可再分散乳膠粉對(duì)干混砂漿性能的影響

侯云芬，張 瑩，黃天勇

(1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院， 北京 100044； 2.固廢資源化利用與節(jié)能建材國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100041)

水泥砂漿存在易泌水、脆性大、易開(kāi)裂等問(wèn)題，應(yīng)用于實(shí)際工程中有局限性?？稍俜稚⑷槟z粉是聚合物乳液經(jīng)過(guò)特殊處理、噴霧干燥后，得到“殼- 核”結(jié)構(gòu)的聚合物顆粒[1]，溶于水后形成穩(wěn)定的分散體系，與乳液性能相似[2]。在水泥砂漿中摻入可再分散乳膠粉可以改善砂漿的不足，例如：改善稠度和保水性，提高強(qiáng)度和黏結(jié)性等性能，并且節(jié)約膠凝材料，保證工程質(zhì)量，因此被廣泛應(yīng)用于水泥砂漿工程領(lǐng)域。

付廷波[3]通過(guò)研究不同摻量醋酸乙烯酯與乙烯共聚膠粉對(duì)砂漿和易性的影響，發(fā)現(xiàn)摻入膠粉后砂漿稠度增大，摻量增加后稠度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。李文杰等[4]改變可再分散乳膠粉摻量對(duì)高強(qiáng)自流平砂漿流動(dòng)度和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著乳膠粉摻量的增加，自流平砂漿的流動(dòng)度逐漸減小。王紅霞等[5]研究發(fā)現(xiàn)可再分散乳膠粉可以增加砂漿的保水率?？稍俜稚⑷槟z粉降低砂漿的抗壓強(qiáng)度[6]，但有研究表明可以提高砂漿抗折強(qiáng)度[7]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，叔碳酸乙烯酯/醋酸乙烯酯乳液對(duì)水泥砂漿的水化有一定的阻礙作用，乳液可提高水泥砂漿的致密度，導(dǎo)致水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度提高[8]。乳化瀝青粉是乳化瀝青經(jīng)噴霧干燥處理制得的一種粉體材料?？紫槊鞯萚9]研究了乳化瀝青摻量對(duì)水泥漿體流動(dòng)性能及水化熱的影響，結(jié)果表明乳化瀝青可以延緩水泥的水化過(guò)程，從而提高漿體的流動(dòng)性；但隨著乳化瀝青摻量的增加，水泥水化誘導(dǎo)期延長(zhǎng)，漿體的流動(dòng)性先增大后逐漸降低。YANG等[10]研究了乳化瀝青對(duì)水泥水化進(jìn)程的影響，結(jié)果表明乳化瀝青摻量增加，水泥水化誘導(dǎo)期延長(zhǎng)，抑制水化產(chǎn)物的形成，即乳化瀝青延緩水泥的水化進(jìn)程。

上述已有研究成果表明，可再分散乳膠粉可改善砂漿流動(dòng)度及保水性、降低抗壓強(qiáng)度等，但均為不同摻量乳膠粉對(duì)特種砂漿的工作性能及力學(xué)性能的研究，對(duì)于可再分散乳膠粉單獨(dú)作用于砂漿中的性能影響以及不同種類(lèi)乳膠粉對(duì)砂漿作用的差異尚不明確。基于上述分析，試驗(yàn)采用不同摻量及不同種類(lèi)的可再分散乳膠粉比較其對(duì)水泥砂漿的流動(dòng)性、保水性等工作性能及抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響，同時(shí)通過(guò)水化放熱速率、X-射線衍射等手段分析可再分散乳膠粉對(duì)水泥水化進(jìn)程和水化產(chǎn)物的影響，從而討論其對(duì)砂漿性能影響的作用機(jī)理。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)選用強(qiáng)度等級(jí)為42.5基準(zhǔn)水泥，化學(xué)成分見(jiàn)表1，物理力學(xué)性能見(jiàn)表2。試驗(yàn)用砂為粒度0.5～1.0 mm的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。試驗(yàn)用可再分散乳膠粉分別為乙烯- 醋酸乙烯酯(EVA)、可再分散瀝青粉末(EAP)、叔碳膠粉(TCP)。

