乳胶粉对水泥砂浆性能影响的研究

付廷波

(铁正检测科技有限公司 山东济南 250014)

1 前言

近年来，随着现代建筑施工技术进步和国家对环境保护要求的提高，伴随着施工现场管理混乱与粗放、污染环境、砂浆质量参差不齐等诸多问题的现场拌制砂浆已不能适应建筑技术的发展[1]。因此，采用质量稳定、保护环境、有利于文明施工的预拌砂浆是现代砂浆产业发展的重要趋势。尤其是近年来伴随着国家禁止现场拌制砂浆，工业化预拌砂浆得到了长足发展[2-3]。预拌砂浆主要是由胶凝材料、细骨料以及满足各种性能要求的外加剂组成[4-5]。其中可再分散乳胶粉由于具有遇水可再分散以及成膜特性而广泛应用于砂浆中，成为拌制预拌砂浆不可或缺的一种重要组分[6-7]。本文就可再分散乳胶粉对砂浆的和易性与力学性能的影响进行了系统的研究，为在工程中的应用提供理论依据。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

(1)水泥：中联普通硅酸盐水泥42.5，其性能符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2007)，相关指标如表1所示。

表1 水泥基本性能

(2)粉煤灰：F类粉煤灰Ⅱ级，细度13.8%，需水量比为98%。砂：河沙，细度模数2.7，含泥量1.0%，泥块含量0.3%。

(3)乳胶粉：市售醋酸乙烯酯与乙烯共聚胶粉(VaE)乳胶粉。

(4)纤维素：采用羟丙基甲基纤维素醚，黏度为75 000 mPa·s。

(5)减水剂：市售固体聚羧酸减水剂，其性能符合《混凝土外加剂》(GB 8076-2008)和《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB 8077-2012)要求。

2.2 试验方法

砂浆的性能试验按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70-2009)进行。

2.3 试验配比

本文结合实际需求与《砌筑砂浆配合比设计规程》(JGJ/T 98-2010)的要求，设计一种抹灰砂浆配合比，其中水灰比为0.5，减水剂掺量为0.1%，其余各种材料用量如表2所示。

表2 抹灰砂浆配合比

3 试验结果与讨论

可再分散胶乳粉作为一种高分子聚合物粉末，由于其良好的再分散性，因此成为干混砂浆、修补砂浆等一系列特种砂浆的重要添加剂。为探究乳胶粉对砂浆性能的影响，分析乳胶粉的最佳掺量，本试验选取了两种不同的乳液，设置不同的掺量(0、2%、4%、6%、8%、10%)进行试验，其试验结果如下：

3.1 乳胶粉对新拌水泥砂浆和易性的影响

可再分散乳胶粉在砂浆中的应用主要是利用其遇水可再分散以及成膜特性。因此，砂浆中乳胶粉的种类与掺量对砂浆的和易性有很大的影响。通过试验发现，乳胶粉的加入会使得砂浆的稠度变大，并且在一定掺量下随着乳胶粉掺量的增加呈现出先增大后减小的趋势，其主要原因是：胶粉的分散性及在合成过程中表面活性剂的引入使得其宏观上表现为砂浆稠度变大，但本身作为一种高聚物，其黏稠性与浓度成正比，掺量过大砂浆稠度变小黏度变大。

此外，在试验过程中还发现乳胶粉的最低成膜温度(MFT)是影响砂浆和易性的重要因素[8]。最低成膜温度不宜过高，若高于水泥水化温度将不能形成连续的膜，起不到桥架作用；最低成膜温度不宜过低，如果太低会在砂浆搅拌过程中迅速成膜，造成稠度的迅速损失，失去可操作时间。因此选择合适的乳液至关重要。

