加气混凝土砌块界面剂性能的影响因素及其机理研究

吕官记，季 韬

(1. 福建商学院， 福建 福州 350012； 2. 福州大学 土木工程学院，福建 福州 350116)

加气混凝土砌块主要是以磨细的硅质材料(石英砂、粉煤灰、尾矿灰、页岩等)、钙质材料(水泥、石灰等)、发气剂(铝粉)等工业废料和生活垃圾为主要原料，经过搅拌、浇注、发泡、切割与高压蒸养制成，常作为工业建筑的墙体及保温隔热材料．由于其具有质轻、保温、加工砌筑方便及性价比优异等优点，因此在我国常以其取代粘土砖，被广泛应用于建筑墙体中．但加气混凝土砌块的吸水性较强，其饰面层容易发生开裂、空鼓或脱落的现象，针对这些现象，国内外许多科技人员根据加气混凝土砌块材料的特性，研究了许多改善加气混凝土砌块墙体界面的方法和配套材料，取得了一定的进展[1]．上世纪50年代，聚合物就开始应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]采用几种不同的聚合物乳液来改性水泥混凝土，发现SAE(苯丙乳液)能有效提高水泥混凝土的耐腐蚀性，但EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)和SBR(丁苯乳液)的掺入，对水泥混凝土耐腐蚀性的影响却较小；Gorninski等[4]将不饱和聚酯树脂掺入水泥混凝土并研究了其对性能的影响，结果表明不饱和聚酯树脂可以提高水泥混凝土的弹性模量，且经改性后的混凝土在粘土砖与湿混凝土表面都具有良好的粘结性；郑大锋等[5]研究了在木质素基两亲聚合物 GCL1-J 添加前后新拌砂浆和硬化砂浆的性能变化，研究结果与空白基准试样相比，GCL1-J 掺量为 0.3%时，砂浆含水率降低 3.1%，保水率增加 6.9%，28 天的抗压强度增长 157%，抗渗强度增长 241%；陈维灯等[6]研究了丁苯乳液和超高分子质量的聚乙烯(UHMW—PE)纤维对砂浆抗弯性能的影响，结果表明，在仅掺入丁苯乳液时，聚合物改性砂浆的初裂应力和抗折强度随着聚灰比的增加而呈先提高后降低的趋势；陈凌燕等[7]研究了聚偏氟乙烯乳液对水泥砂浆改性的影响，结果表明改性后的砂浆具有减水和保水作用，同时砂浆的拉伸粘结强度和抗氯离子渗透的能力得到了提高；黄展魏等[8]研究了在不同聚灰比下，水性环氧树脂对水泥砂浆水化和强度的影响，研究表明水性环氧树脂的加入会降低水泥砂浆的抗压强度，当聚灰比在2%的范围以内时，水性环氧树脂可以提高水泥砂浆的抗折强度．尽管如此，界面剂改性所采用的聚合物多为一元或二元聚合物，改性后的界面剂仍然不能完全解决目前存在的问题．

比利时Polytechnisch Bedrijf Bvba/Sprl生产了一种三元共聚物(以下简称PTB乳液)，将其掺入砂浆后，砂浆具有了高效的防水性、耐腐性、粘结性、柔韧性以及工作性．例如：季韬[9]在试验的基础上研究了PTB乳液改性普通水泥砂浆后的防水性、防腐性、粘结性以及柔韧性，发现掺入PTB乳液后这些性能均能明显提高，经改性后的水泥砂浆具有多功能性；鄢飞[10]研究了PTB乳液在无机植筋胶中的应用，取得了良好的效果；卢舒舒等[11]以316国道竹岐隧道工程的渗漏水为例，研究了PTB乳液在隧道工程中的应用．目前，针对加气混凝土砌块界面剂性能影响因素和机理分析的研究较少，尤其是将三元聚合物应用于界面剂的研究还未见报道．为此，本文引入PTB乳液，研究了聚灰比、水胶比和减水剂掺量对加气混凝土砌块聚合物改性界面剂性能(保水性、粘结强度、抗渗能力)的影响，同时，利用试验仪器研究了其宏观性能和微观形貌，随后进行了方差分析、极差分析以及机理探讨．

