TJS砌筑砂漿外加劑的研制
2005-06-30 00:00
孫振平 蔣正武 王培銘
(同濟大學混凝土材料研究國家重點實驗室，上海，200092)
摘要：討論了研制砂漿外加劑的意義和迫切性。通過試驗對比了不同種類的減水劑、纖維素和引氣劑對砂漿用水量、分層度和強度等性能的影響情況，針對砌筑砂漿特性研制出一種專用于砌筑砂漿的TJS外加劑。文中還對摻加TJS外加劑和石灰膏的砂漿性能進行了對比，并解釋了TJS外加劑的作用機理。
關(guān)鍵詞：砌筑砂漿；外加劑；稠度；分層度；強度
*上海市重點學科建設基金資助
1. 前言
建筑砂漿由于設計強度等級普遍較低，配制時所用水泥量較少(一般200-300kg/m3)，而大部分材料為細集料(黃砂)，所以拌制而成的砂漿盡管強度較易滿足要求，但其和易性、保水性和施工性相當差，涂抹后易開裂甚至剝落，嚴重影響施工質(zhì)量。為了改善建筑砂漿的和易性，長期以來，建筑工程中普遍采用添加石灰膏的措施[1]，盡管在一定程度上改善了砂漿的和易性和施工性，但對砂漿的耐水性有不利影響，對砂漿的抗開裂性亦無有利之處。再者，生石灰加工成石灰膏必須在沉化池中經(jīng)過14天以上的沉化期，占用的場地大，污染嚴重，而石灰膏從沉化場地運送到施工現(xiàn)場的過程中，對沿途路面的污染大，令環(huán)保部門十分頭痛。
近年來，上海、北京等大城市紛紛下文禁止在城區(qū)建筑砂漿中使用石灰膏，并且，新型墻體材料的推廣應用正方興未艾，商品砂漿的生產(chǎn)和推廣應用也在緊鑼密鼓地開展和實施[2，3]。
目前，市場上也出現(xiàn)了一些能夠部分或全部替代石灰膏來改善砂漿和易性的外加劑，如“微沫劑”和有“石灰王”、“砂漿精”等稱號的外加劑，但試驗表明，它們對砂漿的強度均有一定的負面影響[4，5]。因此，研制和推廣應用能夠完全替代石灰膏并且能進一步改善砂漿各項性能的砂漿專用外加劑，對改善建筑砂漿和易性和其它性能，簡化施工工藝和保護環(huán)境等就顯得十分必要了。
2. 試驗原材料和試驗方法
2.1 試驗原材料
32.5級普通水泥；長江河砂，細度模數(shù)2.4，密度2450kg/m3, 堆積密度1420kg/m3, 含泥量1.0%；熟化石灰膏，含水率50%，稠度120mm；粘度分別為1000、40000和100000mP.s的三種纖維素，代號分別為MS1、MS2和MS3；作者自行研制的AEA高性能混凝土引氣劑(以下簡稱AEA)；三種減水劑，分別為木質(zhì)素磺酸鈣(MJ)、萘系高效減水劑(NJ)和氨基磺酸鹽減水劑(AJ)。
2.2 試驗方法
除非特別說明，所有試驗均參照JGJ70-1990建筑砂漿基本性能試驗方法。砂漿立方體抗壓強度測試試件的成型采用無底試模。
3. 試驗結(jié)果與討論
3.1 摻減水劑對砂漿性能的影響
取減水劑MJ的摻量為0.25%C，NJ的摻量分別為0.30%C、0.50%C和0.75%C，AJ的摻量分別為0.20%C、0.40%C和0.60%，對比摻與不摻這三種減水劑對砂漿性能的影響。試驗結(jié)果如表1。
表1 摻加減水劑對砂漿性能的影響
|
序號 |
C:S |
減水劑
及其摻量(%C) |
W/C |
稠度
(mm) |
分層度(mm) |
抗壓強度