3.2 乳胶粉对砂浆抗压/抗折强度的影响

为探究乳胶粉掺量对砂浆抗压抗折强度的影响，本试验选择效果较好的VAE乳胶粉进行试验，试验结果如图1、图2所示。

图1 乳胶粉对抗压强度的影响

图2 乳胶粉对抗折强度的影响

图1、图2分别为在VAE乳胶粉不同掺量下对砂浆28 d抗压、抗折强度的影响趋势。从图可以看出空白砂浆试验组28 d的抗压强度为24.7 MPa，抗折强度为5.8 MPa，通过添加不同掺量的乳胶粉，砂浆强度表现出先增大后减小的趋势。从抗压强度来看，在掺量为4%时抗压强度达到26.2 MPa，当掺量继续增加会导致抗压强度降低。从抗折强度来看，在乳胶粉掺量为8%时，抗折强度达到7.0 MPa，强度增加20.7%，乳胶粉的加入对抗折强度有显著影响。乳胶粉对强度的影响主要表现为两个方面：一是高分子聚合物成膜性能在水泥矿物之间形成桥架作用，有助于强度的提高；二是乳胶粉自身的柔性并具有一定的引气作用，当掺量过高时会对强度有损害作用，试验表明当乳胶粉掺量为10%时，容重减少约7%。

3.3 乳胶粉对砂浆粘结强度的影响

对砂浆粘结性能的测试按照《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ 70-2009)进行，粘结材料选用水泥砂浆材料。图3为乳胶粉掺量对粘结性能的影响。

从图3可以看出，通过添加乳胶粉能够显著提高砂浆的拉伸粘结强度，并且在一定掺量下随着乳胶粉掺量的增加，粘结强度逐渐提高，当掺量为10%时粘结强度较空白试验组粘结强度增加了130%。此外试验还发现，在新旧砂浆界面涂抹水泥浆或者使用界面剂将会有效地提高粘结强度[9]。这将有效避免水泥砂浆内部出现空鼓、脱落等病害。

图3 乳胶粉对砂浆粘结强度的影响

3.4 乳胶粉对砂浆粘结抗弯折强度的影响

为进一步更深入地探究乳胶粉对砂浆粘结强度的影响，设计了砂浆粘结抗弯折强度实验。具体操作过程为：将标养后的40×40×160 mm基准砂浆试块锯成一半，与新拌砂浆一起成型，标养后进行抗弯折实验(见图4)[10]。

图4 砂浆粘结抗弯折实验示意

从图5可以看出，砂浆粘结抗弯折强度因为掺加可再分散乳胶粉而提高，其表面粘结能力也因此提高。粘结抗弯折强度提高的原因与乳胶粉影响砂浆抗折强度的机理相同，主要是乳胶粉伴随着水泥的水化逐渐成膜形成三维网状结构，起到桥架作用。同时，水泥浆与聚合物渗透进粘结表面的缺陷与孔隙，使新旧粘结面更加密实。因此，通过掺加适量的乳胶粉可以改善新旧混凝土的粘结能力。

图5 乳胶粉掺量对砂浆粘结抗弯折强度的影响

4 机理分析

在水泥砂浆中加入适当掺量的可再分散乳胶粉可以有效地改善新拌水泥砂浆的和易性，提高砂浆的抗压抗折强度、粘结强度等力学性能。

通过研究发现，可再分散乳胶粉在水中能够迅速恢复形成乳液，乳液颗粒随砂浆搅拌过程均匀分散(见图6a)，伴随着水泥的水化过程(见图6b)以及水化产物的不断增多，聚合物颗粒不断沉积形成聚合物膜并不断延伸(见图6c)，其中一部分乳液颗粒贯穿于骨料与水泥水化体系-聚合物成膜，形成三维立体网状结构，起到桥架作用(见图6d)，使水泥水化产物与骨料之间相互粘结；同时少部分乳液颗粒填充于水泥颗粒空隙之间，提高密实度。两种作用共同使得水泥砂浆的力学性能得到改善[11]。

图6 乳胶粉作用机理示意

5 结论

(1)在新拌水泥砂浆中加入适当掺量的可再分散乳胶粉能够有效地改善砂浆的和易性。但在乳胶粉的选择上应注意乳胶粉的最低成膜温度与玻璃化转变温度。

(2)在0～10%的掺量下，可再分散乳胶粉会使得砂浆28 d抗压抗折强度呈现出先增加后降低的趋势，当掺量分别在4%与8%时，抗压抗折强度达到最大。

(3)通过测试砂浆的粘结强度与粘结抗弯折强度，发现随乳胶粉掺量的增加强度逐渐增加。

(4)综上所述，乳胶粉的最佳掺量为2%～4%。

(5)可再分散乳胶粉在砂浆中的作用机理主要是均匀分散后成膜，在水泥水化物与骨料之间形成三维网状结构，起到桥架作用。