1 原材料

聚合物为PTB乳液，是比利时精细化工工业(控股)有限公司生产的一种水泥基材料多功能增强剂，可将其作为一种添加剂掺入到水泥基材料中，从而使水泥基材料具有高效的防水性、耐腐性、粘结性、柔韧性以及工作性，PTB乳液的技术参数见表1．

表1 PTB乳液的技术参数

水泥为普通硅酸盐水泥，来自福建炼石水泥有限公司(P.O 42.5)，比表面积为361 m2/kg，标准稠度用水量为27.2%；减水剂为萘系高效减水剂(化学名称为萘磺酸盐甲醛缩合物)，来自福州四方化工有限公司，减水率为20.3%；纤维素醚为羟丙基甲基纤维素(简称HPMC)，来自福州四方化工有限公司，技术参数见表2．

表2 羟丙基甲基纤维素的技术参数

粉煤灰为F类Ⅱ级灰，来自长乐华能电厂，细度(45 μm方孔筛筛余)为23%，根据GB/T1596—2017[12]测得其需水量比为103%；砂的细度模数为2.0，闽江河砂．

2 试验配合比

根据已有试配经验及界面剂的工作性，试配聚灰比、水灰比和减水剂用量，三个因素的水平见表3，正交试验配合比见表4，其中(10)组为基准试验组．为节约成本和从环保考虑，采用等量取代法，用粉煤灰取代20%的水泥；砂与胶凝材料之比为1∶1；纤维素醚的掺量为水泥用量的0.2%．

表3 参数水平表

表4 正交试验配合比

3 试件制备及试验方法

3.1 保水性测试方法根据JC/T907—2018《混凝土界面处理剂》[13]标准制定保水性的测试方法—滤纸法，它借鉴了法国企业中测定保水性的方法．保水性试验示意图见图1，试验结果的计算方法见公式(1)．

T=4×D/(D1+D2+D3+D4)×100%，

(1)

式中：T—保水性，精确至0.1%;D—试模的内径(mm)；D1、D2、D3、D4—各组水分在滤纸上的扩散直径(mm)

3.2 剪切粘结强度的测试方法采用符合GB/T4100—2006《陶瓷砖》[14]要求的陶制无釉砖，尺寸为108 mm×108 mm，至少6 mm厚，表面平整．取两块试验用瓷砖，在每块瓷砖的正面，距砖边10 mm处划一条与砖边平行的参照线，将拌和好的界面剂分别均匀地涂抹在两块瓷砖的正面(应保证界面剂完全覆盖)，然后按划好的参照线，将两块瓷砖粘贴并压合在一起，同时确保两块瓷砖错开10 mm，接着，刮去边上多余的界面剂．将粘合好的试件水平放置，在试件上加(7 000±15)g的重物，保持3 min．在标准试验条件下分别养护7 d和14 d，每一龄期的剪切粘结强度至少各制备10个试件．加工所用的剪切试验夹具的示意图见图2，最后采用液压式万能试验机(济南试金集团有限公司生产，型号WE-100)测试剪切粘结强度．

图1 保水性试验示意图图2 剪切试验夹具

3.3 防水性测试方法按照JC/T 984—2011《聚合物水泥防水砂浆》[15]的规定，用上口直径70 mm，下口直径80 mm，高30 mm的截头圆锥带底金属试模成型基准和受检试件，采用振动频率为(50±3)Hz和空载时振幅约为0.5 mm的混凝土振动台进行捣实，振动时间为15 s；同时采用恒温恒湿标准养护箱(无锡中科实验仪器有限公司生产，型号HBY40B)进行养护，并用砂浆渗透仪(上海荣计达实验仪器有限公司生产，型号SS-15)来测试防水性能．

4 试验结果及分析

4.1 试验结果根据前述正交试验配合比及试验方法，对各组界面剂的稠度、密度、保水性、剪切粘结强度和7 d抗渗压力进行试验，结果见表5．

表5 正交试验测试结果

(2)组与基准组比较，掺入聚灰比为2%的PTB乳液后，保水性提高了13.4%，7 d和14 d的剪切粘结强度分别均提高了0.3 MPa，7d的抗渗压力提高了0.2 MPa．图3是界面剂保水性随三个因素的变化曲线，由图3可看出，界面剂的保水性随聚灰比的增大而增大；随水胶比的增大而逐渐减小；随减水剂用量的增加而减小．

