聚合物對(duì)水泥基瓷磚膠自收縮性能影響研究

摘 要：研究了在不同纖維素醚、乳膠粉及甲酸鈣摻量下，水泥基瓷磚膠在不同約束條件下的自收縮性能。結(jié)果表明：乳膠粉摻量越大，瓷磚膠在自由條件下的自收縮越大；當(dāng)纖維素醚摻量超過0.2%時(shí)，隨著纖維素醚摻量的增加，自收縮降低；甲酸鈣的摻量越大，自收縮也越大。乳膠粉摻量越大，瓷磚膠在約束條件下的自收縮越?。焕w維素醚的摻入，可以抑制約束自收縮的發(fā)展，當(dāng)纖維素醚摻量不超過0.3%時(shí)，對(duì)收縮影響不大，摻量達(dá)到0.4%時(shí)，可以顯著降低瓷磚膠的自收縮；適當(dāng)摻量的甲酸鈣，增加了瓷磚膠早齡期的自收縮發(fā)展，但收縮終值會(huì)降低。

關(guān)鍵詞：纖維素醚；可再分散乳膠粉；甲酸鈣；自收縮；約束收縮

1前言

瓷磚膠是以水泥為原料制備而成的，屬于水泥基材料，而水泥基材料早齡期存在收縮問題。并且，水泥基瓷磚膠在使用過程中其表面會(huì)被低透水瓷磚覆蓋，底面與基材接觸，只有瓷磚間裂縫部分的瓷磚膠與外界接觸，主要發(fā)生自收縮[1]。在表面瓷磚與基材的約束作用下，瓷磚膠的自收縮會(huì)引發(fā)硬化漿體產(chǎn)生裂縫，粘結(jié)力會(huì)顯著降低，引發(fā)瓷磚脫落。

相關(guān)學(xué)者通過添加外加劑對(duì)砂漿進(jìn)行改性，提升其抗收縮性能。錢中秋等人[2]發(fā)現(xiàn)砂漿的收縮變形隨著可再分散乳膠粉摻量的增加而增加，乳膠粉會(huì)增強(qiáng)水泥基瓷磚膠的柔韌性，但其剛性會(huì)降低，其自身抵抗變形的能力相應(yīng)的會(huì)降低，從而導(dǎo)致瓷磚膠收縮增大。Roger Zurbriggen[3]等人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)可再分散乳膠粉的摻量為1%～5%時(shí)，其收縮值很小，但當(dāng)摻量達(dá)到10%～15%時(shí)，其收縮會(huì)大幅度增加。張水等[4]人往砂漿中摻入苯丙乳液對(duì)其改性，結(jié)果表明，苯丙乳液的摻入能夠有效填充砂漿內(nèi)部的孔隙，降低孔隙率，提高漿體密實(shí)程度，從而降低其收縮，當(dāng)其摻量為15%～20%時(shí)，瓷磚膠具有較小的收縮率。除了通過調(diào)整砂漿中聚合物來改善其收縮性能外，使用礦物摻合料替代水泥也是一種改善砂漿收縮的重要措施。趙倫等[5]研究了不同活性礦粉對(duì)瓷磚膠收縮性能的影響，結(jié)果表明，低活性的S95礦粉在取代率低于20%時(shí)，并不能改善瓷磚膠28 d齡期的收縮性能；而高活性S105礦粉在取代率低于30%時(shí)，可降低其28 d齡期收縮率。除了使用礦物摻合料礦粉替代水泥外，方明暉等[6]研究了使用偏高嶺土替代水泥來改善瓷磚膠的收縮。偏高嶺土替代水泥的替代率不超過15%的情況下，隨著替代率的增加，使得改性漿體的孔徑分布得到優(yōu)化，其平均孔徑降低，總孔隙率也降低，從而降低瓷磚膠的干燥收縮變形。

以上關(guān)于水泥基瓷磚膠的研究主要集中于在自由條件下的干燥收縮dWYQBYD1qTkdkxecLL6MSw==，并且改善水泥基瓷磚膠收縮性能的措施單一。本文通過調(diào)整可再分散乳膠粉、纖維素醚以及甲酸鈣等聚合物的摻量對(duì)砂漿進(jìn)行改性，使用硅灰和偏高嶺土替代水泥，采用非接觸式收縮方法，研究在約束條件下瓷磚膠的收縮性能，為實(shí)際工程中水泥基瓷磚膠的收縮問題提供研究經(jīng)驗(yàn)。