表1 基準(zhǔn)水泥的化學(xué)成分Tab.1 Chemical component of reference cement %

表2 基準(zhǔn)水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)Tab.2 Physical-mechanical properties index of reference cement

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)水灰比為0.53，灰砂比為1∶3，可再分散乳膠粉摻量為0～8%(以水泥質(zhì)量計(jì))。砂漿流動(dòng)性按照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)試，保水率參照J(rèn)GJ /T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試?？箟汉涂拐蹚?qiáng)度試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理依據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(IOS法)》，分別測(cè)量7 d和28 d的試塊強(qiáng)度。X-射線衍射分析所用樣品的制備方法為：試樣養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期取出，將其敲碎至2～5 mm，放入無(wú)水乙醇中浸泡48 h。取出后，50 ℃烘干并磨細(xì)至小于75 μm，過(guò)200目篩孔。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)砂漿工作性的影響

砂漿工作性包括流動(dòng)性和保水性，流動(dòng)性的指標(biāo)為流動(dòng)度，保水性的指標(biāo)為保水率?；鶞?zhǔn)砂漿的流動(dòng)度為165 mm，保水率為90.62%。

如圖1所示，不同品種和摻量的可再分散乳膠粉都能顯著提高砂漿流動(dòng)度，提高幅度為40%～54%。但是比較發(fā)現(xiàn)，不同品種乳膠粉摻量對(duì)砂漿流動(dòng)度的影響有差異，其中EVA摻量對(duì)砂漿的流動(dòng)度影響最小，其流動(dòng)度基本保持在235～240 mm；TCP摻量的增加使得砂漿的流動(dòng)度基本呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，范圍在235～260 mm；EAP摻量增加使砂漿的流動(dòng)度出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，并且在摻量為7%時(shí)流動(dòng)度最大。

圖1 可再分散乳膠粉對(duì)砂漿流動(dòng)度的影響Fig.1 Effect of redispersible latex powder on fluidity of mortar

3種乳膠粉對(duì)砂漿保水率的影響見(jiàn)表3，數(shù)據(jù)表明，摻加乳膠粉后，砂漿的保水率提高，提高幅度為5%左右。保水率隨乳膠粉摻量的增加呈現(xiàn)微小波動(dòng)。比較發(fā)現(xiàn)，EVA對(duì)保水率的提高程度最大，EAP對(duì)保水率提高程度最小。

表3 可再分散乳膠粉對(duì)砂漿保水率的影響Tab.3 Effect of redispersible latex powder on water-retention rate of mortar

2.2 對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

基準(zhǔn)砂漿的7 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為4.5 MPa和22.2 MPa，28 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為6.2 MPa和32.2 MPa。圖2、圖3為可再分散乳膠粉對(duì)砂漿7 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，摻入3種乳膠粉后，砂漿7 d強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)砂漿強(qiáng)度。如圖2所示，隨著3種乳膠粉摻量的增加，砂漿抗折強(qiáng)度持續(xù)降低。摻入8% EAP的砂漿強(qiáng)度僅為EAP 5%摻量的85%，摻入EVA和TCP的砂漿隨摻量變化抗折強(qiáng)度波動(dòng)較小。如圖3所示，3種乳膠粉摻量的增加，砂漿抗折強(qiáng)度持續(xù)降低。EVA摻量的變化對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響不大，但是EVA膠粉試驗(yàn)組相比基準(zhǔn)組的抗壓強(qiáng)度降低了至少64%；TCP摻量對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響最小；EAP對(duì)于砂漿抗壓強(qiáng)度的影響最大，其抗壓強(qiáng)度隨摻量的增大而下降，在摻量為8%時(shí)的強(qiáng)度最小，相比基準(zhǔn)組的抗壓強(qiáng)度降低79%。

圖2 可再分散乳膠粉對(duì)砂漿7 d抗折強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of redispersible latex powder on the flexural strength of mortar for 7 d

圖3 可再分散乳膠粉對(duì)砂漿7 d抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of redispersible latex powder on the compressive strength of mortar for 7 d

