TJS砌筑砂浆外加剂的研制
2005-06-30 00:00
孙振平 蒋正武 王培铭
(同济大学混凝土材料研究国家重点实验室，上海，200092)
摘要：讨论了研制砂浆外加剂的意义和迫切性。通过试验对比了不同种类的减水剂、纤维素和引气剂对砂浆用水量、分层度和强度等性能的影响情况，针对砌筑砂浆特性研制出一种专用于砌筑砂浆的TJS外加剂。文中还对掺加TJS外加剂和石灰膏的砂浆性能进行了对比，并解释了TJS外加剂的作用机理。
关键词：砌筑砂浆；外加剂；稠度；分层度；强度
*上海市重点学科建设基金资助
1. 前言
建筑砂浆由于设计强度等级普遍较低，配制时所用水泥量较少(一般200-300kg/m3)，而大部分材料为细集料(黄砂)，所以拌制而成的砂浆尽管强度较易满足要求，但其和易性、保水性和施工性相当差，涂抹后易开裂甚至剥落，严重影响施工质量。为了改善建筑砂浆的和易性，长期以来，建筑工程中普遍采用添加石灰膏的措施[1]，尽管在一定程度上改善了砂浆的和易性和施工性，但对砂浆的耐水性有不利影响，对砂浆的抗开裂性亦无有利之处。再者，生石灰加工成石灰膏必须在沉化池中经过14天以上的沉化期，占用的场地大，污染严重，而石灰膏从沉化场地运送到施工现场的过程中，对沿途路面的污染大，令环保部门十分头痛。
近年来，上海、北京等大城市纷纷下文禁止在城区建筑砂浆中使用石灰膏，并且，新型墙体材料的推广应用正方兴未艾，商品砂浆的生产和推广应用也在紧锣密鼓地开展和实施[2，3]。
目前，市场上也出现了一些能够部分或全部替代石灰膏来改善砂浆和易性的外加剂，如“微沫剂”和有“石灰王”、“砂浆精”等称号的外加剂，但试验表明，它们对砂浆的强度均有一定的负面影响[4，5]。因此，研制和推广应用能够完全替代石灰膏并且能进一步改善砂浆各项性能的砂浆专用外加剂，对改善建筑砂浆和易性和其它性能，简化施工工艺和保护环境等就显得十分必要了。
2. 试验原材料和试验方法
2.1 试验原材料
32.5级普通水泥；长江河砂，细度模数2.4，密度2450kg/m3, 堆积密度1420kg/m3, 含泥量1.0%；熟化石灰膏，含水率50%，稠度120mm；粘度分别为1000、40000和100000mP.s的三种纤维素，代号分别为MS1、MS2和MS3；作者自行研制的AEA高性能混凝土引气剂(以下简称AEA)；三种减水剂，分别为木质素磺酸钙(MJ)、萘系高效减水剂(NJ)和氨基磺酸盐减水剂(AJ)。
2.2 试验方法
除非特别说明，所有试验均参照JGJ70-1990建筑砂浆基本性能试验方法。砂浆立方体抗压强度测试试件的成型采用无底试模。
3. 试验结果与讨论
3.1 掺减水剂对砂浆性能的影响
取减水剂MJ的掺量为0.25%C，NJ的掺量分别为0.30%C、0.50%C和0.75%C，AJ的掺量分别为0.20%C、0.40%C和0.60%，对比掺与不掺这三种减水剂对砂浆性能的影响。试验结果如表1。
表1 掺加减水剂对砂浆性能的影响
|
序号 |
C:S |
减水剂
及其掺量(%C) |
W/C |
稠度
(mm) |
分层度(mm) |
抗压强度
(MPa) | |
|
7d |
28d | ||||||
|
SH0 |
1:5 |
/ |
1.150 |
86 |
54 |
9.4 |
11.6 |
|
SH01 |
1:5 |
MJ, 0.25 |
0.989 |
82 |
46 |
6.8 |
12.2 |
|
SH02 |
1:5 |
NJ, 0.30 |
1.058 |
80 |
50 |
10.0 |
12.8 |
|
SH03 |
1:5 |
NJ，0.50 |
0.980 |
90 |
44 |
8.7 |
13.6 |
|
SH04 |