2試驗(yàn)

2.1原材料

水泥：海螺牌P·O42.5硅酸鹽水泥，主要性能見表1；硅灰：由Elkem公司提供，其比表面積為21.36m2/g，密度為2000kg/m3；偏高嶺土：產(chǎn)自鞏義市歐尚耐材有限公司純白色偏高嶺土；砂：采用河南初燦環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的石英砂，粒徑級(jí)配范圍為40-70目、70-140目；纖維素醚：山東天盛纖維素股份有限公司，粘度為75Pa·s的甲基纖維素醚；膠粉：乙烯-醋酸乙烯共聚物，4010N瓦克公司可再分散乳膠粉；早強(qiáng)劑：甲酸鈣，山東凱米科化工股份有限公司；水：福州市自來水。

2.2試驗(yàn)方法

根據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（JGJ_T70-09）》進(jìn)行自由收縮測(cè)試，測(cè)試儀器采用BC156-300型比長(zhǎng)儀，產(chǎn)自北京中科藍(lán)建儀器設(shè)備有限公司。本文測(cè)試瓷磚膠自收縮，將澆筑完成的砂漿置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)1 d后拆模，立即用鋁箔密封整個(gè)試件，在環(huán)境為20 ± 2℃，相對(duì)濕度60 ± 5%的環(huán)境中進(jìn)行自收縮測(cè)試。采用上海砼瑞公司生產(chǎn)的TR-NC型非接觸式收縮測(cè)量裝置進(jìn)行瓷磚膠約束收縮測(cè)試，在鋼制模具底部預(yù)先放置一塊50 mm×100 mm×500 mm上表面粗糙的混凝土約束底板，再進(jìn)行瓷磚膠澆筑，如圖1、圖2所示，自由收縮與非接觸式約束收縮均采集14 d收縮數(shù)據(jù)。

2.3配合比

研究包括6種瓷磚膠配合比。C-0為基準(zhǔn)配合比組，CR-5表示乳膠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，CF-0.3表示纖維素醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，CJ-0.75表示甲酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%，以此類推。采用乳膠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、5%；甲酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、0.75%、1%；纖維素醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、0.3%、0.4%。具體配比如表2所示。

3試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1聚合物摻量對(duì)瓷磚膠自收縮影響

3.1.1乳膠粉

圖3為瓷磚膠C-0試驗(yàn)組（乳膠粉摻量為2%）與CR-5試驗(yàn)組（乳膠粉摻量為5%）14d自收縮試驗(yàn)結(jié)果。從圖2中可以看出，乳膠粉摻量越大，瓷磚膠自收縮越大，其中C-0試驗(yàn)組14d全齡期自收縮增長(zhǎng)速率平穩(wěn)，CR-5試驗(yàn)組在1～10d自收縮增長(zhǎng)速率與CR-5試驗(yàn)組基本保持一致，而在10～14d自收縮增長(zhǎng)速率變大，高于C-0試驗(yàn)組。1d齡期C-0和CR-5自收縮應(yīng)變分別為28.4με、31.0με，增加了9.0%；7d齡期分別為184.4με、217.1με，增加了17.7%；14d齡期分別為338.1με、447.2με，增加了32.3%。隨著齡期的增加，C-0組與CR-5組自收縮差異越顯著。

可再分散乳膠粉是水溶性乳膠粉，隨著乳膠粉摻量的增加，瓷磚膠自收縮增加的原因主要來源于乳膠粉本身以及乳膠粉與砂漿漿體之間的作用。一方面，砂漿內(nèi)部乳膠粉的耗水量大[7]，會(huì)使得砂漿內(nèi)部的相對(duì)濕度降低，摻量越高，內(nèi)部相對(duì)濕度越低，毛細(xì)管張力越大。其次乳膠粉顆粒的彈性模量比砂漿漿體低[8]，并且在砂漿攪拌的過程中會(huì)引入空氣從而在硬化砂漿內(nèi)部形成宏觀氣泡，這會(huì)導(dǎo)致砂漿漿體抵抗變形的能力降低，增加其自收縮。另外一方面，乳膠粉的摻入會(huì)降低砂漿內(nèi)部骨料之間的摩擦力以及會(huì)增加砂漿內(nèi)部總的孔隙率[9-10]，還會(huì)在砂漿內(nèi)部形成網(wǎng)狀薄膜阻礙砂漿水泥水化產(chǎn)物之間的連接，使得集料與漿體之間的界面過渡區(qū)受力減弱[11]，這是瓷磚膠隨著齡期的增加，高摻量與低摻量乳膠粉試驗(yàn)組自收縮差距增加的一方面原因。