(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)摻加三種減水劑均有助于在保持相同流動性情況下，使砂漿拌合用水量減少，并且砂漿的分層度也有所降低；2)與MJ相比，AJ和NJ的摻加對降低砂漿用水量更加有效，而且，當AJ在摻量較低時(0.20%C)就會產(chǎn)生較好的減水效果；3)從對抗壓強度影響方面來看，當摻加減水劑時，盡管在減少用水量的情況下可以提高砂漿的強度，但提高的幅度并不大，即與減水效果不相符，且當減水劑摻量較大時，砂漿抗壓強度反而呈下降趨勢(如SH04與SH03相比，28d強度降低28.7%；SH07與SH05和SH06相比，28d強度分別降低21.0%和8.4%)。
由于減水劑的塑化作用，使砂漿達到相同的流動性時，用水量會有所降低，且降低的幅度隨減水劑摻量增加而增大[6]。摻加減水劑的砂漿由于減水劑的分散作用和一定的引氣作用，也對砂漿保水性有一定的改善。但從表1可以看出，盡管摻加減水劑的砂漿用水量大大減小，但抗壓強度的增幅卻較小，甚至出現(xiàn)摻量較大時強度反而降低的現(xiàn)象。這是因為本試驗采用無底試模，砂漿在澆注后，大部分水分都被下部所墊襯的粘土磚所吸收，說明影響砌筑砂漿強度的主要因素不是水灰比，而是水泥用量和砂漿中的含氣量等。減水劑摻量過大導致砂漿抗壓強度降低的原因可以歸結(jié)為過分引氣所致。
3.2 摻纖維素對砂漿性能的影響
纖維素溶解于砂漿漿體液相中體積有所膨脹并由于橋架作用會增加漿體的粘度，對阻礙細集料在水泥漿體中的下沉和水泥顆粒在水分散體中的下沉(即分層)，改善砂漿的和易性和均勻性，提高砂漿與砌體材料之間的粘結(jié)強度，減小收縮等方面具有非常重要的意義。然而，纖維素種類多，分子量范圍大，粘度各異，尋求合適的纖維素品種和選擇最佳的粘度指標是十分重要的。本文選擇了冷水溶解性好、溶解速度較快的MS纖維素，并設計了一系列試驗，以考察纖維素粘度和摻量對砂漿性能的影響情況。
從試驗結(jié)果可見，摻加纖維素非常有助于降低砂漿的分層度，但是卻對砂漿抗壓強度有不同程度的負面作用。當摻加分子量小、粘度低的MS1纖維素時，能起到降低用水量的作用，這是因為一方面砂漿液相粘度有所增加，另一方面有一定的引氣性，使砂漿在較低水灰比情況下就表現(xiàn)出較好的流動性。當摻加分子量大，粘度達100000mp.s的MS3纖維素時，會使砂漿的用水量大大增加，如當MS3摻量分別為0.01%C、0.02%C和0.05%C，砂漿用水量分別增加4.3%、11.3%和26.1%。由于纖維素的保水作用，使砂漿試塊成型后，水分仍大部分保留在漿體中，實際的水灰比要比不摻者大許多，所以砂漿抗壓強度會明顯降低。從試驗數(shù)據(jù)看出，摻加纖維素MS2不僅對降低砂漿分層度有較好的作用，而且砂漿需水量增加的量較少，砂漿強度也較理想。因此，在利用纖維素改善砂漿保水性和塑性階段均勻性時，對纖維素的粘度和摻量的選擇十分重要。
3.3 摻引氣劑對砂漿性能的影響
本文所研究的砌筑砂漿，其水泥用量低，黃砂和水泥的堆積體系中空隙率大，相當于水泥用量較少的貧混凝土，所以用摻引氣劑的措施來改善砂漿的和易性和力學性能應該是可行的。再者，本文選用的是新研制的AEA高性能混凝土引氣劑，試驗證明，其摻量低(水泥重量的0.0004%-0.08%)、引氣效果明顯，對混凝土強度負面影響較小[7]。
取AEA引氣劑的摻量分別為水泥重量的0%、0.0004%、0.002%和0.01%，測試摻引氣劑對砂漿性能的影響。結(jié)果顯示：摻加AEA引氣劑不僅有助于降低砂漿用水量，而且對減小砂漿分層度非常有效。但也發(fā)現(xiàn)，摻加引氣劑后，盡管砂漿用水量隨著引氣劑摻量增加而大幅度減小，但是其強度卻呈下降趨勢，即砂漿中引氣劑摻量不宜過大。
3.4 TJS砌筑砂漿外加劑的性能及作用機理