图4为7 d的剪切粘结强度随三个因素的变化曲线．当聚灰比小于3%时，7 d的剪切粘结强度随聚灰比的增加增长较快；当聚灰比大于3%后，7 d的剪切粘结强度随聚灰比的增加而增长缓慢．7 d的剪切粘结强度在水胶比为0.5时，达到峰值；水胶比小于0.5时，7 d的剪切粘结强度随水胶比的增大而增大；当水胶比大于0.5时，7 d的剪切粘结强度随水胶比的增大而减小．当减水剂用量小于0.3%时，7 d的剪切粘结强度基本不变；当减水剂用量大于0.3%时，7 d的剪切粘结强度随减水剂用量的增大而增大．

图4 7 d的剪切粘结强度—因素关系图

图5为14 d的剪切粘结强度随三个因素的变化曲线．14 d的剪切粘结强度随聚灰比的增大而增大．14 d的剪切粘结强度在水胶比为0.5时达到峰值；当水胶比小于0.5时，14 d的剪切粘结强度随水胶比的增大而不断增大；当水胶比大于0.5时，14 d的剪切粘结强度随水胶比的增大而减小．当减水剂用量为0.3%时，14 d的剪切粘结强度最小；当减水剂用量小于0.3%时，14 d的剪切粘结强度随减水剂用量的增大而减小；当减水剂用量大于0.3%时，14 d的剪切粘结强度随减水剂用量的增大而增大．

图5 14 d的剪切粘结强度—因素关系图

图6为7 d的抗渗压力随三个因素的变化曲线．7 d的抗渗压力随聚灰比的增大而增大．当水胶比小于0.5时，7 d的抗渗压力基本不变；当水胶比大于0.5时，7 d的抗渗压力随水胶比的增大而缓慢增长．当减水剂的用量为0.3%时，7 d的抗渗压力最小；当减水剂用量小于0.3%时，7 d的抗渗压力随减水剂用量的增大而减小；当减水剂用量大于0.3%时，7 d的抗渗压力随减水剂用量的增大而增大．

图6 7 d的抗渗压力—因素关系图

4.2 方差分析表6—9分别是三个因素(聚灰比、水胶比和减水剂用量)对聚合物水泥砂浆保水性、7 d的剪切粘结强度、14 d的剪切粘结强度及7 d的抗渗压力影响的方差分析．F值越大，代表某因素对聚合物砂浆性能的影响越大；当F值≥F临界值时，此因素对聚合物砂浆性能具有显著性影响．经过方差分析，在聚合物砂浆性能的测试中，三个因素均不具有显著性影响；但是在表6中，聚灰比因素的F值最大，表明聚灰比对聚合物砂浆的保水性影响较大；同样，在表7—9中，聚灰比的F值也最大，所以聚灰比对聚合物砂浆的剪切粘结强度及7 d的抗渗压力影响也较大．

表6 保水性的方差分析

表7 7 d剪切粘结强度的方差分析

表8 14 d剪切粘结强度的方差分析

表9 7 d抗渗压力的方差分析

4.3 极差分析表10—13分别是三个因素(聚灰比、水胶比和减水剂用量)对聚合物水泥砂浆保水性、7 d剪切粘结强度、14 d剪切粘结强度及7 d抗渗压力的极差分析．极差越大，代表此因素对界面剂性能影响的重要程度越大，由表10可知，聚灰比的极差最大，水胶比次之，减水剂用量最小，所以三因素对界面剂保水性的影响程度排序为：聚灰比>水胶比>减水剂用量．表11—12中，三因素对7 d、14 d剪切粘结强度的影响程度排序也为：聚灰比>水胶比>减水剂用量．表13中，三因素对7 d抗渗压力的影响程度排序为：聚灰比>减水剂用量>水胶比．