3.1.2纖維素醚

圖4為瓷磚膠C-0試驗(yàn)組（纖維素醚摻量為0.2%）、CF-0.3試驗(yàn)組（纖維素醚摻量為0.3%）、CF-0.4試驗(yàn)組（纖維素醚摻量為0.4%）14d自收縮試驗(yàn)結(jié)果。從圖3中可以看出，當(dāng)纖維素醚摻量超過0.2%時(shí)，隨著纖維素醚摻量的增加，瓷磚膠自收縮降低，CF-0.3與CF-0.4試驗(yàn)組1、3、7、14d自收縮應(yīng)變分別為42.3με、23.7με；112.7με、99.3με；115.0με、104.0με；338.0με、335.7με；分別降低了44.0%、11.9%、9.6%、0.68%，纖維素醚摻量由0.3%增加到0.4%，隨著齡期的增加，自收縮應(yīng)變降低幅度越來越低，可以看出，纖維素醚對(duì)砂漿早齡期自收縮影響顯著。

纖維素醚具有明顯的緩凝作用[12]，纖維素醚延緩水泥水化主要來源于兩個(gè)方面。一方面，纖維素醚顆粒吸附在水泥漿體顆粒表面，阻礙水泥水化產(chǎn)物成核生長(zhǎng)；另一方面，纖維素醚以膠體的形式溶解于水中，其顯著的增黏作用會(huì)阻礙水泥漿體中離子的遷移擴(kuò)散，從而延緩水泥的水化作用。而水泥基材料自收縮主要是由于水泥水化的生成物體積小于反應(yīng)物體積以及自干燥效應(yīng)引起的[13]，纖維素醚的摻入會(huì)延緩水泥水化從而降低瓷磚膠自收縮。另外一方面，纖維素醚對(duì)砂漿具有良好的保水作用[14]，其可以維持砂漿內(nèi)部相對(duì)濕度，從而降低自收縮。但觀察到在纖維素醚摻量0.2%試驗(yàn)組的整個(gè)齡期的自收縮低于纖維素醚摻量0.3%試驗(yàn)組，并且與纖維素醚摻量0.4%試驗(yàn)組相比，并無明顯變化，說明纖維素醚摻量并不是越高越好。

3.1.3甲酸鈣

為研究不同甲酸鈣摻量（0.5%、0.75%、1.0%）對(duì)瓷磚膠自收縮性能的影響，對(duì)C-0組（0.5%）、CJ-0.75組（0.75%）、CJ-1組（1.0%）進(jìn)行自由收縮試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)得的各組14 d自收縮發(fā)展曲線如圖5所示。由圖5可以看出，在相同齡期時(shí)，甲酸鈣的摻量越大，瓷磚膠自收縮也越大，并且砂漿的自收縮隨著齡期的增加而變大，但在9d齡期時(shí)，0.5%與0.75%甲酸鈣摻量組的自收縮應(yīng)變值分別為288.4με、262.4με，低摻量甲酸鈣組的自收縮應(yīng)變值要高于高摻量組，這一反?，F(xiàn)象需要進(jìn)一步研究。三個(gè)試驗(yàn)組3 d齡期自收縮應(yīng)變值分別為82.7με、104.0με、111.9με，自收縮分別增加了25.8%、7.6%。14 d自收縮應(yīng)變值分別為338.1με、364.1με、400.9με，隨著甲酸鈣摻量由0.5%增加到1.0%，自收縮分別增加了7.7%、10.1%。由此可以看出，在砂漿中摻入甲酸鈣，可以降低其自收縮。

甲酸鈣作為一種早強(qiáng)劑，能夠加速早期水泥水化作用從而提高水泥漿體的水化程度，促使更多的水化產(chǎn)物填充漿體的孔隙，使得漿體結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，提高早期強(qiáng)度[15]。但是，劇烈的水泥水化會(huì)增加材料的體積變形，從而使其自收縮增大[16-17]。

