防水之家讯：涂料知识文集：刘莹琨(上海石化联碳合成胶乳有限公司(陶氏化学集团成员公司)， 200540 )
摘 要：通过外保温抗裂砂浆的作用、功能及基本性能，分析了抗裂砂浆材料性能的影响因素及在抗裂砂浆中的抗裂机理。关键词：抗裂砂浆;材料性能;影响因素1
前 言随着对节约能源与保护环境要求的不断提高，而外保温系统的优势逐渐被人们所重视，外墙外保温技术得到了长足的发展，与之配套的抹面抗裂砂浆也成为人们研究的重点。外墙外保温系统由于所处的环境温度和湿度变化较大，及施工方法不当，易造成外抹灰层空鼓、开裂等问题，因此，本文对一些主要的影响因素及抗裂机理进行分析，为配制、改进高性能外墙外保温抗裂砂浆提供参考。
2原材料和配制方法2.1
原材料(1) 水泥：选用干法生产的 42.5R 水泥级普通硅酸盐水泥，其性能指标符合《硅酸水泥、普通硅酸盐水泥》( GB 175 — 1999 )的要求。(2) 中砂：符合《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》( JGJ 52 — 1992 )的规定，含泥量小于 3% 、含水量小于 2% 。(3) 乳液、纤维、防腐剂、消泡剂、早强剂、填料等均为市售。2.2 配制方法将特制水泥抗裂剂与普通 42.5R 水泥，按 1 ∶ 1 ∶ 3 重量比搅拌后使用，即得水泥抗裂砂浆拌合料。将水泥抗裂砂浆成型，除特别注明外，自然养护 28d ，测其力学性能。3 结果与方法3.1 聚合物对抗裂砂浆性能的影响抗裂剂的主要组成为聚合物、纤维和少量其他物质 ( 如外加剂和颗粒状物质 ) 。聚合物包括：多种乳液、纤维素醚等。
为了取得改善水泥砂浆性能的良好效果，必须选择与水泥水化适应性好的有机高分子材料，选择聚合物必须具备如下几点要求：(1) 对水泥凝结硬化和胶接性能无不良影响;(2) 在水泥碱性介质中不被水解或破坏;(3) 当纤维温度≤ 10 ℃ 时，其链段仍带有柔性;(4) 反应终结后对于各种介质不产生逆反应过程;(5) 供货渠道广泛，价格适中。约 50 年前，聚合物就用于砂浆和混凝土的改性以提高它们的可工作性和最终强度。依据 A.Jenni,M.Herwegh ; R.Zurbriggen 研究的《水泥砂浆中聚 合物相的形貌及复合结构》中报道的，可利用水泥基砂浆中聚合物微结构判别标准区分不同类型的聚合物，在砂浆中应用情况，可利用晶相选择聚合物。一方面研究仅掺加了一种聚合物的砂浆 ( 见图 1) 。图1未掺添加剂的砂浆的微结构图2乳液改性砂浆的微结构乳液膜典型的不平整形貌，该乳液膜介于两空隙之间。下方的两张照片显示了分别采用二次电子 ( 左 ) 和背散射电子 ( 右 ) 成像的另外一乳胶膜。图3纤维素醚改性的微结构注意位于两列空隙之间的超薄和平整的膜。下方的两张照片显示了分别采用二次电子 ( 左 ) 和背散射电子 ( 右 ) 成像的另外一纤维素醚。聚乙烯醇 (PVOH) 也同样形成超薄膜 ( 见图 4) ，但厚度仅在微米到亚微米范围。 PVOH 不会形成大得像蓬帆那样的模，而是形成小得多的模，这些膜完全隐藏在毛细孔中。在掺加了不同聚合物配方中，微结构变得更加复杂。图 5 为从两个配方得到的一系列微结构照片。图4聚乙烯醇超薄膜(二次电子像)图 5 上方的两张照片是从苯乙烯—丙烯酸乳液胶粉 (SA) 和纤维素醚 (CE) 改性的砂浆获得的。对于这种砂浆来说典型的是纤维素醚不单独形成微结构。
