)，來自福州四方化工有限公司，技術(shù)參數(shù)見表2．

表2 羥丙基甲基纖維素的技術(shù)參數(shù)

粉煤灰為F類Ⅱ級灰，來自長樂華能電廠，細(xì)度(45 μm方孔篩篩余)為23%，根據(jù)GB/T1596—2017[12]測得其需水量比為103%；砂的細(xì)度模數(shù)為2.0，閩江河砂．

2 試驗配合比

根據(jù)已有試配經(jīng)驗及界面劑的工作性，試配聚灰比、水灰比和減水劑用量，三個因素的水平見表3，正交試驗配合比見表4，其中(10)組為基準(zhǔn)試驗組．為節(jié)約成本和從環(huán)?？紤]，采用等量取代法，用粉煤灰取代20%的水泥；砂與膠凝材料之比為1∶1；纖維素醚的摻量為水泥用量的0.2%．

表3 參數(shù)水平表

表4 正交試驗配合比

3 試件制備及試驗方法

3.1 保水性測試方法根據(jù)JC/T907—2018《混凝土界面處理劑》[13]標(biāo)準(zhǔn)制定保水性的測試方法—濾紙法，它借鑒了法國企業(yè)中測定保水性的方法．保水性試驗示意圖見圖1，試驗結(jié)果的計算方法見公式(1)．

T=4×D/(D1+D2+D3+D4)×100%，

(1)

式中：T—保水性，精確至0.1%;D—試模的內(nèi)徑(mm)；D1、D2、D3、D4—各組水分在濾紙上的擴(kuò)散直徑(mm)

3.2 剪切粘結(jié)強(qiáng)度的測試方法采用符合GB/T4100—2006《陶瓷磚》[14]要求的陶制無釉磚，尺寸為108 mm×108 mm，至少6 mm厚，表面平整．取兩塊試驗用瓷磚，在每塊瓷磚的正面，距磚邊10 mm處劃一條與磚邊平行的參照線，將拌和好的界面劑分別均勻地涂抹在兩塊瓷磚的正面(應(yīng)保證界面劑完全覆蓋)，然后按劃好的參照線，將兩塊瓷磚粘貼并壓合在一起，同時確保兩塊瓷磚錯開10 mm，接著，刮去邊上多余的界面劑．將粘合好的試件水平放置，在試件上加(7 000±15)g的重物，保持3 min．在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下分別養(yǎng)護(hù)7 d和14 d，每一齡期的剪切粘結(jié)強(qiáng)度至少各制備10個試件．加工所用的剪切試驗夾具的示意圖見圖2，最后采用液壓式萬能試驗機(jī)(濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司生產(chǎn)，型號WE-100)測試剪切粘結(jié)強(qiáng)度．

圖1 保水性試驗示意圖圖2 剪切試驗夾具

3.3 防水性測試方法按照J(rèn)C/T 984—2011《聚合物水泥防水砂漿》[15]的規(guī)定，用上口直徑70 mm，下口直徑80 mm，高30 mm的截頭圓錐帶底金屬試模成型基準(zhǔn)和受檢試件，采用振動頻率為(50±3)Hz和空載時振幅約為0.5 mm的混凝土振動臺進(jìn)行搗實，振動時間為15 s；同時采用恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱(無錫中科實驗儀器有限公司生產(chǎn)，型號HBY40B)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并用砂漿滲透儀(上海榮計達(dá)實驗儀器有限公司生產(chǎn)，型號SS-15)來測試防水性能．

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 試驗結(jié)果根據(jù)前述正交試驗配合比及試驗方法，對各組界面劑的稠度、密度、保水性、剪切粘結(jié)強(qiáng)度和7 d抗?jié)B壓力進(jìn)行試驗，結(jié)果見表5．

表5 正交試驗測試結(jié)果

(2)組與基準(zhǔn)組比較，摻入聚灰比為2%的PTB乳液后，保水性提高了13.4%，7 d和14 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度分別均提高了0.3 MPa，7d的抗?jié)B壓力提高了0.2 MPa．圖3是界面劑保水性隨三個因素的變化曲線，由圖3可看出，界面劑的保水性隨聚灰比的增大而增大；隨水膠比的增大而逐漸減??；隨減水劑用量的增加而減小．