根據(jù)以上試驗和分析結(jié)果，認為摻加減水劑、纖維素和引氣劑等外加劑，只要摻量范圍合適，均能從不同側(cè)面對砂漿性能起到一定的改善作用，但是其單獨使用時對砂漿的改性作用是有限的，有時甚至產(chǎn)生負面作用，如單摻纖維素，在增加砂漿粘聚性、降低分層度的同時，卻使砂漿用水量大幅度增加且保存于漿體內(nèi)部，反而導致抗壓強度降低較多；而單摻引氣劑時，雖能大幅度減小砂漿分層度，用水量也大幅降低，但由于氣泡較多卻使砂漿抗壓強度呈現(xiàn)下降趨勢。
筆者認為，為了最大幅度地改善砌筑砂漿性能，同時又避免對砂漿其它性能產(chǎn)生危害，使砌筑砂漿的稠度、分層度和強度均滿足工程要求和有關(guān)技術(shù)規(guī)范的規(guī)定，同時能禁止使用石灰膏，節(jié)約水泥，保護環(huán)境等，從減水、增粘、保水增稠和引氣塑化等角度出發(fā)，采取綜合措施，研制復合型外加劑是十分必要的。
表2反映了經(jīng)大量試驗研制成功的TJS砌筑砂漿外加劑的使用效果。為便于比較，本文還同時測試了摻石灰膏砂漿的性能。試驗中，分別配制了M10、M7.5和M20三種強度等級的砂漿。可見，摻加TJS外加劑砂漿的分層度比摻加石灰膏砂漿的小(均在15mm以內(nèi))，且強度也比較高。
表2 摻TJS外加劑的砂漿和摻石灰膏混合砂漿的性能比較
|
序號 |
C:S |
外加劑
及其摻量
(%C) |
W/C |
稠度(mm) |
分層度
(mm) |
密度
(kg/m3) |
抗壓強度
(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 |
摻石灰膏盡管能使砂漿和易性得到較好的改善作用，但由于石灰的結(jié)晶在一定程度上會降低砂漿的強度，也影響砂漿的耐久性。如果改用摻加TJS外加劑的方法配制砌筑砂漿，則不僅能更好地改善砂漿的稠度和降低分層度，而且對提高砂漿抗壓強度也有一定好處。
關(guān)于TJS外加劑對砂漿性能的改善機理，從前面的研究和分析中已略見一斑，即減水劑的分散塑化、纖維素的增粘保水和摻引氣劑后的適量引氣作用。在TJS外加劑中，減水組分、纖維素和引氣組分之間存在最佳的搭配比例，砂漿保水性的改善和分層度的降低同時得益于減水、塑化、增粘和引氣作用，而不是依靠某種組分單獨的作用，這樣有效避免了由于單純摻加某種組分的量太大而引起的強度負面作用，再者，摻加與纖維素適應性良好的減水劑有助于在漿體粘聚性較大的情況下仍能有效降低水灰比，從而提高砂漿的抗壓強度和改善砂漿的耐久性。
4. 結(jié)論
1)建筑砂漿商品化進程的推進以及對砂漿質(zhì)量、工地文明化施工的重視，將使石灰膏淡出歷史舞臺，而代之以新型的砂漿專用外加劑。
2)單摻減水劑、纖維素和引氣劑均有助于改善砌筑砂漿的某些性能，但卻不能同時滿足其在稠度、分層度和強度等方面的要求。
3)由合適粘度的纖維素、引氣劑和與纖維素適應性最佳的減水劑復配而成的TJS外加劑是一種集減水、塑化、保水、增粘和引氣等功能于一體的砌筑砂漿專用外加劑，摻水泥重量0.2%的TJS外加劑所配制的砂漿其各項性能均優(yōu)于摻石灰膏者，因此具有良好的推廣應用前景。
參考文獻：
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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
本文第一作者簡介：孫振平，男，1969年4月出生，新疆人，博士，副教授，同濟大學混凝土材料研究國家重點實驗室工作。
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