1:5 |
NJ，0.75 |
0.886 |
85 |
36 |
7.4 |
9.7 |
|
SH05 |
1:5 |
AJ, 0.20 |
0.980 |
86 |
40 |
9.4 |
12.4 |
|
SH06 |
1:5 |
AJ, 0.40 |
0.872 |
89 |
38 |
7.5 |
10.7 |
|
SH07 |
1:5 |
AJ, 0.60 |
0.750 |
80 |
32 |
6.2 |
9.8 |
可以看出：1)掺加三种减水剂均有助于在保持相同流动性情况下，使砂浆拌合用水量减少，并且砂浆的分层度也有所降低；2)与MJ相比，AJ和NJ的掺加对降低砂浆用水量更加有效，而且，当AJ在掺量较低时(0.20%C)就会产生较好的减水效果；3)从对抗压强度影响方面来看，当掺加减水剂时，尽管在减少用水量的情况下可以提高砂浆的强度，但提高的幅度并不大，即与减水效果不相符，且当减水剂掺量较大时，砂浆抗压强度反而呈下降趋势(如SH04与SH03相比，28d强度降低28.7%；SH07与SH05和SH06相比，28d强度分别降低21.0%和8.4%)。
由于减水剂的塑化作用，使砂浆达到相同的流动性时，用水量会有所降低，且降低的幅度随减水剂掺量增加而增大[6]。掺加减水剂的砂浆由于减水剂的分散作用和一定的引气作用，也对砂浆保水性有一定的改善。但从表1可以看出，尽管掺加减水剂的砂浆用水量大大减小，但抗压强度的增幅却较小，甚至出现掺量较大时强度反而降低的现象。这是因为本试验采用无底试模，砂浆在浇注后，大部分水分都被下部所垫衬的粘土砖所吸收，说明影响砌筑砂浆强度的主要因素不是水灰比，而是水泥用量和砂浆中的含气量等。减水剂掺量过大导致砂浆抗压强度降低的原因可以归结为过分引气所致。
3.2 掺纤维素对砂浆性能的影响
纤维素溶解于砂浆浆体液相中体积有所膨胀并由于桥架作用会增加浆体的粘度，对阻碍细集料在水泥浆体中的下沉和水泥颗粒在水分散体中的下沉(即分层)，改善砂浆的和易性和均匀性，提高砂浆与砌体材料之间的粘结强度，减小收缩等方面具有非常重要的意义。然而，纤维素种类多，分子量范围大，粘度各异，寻求合适的纤维素品种和选择最佳的粘度指标是十分重要的。本文选择了冷水溶解性好、溶解速度较快的MS纤维素，并设计了一系列试验，以考察纤维素粘度和掺量对砂浆性能的影响情况。
从试验结果可见，掺加纤维素非常有助于降低砂浆的分层度，但是却对砂浆抗压强度有不同程度的负面作用。当掺加分子量小、粘度低的MS1纤维素时，能起到降低用水量的作用，这是因为一方面砂浆液相粘度有所增加，另一方面有一定的引气性，使砂浆在较低水灰比情况下就表现出较好的流动性。当掺加分子量大，粘度达100000mp.s的MS3纤维素时，会使砂浆的用水量大大增加，如当MS3掺量分别为0.01%C、0.02%C和0.05%C，砂浆用水量分别增加4.3%、11.3%和26.1%。由于纤维素的保水作用，使砂浆试块成型后，水分仍大部分保留在浆体中，实际的水灰比要比不掺者大许多，所以砂浆抗压强度会明显降低。从试验数据看出，掺加纤维素MS2不仅对降低砂浆分层度有较好的作用，而且砂浆需水量增加的量较少，砂浆强度也较理想。因此，在利用纤维素改善砂浆保水性和塑性阶段均匀性时，对纤维素的粘度和掺量的选择十分重要。
3.3 掺引气剂对砂浆性能的影响
本文所研究的砌筑砂浆，其水泥用量低，黄砂和水泥的堆积体系中空隙率大，相当于水泥用量较少的贫混凝土，所以用掺引气剂的措施来改善砂浆的和易性和力学性能应该是可行的。再者，本文选用的是新研制的AEA高性能混凝土引气剂，试验证明，其掺量低(水泥重量的0.0004%-0.08%)、引气效果明显，对混凝土强度负面影响较小[7]。