圖4和圖5分別為可再分散乳膠粉對(duì)砂漿28 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響。可以發(fā)現(xiàn)，摻入3種乳膠粉后，砂漿28 d強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)砂漿強(qiáng)度。由圖4可見(jiàn)，摻加 EVA 的砂漿隨摻量增大抗折強(qiáng)度降低最多，其他2組的抗折強(qiáng)度隨摻量變化的影響不大。相同摻量時(shí)，EAP對(duì)砂漿抗折強(qiáng)度降低作用最明顯，其次為T(mén)CP。由圖5可見(jiàn)，EVA 摻量的增高使得砂漿的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)先下降后平穩(wěn)的趨勢(shì)，在摻量為5%時(shí)抗壓強(qiáng)度相比基準(zhǔn)組抗壓強(qiáng)度降低55%；當(dāng)TCP摻量為8%時(shí)抗壓強(qiáng)度最小，為5.7 MPa，比基準(zhǔn)組降低82%，對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度影響最大；摻入EAP的砂漿抗壓強(qiáng)度變化曲線較平穩(wěn)，降低74%的抗壓強(qiáng)度。

圖4 可再分散乳膠粉對(duì)砂漿28 d抗折強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of redispersible latex powder on the flexural strength of mortar for 28 d

圖5 可再分散乳膠粉對(duì)砂漿28 d抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of redispersible latex powder on the compressive strength of mortar for 28 d

壓折比可用來(lái)表示砂漿的柔韌性，砂漿的壓折比越小，砂漿的柔韌性就越大，脆性越小，砂漿不易開(kāi)裂?；鶞?zhǔn)砂漿7 d、28 d強(qiáng)度的壓折比分別為4.9和5.2，隨著齡期的增長(zhǎng)砂漿壓折比提高，脆性增大?？稍俜稚⑷槟z粉對(duì)砂漿7 d的壓折比影響(圖6)結(jié)果說(shuō)明，隨著3種乳膠粉摻量的增加，砂漿壓折比呈降低趨勢(shì)，表明摻入膠粉后砂漿的柔韌性提高，且隨摻量增大砂漿柔韌性增強(qiáng)?？稍俜稚⑷槟z粉對(duì)砂漿28 d的壓折比影響(圖7)結(jié)果說(shuō)明，28 d強(qiáng)度壓折比隨可再分散乳膠粉摻量變化幅度較小，其中摻入EAP砂漿壓折比最大，摻入TCP砂漿壓折比最小，表明摻入EAP后砂漿28 d的脆性較大，摻入TCP后砂漿28 d的柔韌性較好，不易開(kāi)裂。

圖6 可再分散乳膠粉對(duì)砂漿7 d壓折比的影響Fig.6 Effect of redispersible latex powder on the ratio of compressive strength to flexural strength for 7 d

圖7 可再分散乳膠粉對(duì)砂漿28 d壓折比的影響Fig.7 Effect of redispersible latex powder on the ratio of compressive strength to flexural strength for 28 d

2.3 對(duì)水化熱的影響

由圖8可見(jiàn)，摻入EVA后水泥漿體的水化放熱峰低于純水泥漿體，且延遲水化放熱峰出現(xiàn)的時(shí)間，說(shuō)明EVA起到了緩凝的作用。隨著EVA摻量的增加，放熱峰值變小，并且摻量為8%的試驗(yàn)組出現(xiàn)第二放熱峰，其值為3.7 mW/g。出現(xiàn)放熱峰后水化速率明顯降低，逐漸趨于平穩(wěn)。由圖9可見(jiàn)，前30 h的水化放熱量增長(zhǎng)較快。當(dāng)水化時(shí)間小于36 h時(shí)，在同一水化時(shí)間，水泥水化放熱量隨EVA摻量的增加而減小。例如，水化時(shí)間為15 h時(shí)不摻EVA漿體的水化放熱量為161.8 J/g，摻5%EVA后水化放熱量為153.4 J/g，摻8%EVA后水化放熱量為147.2 J/g。此后，隨著水化反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，水化放熱量隨EVA摻量增加而增大。