SA 和 CE 二者趋向于与矿物一起形成复合结构。结果使微结构呈现为不透明的片状 ( 对 SE 和 BSE 均如此)，看上去较坚固但比较脆。另一方面，乳液与纤维素醚却形成了非常不同的微结构(见图 5 )中下方的四张照片。此外最下方的二张为局部放大)。两种聚合物可形成复合结构，但局部出现了纯的 CE 膜。从对 SE 部分透明的性质可以明确鉴别出 CE 膜。因此，通过 SE/BSE 相结合的微结构研究，在抗裂剂中选用胶乳与纤维素醚配合使用。再经过多次小试及现场抹灰中试，比较了多种聚合物胶液的性能比和价位比，实验中选择了 EVA 乳液为主体材料，并确定出最佳生产配方。左侧一列为反映形貌的二次电子像 (SE) 。注意纤维素醚膜在 SE 下为部分透明的。右侧一列为反映组成的背散射电子像 (BSE) 。在 BSE 图像中亮斑为致密矿物，而与 BSE 低强度相对应的黑暗区域为聚合物。图 5 二次电子像和背散射电子像3.2 纤维品种和掺量对抗裂砂浆性能的影响不同纤维的存在可以提高抗裂性能、抗冲击负荷、抗挠曲性，通过纤维的应力传递，可有效地控制和减少固化过程中裂缝产生与扩展，并由此可以提高面层的抗冻效果及循环解冻性能，减少和消除面层表面细小裂纹，降低空气渗透性。试验中采用 3 种纤维拌和到砂浆中，分别是纤维 1 、纤维 2 、纤维 3 ，以同一配方按砂浆体积百分含量掺和， 14d 自然养护， 3 种纤维掺量均为 5% 时，纤维对砂浆的影响见表 1 。
表1三种纤维素在相同体积掺量时对砂浆性能的影响从纤维在砂浆中的分散状况来看，纤维 1 差，纤维 2 一般，纤维 3 好。在抗裂砂浆中掺入的同质量掺量的纤维 3 后，抗压、抗折得到大幅提高，说明加入纤维后，抗裂性得到了改善。从选用 5mm 长纤维 3 考察纤维掺量对砂浆性能的影响，其结果随纤维掺量增加，抗裂砂浆的稠度有所下降，纤维对砂浆的施工和易性有不利的影响，而抗压、抗折强度迅速增加，这说明砂浆的韧性、抗裂性得到明显的提高。考虑到纤维掺量过高，抗裂砂浆的施工和易性差、抗裂性提高有限，纤维以 5 ‰为宜。纤维能提高砂浆抗裂性能的原因是纤维能显著提高砂浆抗塑性收缩的能力，能降低砂浆裂缝尖端的应力集中，防止裂缝的进一步发展。3.3 再生胶粉对砂浆性能的影响为进一步提高抗裂砂浆柔韧性，试验中将不同掺量再生胶粉对砂浆的影响，确认其最佳掺量。以水泥胶砂强度试验结果作为基础数据，用质量取代法，分别以水泥质量 1% 、 3% 、 5% 、 7% 、 10% 、 12% 替代砂浆，设计不同的再生胶粉掺量。其结果可以看出随着再生胶粉掺量增大，砂浆稠度变小，和易性变差。这是因为再生胶粉容重轻，为 340kg / m 3 ，等质量代砂后，体积增大。同等加水量，则随其掺量增加，稠度变小，砂浆孔隙间的水泥浆料与水拌合时摩擦力增大，因此，砂浆和易性变差。通过数据可看出，掺量不超过 10% 的情况下，和易性不致太差。掺加再生胶粉后，砂浆 3d 和 28d 的抗压、抗折强度均呈下降趋势。这是因为再生胶粉仅作为骨料加入，不产生任何水化作用，同时作为骨料，由于强度不及砂子，所以砂浆强度肯定会降低。但在其掺量小于 5% 时，对压折比的改善极不明显， 7d 、 28d 的压折比甚至大于水泥净浆，而掺量超过 7% 时，压折比基本维持在 5 ～ 6 不在有明显降低。因此综合考虑，其掺量为水泥量的 7 % 。3.4 早强剂对抗裂砂浆早期强度的影响早强剂，又称促硬剂，是能提高砂浆早期强度并对后期强度无显著影响的外加剂。早强剂的使用能达到提早脱模、缩短养护周期、加速施工进度的目的。3.5 养护制度对抗裂砂浆性能的影响在砂浆成型后，养护制度不同，砂浆性能不同，因而依试验条件设计出四种养护制度试验： (1) 丁苯养护; (2) 高分子弹性底涂养护; (3) 浇水养护; (4) 自然养护。通过实验证明：抗裂砂浆在丁苯养护、高分子弹性底漆养护得到的强度最好，浇水养护、自然养护稍差。4 应用与分析根据以上因素分析，确定最佳配方。以在水泥砂浆中空加各成分进行各种性能测试分析抗裂机理。抗裂剂主要有聚合物乳液、细小均匀纤维和一定量的外加剂组成，而每种物质成分都以自身的方式改善了水泥砂浆体系的柔韧性。4.1 聚合物乳液的抗裂机理聚合物乳液在抗裂剂中有以下几个作用。(1) 活性作用：聚合物乳液中有表面活性剂，能够起减水作用。同时对水泥颗粒有分散作用，改善砂浆和易性，降低用水量，从而减少水泥的毛细孔等有害孔，提高砂浆的密实性和抗渗透能力。(2) 桥键作用：聚合物分子中的活性基因与水泥水化中游离的 Ca 2+ 、 Al 3+ 、 Fe 2+ 等离子进行交换，形成特殊的桥键，在水泥颗料周围发生物理、化学吸附，成连续相，具有高度均一性，降低了整体的弹性模量，改善了水泥浆物理的组织结构及内部应力状态，使得承受变形能力增加，产生微裂缝的可能性大大减少。即使产生微裂缝，由于聚合物的桥键作用，也可限制裂缝的发展。