取AEA引气剂的掺量分别为水泥重量的0%、0.0004%、0.002%和0.01%，测试掺引气剂对砂浆性能的影响。结果显示：掺加AEA引气剂不仅有助于降低砂浆用水量，而且对减小砂浆分层度非常有效。但也发现，掺加引气剂后，尽管砂浆用水量随着引气剂掺量增加而大幅度减小，但是其强度却呈下降趋势，即砂浆中引气剂掺量不宜过大。
3.4 TJS砌筑砂浆外加剂的性能及作用机理
根据以上试验和分析结果，认为掺加减水剂、纤维素和引气剂等外加剂，只要掺量范围合适，均能从不同侧面对砂浆性能起到一定的改善作用，但是其单独使用时对砂浆的改性作用是有限的，有时甚至产生负面作用，如单掺纤维素，在增加砂浆粘聚性、降低分层度的同时，却使砂浆用水量大幅度增加且保存于浆体内部，反而导致抗压强度降低较多；而单掺引气剂时，虽能大幅度减小砂浆分层度，用水量也大幅降低，但由于气泡较多却使砂浆抗压强度呈现下降趋势。
笔者认为，为了最大幅度地改善砌筑砂浆性能，同时又避免对砂浆其它性能产生危害，使砌筑砂浆的稠度、分层度和强度均满足工程要求和有关技术规范的规定，同时能禁止使用石灰膏，节约水泥，保护环境等，从减水、增粘、保水增稠和引气塑化等角度出发，采取综合措施，研制复合型外加剂是十分必要的。
表2反映了经大量试验研制成功的TJS砌筑砂浆外加剂的使用效果。为便于比较，本文还同时测试了掺石灰膏砂浆的性能。试验中，分别配制了M10、M7.5和M20三种强度等级的砂浆。可见，掺加TJS外加剂砂浆的分层度比掺加石灰膏砂浆的小(均在15mm以内)，且强度也比较高。
表2 掺TJS外加剂的砂浆和掺石灰膏混合砂浆的性能比较
|
序号 |
C:S |
外加剂
及其掺量
(%C) |
W/C |
稠度(mm) |
分层度
(mm) |
密度
(kg/m3) |
抗压强度
(MPa) | |
|
7d |
28d | |||||||
|
SH0 |
1:5 |
/ |
1.15 |
86 |
54 |
2040 |
9.4 |
11.6 |
|
SH08 |
1:5 |
石灰膏, 20 |
1.00 |
85 |
24 |
2100 |
8.6 |
10.2 |
|
SH09 |
1:5 |
TJS, 0.20 |
0.76 |
87 |
14 |
1950 |
9.8 |
12.0 |
|
SH10 |
1:7 |
/ |
1.38 |
80 |
58 |
1910 |
6.1 |
8.3 |
|
SH11 |
1:7 |
石灰膏，45 |
1.16 |
86 |
20 |
1940 |
4.5 |
7.8 |
|
SH12 |
1:7 |
TJS，0.20 |
0.86 |
85 |
15 |
1860 |
6.5 |
8.7 |
|
SH13 |
1:3.5 |
/ |
0.84 |
83 |
36 |
2110 |
17.0 |
23.2 |
|
SH14 |
1:3.5 |
石灰膏，10 |
0.80 |
89 |
20 |
2140 |
15.1 |
22.7 |
|
SH15 |
1:3.5 |
TJS，0.20 |
0.68 |
85 |
13 |
2060 |
18.5 |
26.1 |
掺石灰膏尽管能使砂浆和易性得到较好的改善作用，但由于石灰的结晶在一定程度上会降低砂浆的强度，也影响砂浆的耐久性。如果改用掺加TJS外加剂的方法配制砌筑砂浆，则不仅能更好地改善砂浆的稠度和降低分层度，而且对提高砂浆抗压强度也有一定好处。