表10 保水性极差分析

表11 7 d剪切粘结强度的极差分析

表12 14 d剪切粘结强度的极差分析

表13 7 d抗渗压力的极差分析

5 PTB乳液改性后的微观结构分析

为了研究PTB乳液掺入的作用，将单独掺入PTB乳液的砂浆与普通砂浆进行微观结构对比试验．试验采用环境扫描电子显微镜(ESEM)，型号为XL30，由荷兰FEI公司生产．将普通砂浆与PTB乳液改性砂浆进行对比试验，配合比见表14．

表14 普通砂浆与PTB乳液改性砂浆微观扫描试验配合比

图7—8分别为A0、A1组砂浆在养护3 d和28 d后的微观扫描形貌图．由图7(a)、(b)中可以看出，砂浆水化生成的薄片或纤维状的C-S-H凝胶体之间以棒条形或针状的晶体-钙矾石相连，未水化的水泥颗粒仍然以颗粒存在，且未水化的水泥颗粒明显多于图7(c)、(d)中未水化的水泥颗粒，水化产物在这些未水化的水泥颗粒及砂表面“生长”，纤维状的C-S-H 凝胶体和钙矾石的针状晶体相互交联，形成间断的、孔隙较大的骨架网状体系．

图7 A0组微观结构形貌

图8 A1组微观结构形貌

由图8(a)、(b)可以看出，掺入PTB乳液的砂浆虽然同样只养护了3 d，但却很难看到单独存在的未水化的水泥颗粒物，这主要是由于PTB乳液成膜后在表面将水化产物和未水化水泥颗粒进行了包裹，形成了网状结构，相比图7，其大孔隙明显减少．养护28 d后由图8(c)、(d)可以看出，水化程度进一步加强，大直径孔隙进一步减少，PTB乳液流入微小封闭孔隙的量大量增加，相互连通且直径均匀，这些孔隙既可以阻止内部水分被加气混凝土砌块吸收，又可以阻止外部水分的侵入，可以有效地避免墙体被雨水的侵蚀．PTB乳液为氯乙烯、乙烯、乙烯酯组成的三元共聚物，三元共聚物不仅具有其各单体的优点，而且聚合后具有较低的成膜温度，形成的膜具有优良的耐候性、耐磨性、阻燃性以及与多种材料(如纤维、木材、塑料、水泥、砖石等)有良好的粘结性[16]．水泥基体(水化产物)和PTB乳液共同连接水化产物和未水化水泥颗粒后，形成了不完全连续的空间骨架-基体网状结构体系，且此网状体系具有比一元或二元共聚物更好的物理力学性能．结构致密的网状结构可以增多界面剂与加气混凝土砌块墙体的着力点，这种网状结构的弹性模量远低于水泥石的弹性模量，且键能大延性好，使界面剂整体具有较大的变形能力，不会出现内部的空鼓和裂缝，如此就增强了界面剂的粘结强度．

可以把凝结—硬化—养护后的聚合物水泥砂浆体认为是二相复合材料，水泥石和聚合物可以被分别认为是基体相m和粒子相p，复合后的界面剂的弹性模量由并联模型[17]，可以由公式(2)确定．由于Em远大于Ep，且Vc≈Vp+Vm，所以最终Ec

Ec=(Vp·Ep+Vm·Em)/Vc，

(2)

其中，Vp—粒子相的体积；Ep—粒子相的弹性模量；Vm—基体相的体积；Em—基体相的弹性模量；Vc—复合后的体积；Ec—复合后的弹性模量．

6 结 论

本研究利用试验仪器对界面剂的宏观性能和微观结构进行了测试，同时结合理论分析和研究了加气混凝土砌块界面剂的影响因素．研究表明：①聚灰比是影响界面剂保水性、粘结强度和抗渗能力的最重要因素；②其他因素不变时，界面剂的保水性、7 d及14 d的剪切粘结强度、7 d的抗渗压力均随聚灰比的增大而增大；③掺入三元共聚物PTB乳液后，砂浆内部产生了大量的微孔，形成了不完全连续的空间骨架-基体网状结构体系，此体系具有更优异的物理力学性能，它提高了界面剂的保水性、粘结强度和抗渗能力．该研究结果可为提高加气混凝土砌块界面剂的性能提供理论参考．

因受试验设备的限制，本研究在试验中未能进行界面剂抗冻融性能的试验，且尚未能进行粘结强度损伤影响等方面的研究，为此，今后应对此进行进一步的研究．