(3) 充填作用：聚合物乳液迅速凝结，形成坚韧、致密的薄膜，填充于水泥颗粒之间，与水泥水化产物形成连续相填充空隙，隔断了与外界联系的通道。有机聚合物乳液失水而成为具有粘结性和连续性的弹性膜层，失水过程中靠水泥吸收乳液中的水而硬化，而柔性的聚合物膜层与水泥硬化体相互贯穿牢固地粘结成一个坚固有弹性的防水层，其直接结果使水泥砂浆体系的柔韧性得到改善，具备相当的弹性，并有效降低系统的线性收缩率。所以，抗裂剂的活性作用、桥键作用和充填作用改善了硬化水泥浆体的物理结构及内应力，降低了整体的弹性模量、减少用水量、改善了硬化水泥浆体内部毛细孔等有害孔，从而大大提高了砂浆的粘结、抗裂、抗渗及抗腐蚀等性能。4.2 纤维的抗裂机理在水泥砂浆中加入合成材料纤维丝，以增强塑性水泥砂浆的抗拉能力，显著降低其塑性流动和收缩微裂纹。这种减少或消除塑性裂纹使水泥砂浆获得其最佳的长期整体性。这些纤维呈各向均匀分布于整个水泥砂浆，使其得到辅助的加强，以防止收缩裂缝。在随处都有纤维的水泥砂浆中，亦可最大限度减小在有强度状态下水泥砂浆可能出现裂缝的宽度和长度，体现了微观补强的现代技术。4.3 外加剂抗裂机理分析外加剂可以改善孔隙结构，水泥石内应力主要取决于水泥石基材的空隙率、孔分布、孔级配、孔形状等孔结构参数。所以，水泥石从形成、发展直到破坏均与孔的发生和发展密切相关。但孔隙率不是影响水泥砂浆强度的唯一因素，在孔隙率相同情况下，不同孔结构水泥石性能也不同。掺入外加剂、活性混合物，聚合物浸渍以及限制膨胀等工艺措施，均能达到调整孔结构，提高强度的办法。外加剂可以改变湿润状况：大部分水优先与骨料表面接触形成固 / 液界面，骨料湿润后形成液 / 气界面，基本上消失了固 / 气界面。当水泥投入时，立即粘附在骨料表面的水膜层上，强化了水泥的水化历程，使首先生成的水化铝酸盐覆盖在骨料表面限制 Ca(OH) 2 晶体扩散而强化了界面层。同时，残留的气体也必然少于传统工艺。5 结 论(1) 弹性乳液的选用，应选与水泥水化适应性好的有机高分子材料，综合考虑选用耐候性强的合成乳液为主体材料。抗裂剂的每种物质成分都以自身的方式改善了水泥砂浆体系的柔韧性，聚合物乳液的作用包含活性作用、桥键作用和充填作用。(2) 纤维能大幅提高抗裂砂浆的抗裂性。纤维掺量增加，施工和易性变差，其适宜掺量为 5 ‰。细小纤维增强塑性水泥砂浆的抗拉能力，消除裂纹，体现了微观补强的现代技术。
(3) 再生胶粉提高抗裂砂浆柔韧性，随掺量增加和易性变差，综合考虑，掺量为 7% 。(4) 综合抗折、抗压强度、压折比，早强剂选用量为 5% 。外加剂可以改善孔隙结构和润湿状况。(5) 抗裂砂浆养护制度以丁苯养护、高分子弹性底涂养护得到的强度最好，浇水养护、自然养护最差。如转载, 请注明: 资料来源"中国艺术涂料网"图 1 显示了含有毛细孔的部分水化的水泥基体。由此获得的知识再用于区分添加了所有三种聚合物砂浆配方中的不同聚合物相 ( 见图 5) 。乳胶形成不平整的膜。这种起伏的表面形貌可以通过二次电子 (SE) 成像观察到。形成不平整表面的原因可以通过观察高能背散射电子 (BSE) 像获得，从这些乳胶膜中可以发现许多矿物质包含在内 ( 见图 2) 。 SE/BSE 结合成像技术可以同时反映出形貌的内部微结构。与乳液相比，纤维素醚在孔隙的交界面处形成超薄膜 ( < 1 μ m) 。这些纤弱的结构对二次电子是部分透明的。纤维素醚形成的膜也会含有矿物，但要比乳液膜少得多 。
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