3.2聚合物摻量對(duì)瓷磚膠約束收縮影響

3.2.1乳膠粉

圖6為不同可再分散乳膠粉摻量（2%、5%）的瓷磚膠14 d約束自收縮發(fā)展曲線。由圖a可知，C-0組與CR-5組的約束自收縮在14 d齡期的發(fā)展大致分為三個(gè)階段。階段Ⅰ，測(cè)試零點(diǎn)至砂漿膨脹峰值點(diǎn)的微膨脹階段。此階段砂漿并未發(fā)生收縮，而是產(chǎn)生了微膨脹，如圖b所示，C-0組與CR-5組微膨脹應(yīng)變峰值點(diǎn)分別為-188.7με、-250.8με，對(duì)應(yīng)的齡期分別為4.7 h和6 h，甲酸鈣摻量的增加，導(dǎo)致砂漿微膨脹峰值應(yīng)變?cè)黾硬⑶掖穗A段的時(shí)間也延長(zhǎng)。砂漿發(fā)生微膨脹現(xiàn)象的原因主要來源于兩個(gè)方面[18-19]，一方面是砂漿漿體在水化過程中會(huì)放熱導(dǎo)致漿體發(fā)生熱膨脹。另一方面，水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物結(jié)晶于漿體結(jié)構(gòu)中的孔隙中，會(huì)產(chǎn)生膨脹壓從而導(dǎo)致砂漿漿體膨脹。階段Ⅱ，微膨脹階段之后的收縮平穩(wěn)發(fā)展階段。此階段砂漿的收縮應(yīng)變曲線有所回落，砂漿的微膨脹結(jié)束，開始產(chǎn)生收縮，但是收縮發(fā)展較平穩(wěn)，在整個(gè)此階段，C-0組的收縮要高于CR-5組。階段Ⅲ，收縮平穩(wěn)發(fā)展階段之后的收縮急劇發(fā)展階段。此階段砂漿收縮應(yīng)變曲線變得陡峭。

可以看出，摻入聚合物的瓷磚膠收縮發(fā)展趨勢(shì)與普通水泥基材料不同，先進(jìn)入平穩(wěn)收縮發(fā)展階段，然后再進(jìn)入收縮急劇發(fā)展階段。并且，在階段Ⅲ，隨著瓷磚膠齡期的發(fā)展，C-0組與CR-5組的收縮應(yīng)變差距變大，5 d齡期時(shí)，兩個(gè)試驗(yàn)組收縮應(yīng)變值分別為10.7με、-96.6με，相差107.3με；在14 d齡期時(shí)，收縮應(yīng)變分別為2121.1με、1029.3με，相差1091.8με，此現(xiàn)象有待進(jìn)一步進(jìn)行研究。

3.2.2纖維素醚

圖7為不同纖維素醚摻量（0.2%、0.3%、0.4%）的瓷磚膠14 d約束自收縮發(fā)展曲線圖。由圖a可知，收縮發(fā)展曲線大致可以分為三個(gè)階段。階段Ⅰ的微膨脹階段，如圖b所示，C-0組、CF-0.3組、CF-0.4組的膨脹峰值應(yīng)變分別為-188.7με、-395.0με、-437.1με，對(duì)應(yīng)的齡期分別為4.7 h、6 h、9 h。隨著纖維素醚的摻量由0.2%增加到0.4%，膨脹應(yīng)變峰值增大，并且齡期也在延長(zhǎng)。由此可以看出，纖維素醚的摻入可以增加瓷磚膠早期的膨脹，延緩約束自收縮的發(fā)展。在階段Ⅱ的平穩(wěn)收縮發(fā)展階段，在相同齡期下，收縮應(yīng)變值有著C-0組＞CF-0.3組＞CF-0.4組，隨著纖維素醚摻量的增加，砂漿約束自收縮降低。階段Ⅲ的收縮急劇發(fā)展階段，在剛進(jìn)入此階段的3 d齡期，各個(gè)試驗(yàn)組的收縮應(yīng)變值分別為-157.5με、-198.4με、-337.1με，在14 d齡期，各個(gè)試驗(yàn)組的收縮應(yīng)變值分別為2121.1με、2213.7με、1300.3με。C-0組與CF-0.3組在3 d齡期和14 d齡期收縮應(yīng)差值分別為40.9με與92.6με，而CF-0.3組與CF-0.4組的收縮應(yīng)變差值為138.7με與913.4με，明顯大于前者。并且，在收縮應(yīng)變急劇發(fā)展階段Ⅲ，C-0組與CF-0.3組收縮曲線發(fā)展趨勢(shì)相似。由此可以看出，纖維素醚的摻入，可以抑制約束自收縮的發(fā)展，當(dāng)纖維素醚摻量不超過0.3%時(shí)，其對(duì)降低作用不明顯，摻量達(dá)到0.4%時(shí)，可以顯著降低砂漿的自收縮。纖維素醚具有對(duì)砂漿漿體具有保水作用[20]，可以維持漿體內(nèi)部相對(duì)濕度，從而可以抑制砂漿自收縮，但從以上試驗(yàn)結(jié)果看出，纖維素醚存在一個(gè)最適摻量，在此摻量下瓷磚膠自收縮應(yīng)變最低。