圖4為7 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度隨三個因素的變化曲線．當(dāng)聚灰比小于3%時，7 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度隨聚灰比的增加增長較快；當(dāng)聚灰比大于3%后，7 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度隨聚灰比的增加而增長緩慢．7 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度在水膠比為0.5時，達(dá)到峰值；水膠比小于0.5時，7 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度隨水膠比的增大而增大；當(dāng)水膠比大于0.5時，7 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度隨水膠比的增大而減?。?dāng)減水劑用量小于0.3%時，7 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度基本不變；當(dāng)減水劑用量大于0.3%時，7 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度隨減水劑用量的增大而增大．

圖4 7 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度—因素關(guān)系圖

圖5為14 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度隨三個因素的變化曲線．14 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度隨聚灰比的增大而增大．14 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度在水膠比為0.5時達(dá)到峰值；當(dāng)水膠比小于0.5時，14 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度隨水膠比的增大而不斷增大；當(dāng)水膠比大于0.5時，14 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度隨水膠比的增大而減小．當(dāng)減水劑用量為0.3%時，14 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度最??；當(dāng)減水劑用量小于0.3%時，14 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度隨減水劑用量的增大而減??；當(dāng)減水劑用量大于0.3%時，14 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度隨減水劑用量的增大而增大．

圖5 14 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度—因素關(guān)系圖

圖6為7 d的抗?jié)B壓力隨三個因素的變化曲線．7 d的抗?jié)B壓力隨聚灰比的增大而增大．當(dāng)水膠比小于0.5時，7 d的抗?jié)B壓力基本不變；當(dāng)水膠比大于0.5時，7 d的抗?jié)B壓力隨水膠比的增大而緩慢增長．當(dāng)減水劑的用量為0.3%時，7 d的抗?jié)B壓力最?。划?dāng)減水劑用量小于0.3%時，7 d的抗?jié)B壓力隨減水劑用量的增大而減?。划?dāng)減水劑用量大于0.3%時，7 d的抗?jié)B壓力隨減水劑用量的增大而增大．

圖6 7 d的抗?jié)B壓力—因素關(guān)系圖

4.2 方差分析表6—9分別是三個因素(聚灰比、水膠比和減水劑用量)對聚合物水泥砂漿保水性、7 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度、14 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度及7 d的抗?jié)B壓力影響的方差分析．F值越大，代表某因素對聚合物砂漿性能的影響越大；當(dāng)F值≥F臨界值時，此因素對聚合物砂漿性能具有顯著性影響．經(jīng)過方差分析，在聚合物砂漿性能的測試中，三個因素均不具有顯著性影響；但是在表6中，聚灰比因素的F值最大，表明聚灰比對聚合物砂漿的保水性影響較大；同樣，在表7—9中，聚灰比的F值也最大，所以聚灰比對聚合物砂漿的剪切粘結(jié)強(qiáng)度及7 d的抗?jié)B壓力影響也較大．

表6 保水性的方差分析

表7 7 d剪切粘結(jié)強(qiáng)度的方差分析

表8 14 d剪切粘結(jié)強(qiáng)度的方差分析

表9 7 d抗?jié)B壓力的方差分析

4.3 極差分析表10—13分別是三個因素(聚灰比、水膠比和減水劑用量)對聚合物水泥砂漿保水性、7 d剪切粘結(jié)強(qiáng)度、14 d剪切粘結(jié)強(qiáng)度及7 d抗?jié)B壓力的極差分析．極差越大，代表此因素對界面劑性能影響的重要程度越大，由表10可知，聚灰比的極差最大，水膠比次之，減水劑用量最小，所以三因素對界面劑保水性的影響程度排序為：聚灰比>水膠比>減水劑用量．表11—12中，三因素對7 d、14 d剪切粘結(jié)強(qiáng)度的影響程度排序也為：聚灰比>水膠比>減水劑用量．表13中，三因素對7 d抗?jié)B壓力的影響程度排序為：聚灰比>減水劑用量>水膠比．

表10 保水性極差分析

表11 7 d剪切粘結(jié)強(qiáng)度的極差分析

表12 14 d剪切粘結(jié)強(qiáng)度的極差分析

表13 7 d抗?jié)B壓力的極差分析

5 PTB乳液改性后的微觀結(jié)構(gòu)分析

為了研究PTB乳液摻入的作用，將單獨(dú)摻入PTB乳液的砂漿與普通砂漿進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)對比試驗．試驗采用環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)，型號為XL30，由荷蘭FEI公司生產(chǎn)．將普通砂漿與PTB乳液改性砂漿進(jìn)行對比試驗，配合比見表14．