关于TJS外加剂对砂浆性能的改善机理，从前面的研究和分析中已略见一斑，即减水剂的分散塑化、纤维素的增粘保水和掺引气剂后的适量引气作用。在TJS外加剂中，减水组分、纤维素和引气组分之间存在最佳的搭配比例，砂浆保水性的改善和分层度的降低同时得益于减水、塑化、增粘和引气作用，而不是依靠某种组分单独的作用，这样有效避免了由于单纯掺加某种组分的量太大而引起的强度负面作用，再者，掺加与纤维素适应性良好的减水剂有助于在浆体粘聚性较大的情况下仍能有效降低水灰比，从而提高砂浆的抗压强度和改善砂浆的耐久性。
4. 结论
1)建筑砂浆商品化进程的推进以及对砂浆质量、工地文明化施工的重视，将使石灰膏淡出历史舞台，而代之以新型的砂浆专用外加剂。
2)单掺减水剂、纤维素和引气剂均有助于改善砌筑砂浆的某些性能，但却不能同时满足其在稠度、分层度和强度等方面的要求。
3)由合适粘度的纤维素、引气剂和与纤维素适应性最佳的减水剂复配而成的TJS外加剂是一种集减水、塑化、保水、增粘和引气等功能于一体的砌筑砂浆专用外加剂，掺水泥重量0.2%的TJS外加剂所配制的砂浆其各项性能均优于掺石灰膏者，因此具有良好的推广应用前景。
参考文献：
1. JGJ98-2000 砌筑砂浆配合比设计规程
2. 王培铭. 商品砂浆在中国的发展. 上海建材，2002(5)，19-21
3. 鞠丽艳，李春龙等. 商品砂浆的技术进展. 新型建筑材料，2001(10)，19-21
4. 张招. 关于当前建筑砂浆外加剂的几个问题. 建筑技术，2001 (5)，322-322
5. 唐士荣. 一种新型砂浆外加剂-SS型高效砂浆塑化粉. 成都建筑，2002(3)，44-48
6. 张冠伦，王玉吉，孙振平. 混凝土外加剂原理与应用. 中国建筑工业出版社，1996，199-207
7. 吴丹虹, 孙振平, 王玉吉等. 高性能混凝土引气剂的研究. 化学建材, 2000(2)，39-41
Development of Masonry Mortar Admixture TJS
SUN Zhenping JIANG Zhengwu WANG Peiming
(State Key Laboratory of Concrete Materials Research, Tongji University, Shanghai, 200092)
Abstract: The requirement and importance of developing mortar admixtures is discussed in this paper. The effects of various admixtures(i.e. plasticizers, cellulose and air-entraining agent) on properties of mortar(water demand, separation and strength etc.) are experimentally compared and a new type TJS admixture suitable for masonry mortars is developed by the authors. The effectiveness of TJS admixture on masonry mortar is investigated and the mechanisms are discussed.
Keywords: Masonry mortar; Admixture; Consistency; Separation; Strength
本文第一作者简介：孙振平，男，1969年4月出生，新疆人，博士，副教授，同济大学混凝土材料研究国家重点实验室工作。
通讯地址：上海市四平路1239号同济大学材料科学与工程学院
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