各地各部門(mén)要建立網(wǎng)絡(luò)輿情監(jiān)察監(jiān)管專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)，組建網(wǎng)絡(luò)輿情工作專(zhuān)班，打造一支全天候的監(jiān)測(cè)隊(duì)伍。嚴(yán)格落實(shí)主體責(zé)任，由一位領(lǐng)導(dǎo)負(fù)責(zé)，輿情信息員利用技術(shù)手段對(duì)各大網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)輿情，立即將輿情監(jiān)測(cè)情況向各職能部門(mén)反饋。對(duì)惡意信息立即刪除，對(duì)重大影響的事件，堅(jiān)守“黃金4小時(shí)”原則，主動(dòng)發(fā)聲，正面回應(yīng)，積極處理輿情，避免輿情蔓延。對(duì)于一些惡意中傷的造謠行為還要果斷運(yùn)用法律武器，對(duì)帶頭造謠生事者進(jìn)行嚴(yán)肅處理，維護(hù)政府自身形象。

圖8 EVA對(duì)水泥水化放熱速率的影響Fig.8 Effect of EVA on hydration exothermic rate of cement

圖9 EVA對(duì)水泥水化放熱量的影響Fig.9 Effect of EVA on hydration heat amount of cement

如圖10所示，3種可再分散乳膠粉都延緩了水泥水化放熱峰的出現(xiàn)時(shí)間，并且試驗(yàn)組的放熱峰值較基準(zhǔn)組明顯降低，3種乳膠粉的延緩時(shí)間和降低峰值的作用相似。其中摻加TCP的放熱峰值最低，水化放熱速率比基準(zhǔn)組降低了12.2%。摻入EVA和EAP試驗(yàn)組的水化放熱速率曲線還存在第二水化放熱峰，摻加EAP的試驗(yàn)組第二峰值相對(duì)EVA試驗(yàn)組第二峰值出現(xiàn)時(shí)間滯后。如圖11所示，3種乳膠粉都可以提高水泥的水化放熱量。隨著齡期的增長(zhǎng)，摻加TCP試驗(yàn)組的水化放熱量變化曲線增長(zhǎng)趨勢(shì)表現(xiàn)最明顯，此試驗(yàn)組水化放熱總量最多。

圖10 摻量為8%的可再分散乳膠粉對(duì)水泥水化 放熱速率的影響Fig.10 Effect of 8% redispersible latex powder on hydration exothermic rate of cement

圖11 摻量為8%的可再分散乳膠粉對(duì)水泥 水化放熱量的影響Fig.11 Effect of 8% redispersible latex powder on hydration heat amount of cement

2.4 對(duì)水化產(chǎn)物的影響

圖12、圖13分別為摻8%可再分散乳膠粉的水泥24 h、7 d的XRD圖譜，通過(guò)觀察主要水化產(chǎn)物Ca(OH)2的衍射峰值可以分析乳膠粉對(duì)水泥水化進(jìn)程的影響。由圖12和圖13可見(jiàn)，不同乳膠粉對(duì)水泥的水化產(chǎn)物種類(lèi)沒(méi)有影響。比較不同膠粉試驗(yàn)組Ca(OH)2特征峰值發(fā)現(xiàn)，EAP組的Ca(OH)2峰值最高，甚至高于純水泥漿體的Ca(OH)2峰，摻加EVA的試驗(yàn)組次之，而TCP試驗(yàn)組的Ca(OH)2峰值最小。以上結(jié)果表明乳膠粉對(duì)水泥水化有一定的緩慢效果，其中TCP的緩凝效果最強(qiáng)，EAP的緩凝效果最差。相比24 h的圖譜，7 d的圖譜顯示Ca(OH)2的峰值明顯增高，其中摻加EAP的試驗(yàn)組其Ca(OH)2增長(zhǎng)最多并且峰值最高，而硅酸鈣產(chǎn)物峰值降低明顯，說(shuō)明這段時(shí)間內(nèi)水泥水化進(jìn)程較高。

圖12 摻8%可再分散乳膠粉的水泥24 h的 XRD圖譜Fig.12 XRD patterns of cement mixed with 8% redispersible latex powder for 24 h

圖13 摻8%可再分散乳膠粉的水泥7 d的XRD圖譜Fig.13 XRD patterns of cement mixed with 8% redispersible latex powder for 7 d