表14 普通砂漿與PTB乳液改性砂漿微觀掃描試驗配合比

圖7—8分別為A0、A1組砂漿在養(yǎng)護(hù)3 d和28 d后的微觀掃描形貌圖．由圖7(a)、(b)中可以看出，砂漿水化生成的薄片或纖維狀的C-S-H凝膠體之間以棒條形或針狀的晶體-鈣礬石相連，未水化的水泥顆粒仍然以顆粒存在，且未水化的水泥顆粒明顯多于圖7(c)、(d)中未水化的水泥顆粒，水化產(chǎn)物在這些未水化的水泥顆粒及砂表面“生長”，纖維狀的C-S-H 凝膠體和鈣礬石的針狀晶體相互交聯(lián)，形成間斷的、孔隙較大的骨架網(wǎng)狀體系．

圖7 A0組微觀結(jié)構(gòu)形貌

圖8 A1組微觀結(jié)構(gòu)形貌

由圖8(a)、(b)可以看出，摻入PTB乳液的砂漿雖然同樣只養(yǎng)護(hù)了3 d，但卻很難看到單獨(dú)存在的未水化的水泥顆粒物，這主要是由于PTB乳液成膜后在表面將水化產(chǎn)物和未水化水泥顆粒進(jìn)行了包裹，形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，相比圖7，其大孔隙明顯減少．養(yǎng)護(hù)28 d后由圖8(c)、(d)可以看出，水化程度進(jìn)一步加強(qiáng)，大直徑孔隙進(jìn)一步減少，PTB乳液流入微小封閉孔隙的量大量增加，相互連通且直徑均勻，這些孔隙既可以阻止內(nèi)部水分被加氣混凝土砌塊吸收，又可以阻止外部水分的侵入，可以有效地避免墻體被雨水的侵蝕．PTB乳液為氯乙烯、乙烯、乙烯酯組成的三元共聚物，三元共聚物不僅具有其各單體的優(yōu)點(diǎn)，而且聚合后具有較低的成膜溫度，形成的膜具有優(yōu)良的耐候性、耐磨性、阻燃性以及與多種材料(如纖維、木材、塑料、水泥、磚石等)有良好的粘結(jié)性[16]．水泥基體(水化產(chǎn)物)和PTB乳液共同連接水化產(chǎn)物和未水化水泥顆粒后，形成了不完全連續(xù)的空間骨架-基體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體系，且此網(wǎng)狀體系具有比一元或二元共聚物更好的物理力學(xué)性能．結(jié)構(gòu)致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以增多界面劑與加氣混凝土砌塊墻體的著力點(diǎn)，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的彈性模量遠(yuǎn)低于水泥石的彈性模量，且鍵能大延性好，使界面劑整體具有較大的變形能力，不會出現(xiàn)內(nèi)部的空鼓和裂縫，如此就增強(qiáng)了界面劑的粘結(jié)強(qiáng)度．

可以把凝結(jié)—硬化—養(yǎng)護(hù)后的聚合物水泥砂漿體認(rèn)為是二相復(fù)合材料，水泥石和聚合物可以被分別認(rèn)為是基體相m和粒子相p，復(fù)合后的界面劑的彈性模量由并聯(lián)模型[17]，可以由公式(2)確定．由于Em遠(yuǎn)大于Ep，且Vc≈Vp+Vm，所以最終Ec

Ec=(Vp·Ep+Vm·Em)/Vc，

(2)

其中，Vp—粒子相的體積；Ep—粒子相的彈性模量；Vm—基體相的體積；Em—基體相的彈性模量；Vc—復(fù)合后的體積；Ec—復(fù)合后的彈性模量．

6 結(jié) 論

本研究利用試驗儀器對界面劑的宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試，同時結(jié)合理論分析和研究了加氣混凝土砌塊界面劑的影響因素．研究表明：①聚灰比是影響界面劑保水性、粘結(jié)強(qiáng)度和抗?jié)B能力的最重要因素；②其他因素不變時，界面劑的保水性、7 d及14 d的剪切粘結(jié)強(qiáng)度、7 d的抗?jié)B壓力均隨聚灰比的增大而增大；③摻入三元共聚物PTB乳液后，砂漿內(nèi)部產(chǎn)生了大量的微孔，形成了不完全連續(xù)的空間骨架-基體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體系，此體系具有更優(yōu)異的物理力學(xué)性能，它提高了界面劑的保水性、粘結(jié)強(qiáng)度和抗?jié)B能力．該研究結(jié)果可為提高加氣混凝土砌塊界面劑的性能提供理論參考．

因受試驗設(shè)備的限制，本研究在試驗中未能進(jìn)行界面劑抗凍融性能的試驗，且尚未能進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度損傷影響等方面的研究，為此，今后應(yīng)對此進(jìn)行進(jìn)一步的研究．