3.2.3甲酸鈣

圖8為不同甲酸鈣摻量（0.5%、0.75%、1.0%）的瓷磚膠14 d約束自收縮發(fā)展曲線圖。由圖a可知，收縮發(fā)展曲線可分為三個(gè)階段，在每個(gè)齡期下，階段一、階段二以及階段三的前半部分，隨著甲酸鈣摻量的增加，砂漿自收縮增加。階段Ⅰ的微膨脹階段，如圖b可知，C-0、CF-0.3、CF-0.4的膨脹峰值分別為-188.7με、-179.8με、-84.7με；對(duì)應(yīng)的齡期分別為4.8 h、26.4 h、1.4 h。甲酸鈣摻量由0.5%增加到1.0%，砂漿的膨脹峰值應(yīng)變?cè)黾?，但在最?.0%摻量組中，其膨脹結(jié)束時(shí)間點(diǎn)卻提早了。甲酸鈣能夠加速水泥水化[21]，使砂漿產(chǎn)生更大的體積變形，加速收縮發(fā)展，因而甲酸鈣摻量越大，漿體收縮發(fā)展更快。階段二的收縮平穩(wěn)發(fā)展階段，在相同齡期，約束自收縮應(yīng)變值C-0組＞CJ-0.75組＞CJ-1.0組，甲酸鈣的摻入增大了砂漿的收縮發(fā)展。階段三的收縮快速發(fā)展階段，3 d齡期，各個(gè)試驗(yàn)組收縮應(yīng)變值分別為-157.5με、47.4με、284.4με，C-0組收縮低于CJ-0.75組；在14 d齡期各個(gè)試驗(yàn)組收縮應(yīng)變值分別為2121.1με、1671.9με、2397.0με，C-0組收縮高于CJ-0.75，但低于CJ-1.0組，甲酸鈣摻量在不高于1.0%的情況下，甲酸鈣摻量由0.5%增加到0.75%，從約9 d齡期開始，砂漿收縮發(fā)展應(yīng)降低。由此可以看出，適當(dāng)摻量的甲酸鈣，雖然，甲酸鈣能夠加速水泥早期水化作用，增加了砂漿早齡期的自收縮發(fā)展，但砂漿晚齡期自收縮應(yīng)變卻降低了。

4結(jié)論

（1）乳膠粉摻量越大，瓷磚膠自由條件下的自收縮越大；當(dāng)纖維素醚摻量超過0.2%時(shí)，隨著纖維素醚摻量的增加，瓷磚膠自由條件下的自收縮降低；甲酸鈣的摻量越大，瓷磚膠自由條件下的自收縮也越大。

（2）乳膠粉摻量越大，瓷磚膠約束條件下的自收縮越小；纖維素醚的摻入，可以抑制約束自收縮的發(fā)展，當(dāng)纖維素醚摻量不超過0.3%時(shí)，對(duì)收縮影響不大，摻量達(dá)到0.4%時(shí)，可以顯著降低砂漿的自收縮。適當(dāng)摻量的甲酸鈣，增加了砂漿早齡期的自收縮發(fā)展，但砂漿晚齡期自收縮應(yīng)變卻降低了。

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