2.5 討論

2.5.1 可再分散乳膠粉對(duì)砂漿性能影響的機(jī)理

在干混砂漿中加入可再分散乳膠粉后，砂漿的和易性能夠得到改善，其主要原因是：可再分散乳膠粉是大分子聚合物粉末，溶于水后自行分散，不與水泥團(tuán)聚[11]。可再分散乳膠粉顆粒的水溶性保護(hù)膠體包覆層可以防止顆粒之間的潤(rùn)滑效應(yīng)，而使得聚合物顆粒能在水泥漿體中產(chǎn)生“滾珠效應(yīng)”[12]；同時(shí)，可再分散乳膠粉具有引氣作用，其對(duì)空氣的誘導(dǎo)效應(yīng)可以賦予砂漿可壓縮性。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，乳膠粉的加入會(huì)增加砂漿的流動(dòng)度，在一定的摻量范圍內(nèi)隨乳膠粉摻量增加，流動(dòng)度出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并且砂漿的保水率和乳膠粉的摻量也不成正比，這是因?yàn)槿槟z粉本身作為一種高聚物，其黏稠性與稠度成正比，如果摻量過(guò)大砂漿的黏度變大。從微觀的角度來(lái)分析，可再分散乳膠粉在新拌制砂漿中出現(xiàn)的再分散現(xiàn)象、成膜現(xiàn)象和吸附現(xiàn)象使流動(dòng)性有上述的變化規(guī)律。

可再分散乳膠粉降低砂漿強(qiáng)度主要原因是其增加砂漿總孔隙率和平均孔徑，且增加的孔多為開(kāi)口孔[13]，致使砂漿硬化后結(jié)構(gòu)疏松，從而強(qiáng)度降低。摻入可再分散乳膠粉后，會(huì)在砂漿內(nèi)部形成聚合物膜結(jié)構(gòu)，膜結(jié)構(gòu)或分布在水化產(chǎn)物之間，或?qū)⑺a(chǎn)物包裹[14]，形成的聚合物膜結(jié)構(gòu)可以起到削弱應(yīng)力集中并阻止內(nèi)部微裂縫擴(kuò)散作用，使砂漿柔韌性增強(qiáng)，不易開(kāi)裂，試驗(yàn)中表現(xiàn)為壓折比的降低。

可再分散乳膠粉對(duì)砂漿宏觀性能上的影響源于其與水泥漿體產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)?？稍俜稚⑷槟z粉對(duì)水泥水化進(jìn)程的延緩作用主要是:吸附作用，乳膠粉吸附在熟料礦物或水化產(chǎn)物表面，阻礙礦物的溶解或減少C—S—H的成核位點(diǎn)，導(dǎo)致水化速率降低；絡(luò)合作用，聚合物基團(tuán)與溶液中的Ca2+反應(yīng)，降低溶液中Ca2+的濃度，溶液達(dá)到過(guò)飽和度所需時(shí)間增加，從而延緩水化反應(yīng)[15-16]。

3種可再分散乳膠粉對(duì)砂漿的性能影響存在差異，為分析差異形成原因，對(duì)3種可再分散乳膠粉進(jìn)行紅外光譜分析，紅外譜圖如圖14所示。

圖14 可再分散乳膠粉的紅外譜圖Fig.14 FT-IR spectra of the redispersible polymer powder

3 結(jié)論

1) 可再分散乳膠粉顯著提高砂漿的流動(dòng)度，增幅可達(dá)54%。隨著可再分散乳膠粉摻量的增加，流動(dòng)度先增大后減少。砂漿的流動(dòng)度受EVA摻量的影響較小，EAP可較大改善砂漿的流動(dòng)性?？稍俜稚⑷槟z粉可以改善砂漿的保水性，但受其摻量影響較小。

2) 可再分散乳膠粉使砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度顯著降低，降低幅度在55%～82%，摻入EVA后砂漿強(qiáng)度高于摻入TCP、EAP的砂漿?？稍俜稚⑷槟z粉可以降低砂漿的壓折比，即顯著改善砂漿的柔韌性。

3) 可再分散乳膠粉延緩水泥水化放熱峰出現(xiàn)時(shí)間，延緩水化進(jìn)程，且摻量越大，緩凝效果越大；EVA、TCP、EAP對(duì)水泥的緩凝效果相似。但是可再分散乳膠粉不改變水化產(chǎn)物種類(lèi)。

4) 可再分散乳膠粉在水泥體系中具有的吸附作用、引氣作用及成膜作用，是影響砂漿性能的主要原因。