一种新型预拌抹灰砂浆增塑剂的研制

黄暑年， 詹炳根

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程结构与材料重点实验室,安徽 合肥 230009)

一种新型预拌抹灰砂浆增塑剂的研制

黄暑年1,2， 詹炳根1,2

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程结构与材料重点实验室,安徽 合肥 230009)

文章通过正交试验,研究了木质素磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、增强剂JF1、稳定剂HM2对预拌抹灰砂浆性能的影响,使用JMP软件预测,得到了一种砂浆增塑剂的最优配比,并进行了试验验证;对比研究了掺与不掺增塑剂砂浆的性能。 结果表明,研制出的增塑剂不仅能够明显改善新拌砂浆的和易性, 而且能够提高硬化砂浆的强度性能,各项技术指标满足相关规范的要求。

预拌砂浆;抹灰砂浆增塑剂;正交试验;JMP软件

传统抹灰砂浆具有工作性能差、强度低、黏结性差、易开裂等缺陷。砂浆保水增塑剂是一种新型的水泥砂浆拌和物外加剂,不仅能显著改善砂浆的和易性,而且能明显提高砂浆的其他性能。在预拌抹灰砂浆中,增塑剂是最核心的添加剂,对这类添加剂的研发力度正在不断增加。

砂浆保水增塑剂一般包括保水组分、引气组分、减水组分等[1],常以纤维素醚、十二烷基苯磺酸钠(LAS)、木质素磺酸钠(木钠)为基本组分进行配制[2-3]。其中LAS和木钠起到增加稠度、减少容重的作用,但会增加收缩[4-5],三者复配往往难以满足抹灰砂浆黏结强度和收缩率的要求。文献[6]研究认为烷基或芳基或烷基芳基磺酸盐和含氧化烯的非离子高分子化合物混合,能修改胶凝化合物的结构,调整和稳定水泥水化产物中孔隙。文献[7]提出聚氧化乙烯是一种减缩剂,会使混凝土强度降低。聚氧化乙烯能减少砂浆收缩,但黏结强度难以满足要求,且价格较贵。

本文利用增强剂JF1和稳定剂HM2替代聚氧化乙烯或含氧化烯的非离子高分子化合物,与纤维素醚、LAS、木钠配合对砂浆进行改性,弥补纤维素、木钠和LAS复配在收缩率和黏结强度方面的不足,同时起到辅助保水的作用,研制出一种能使抹灰砂浆收缩率显著降低、黏结强度显著提高而其他性能良好、价格便宜的预拌抹灰砂浆增塑剂。

1 试验原材料与方案

1.1 原材料与试验方案

原材料如下：P.O42.5水泥,其基本性能见表1所列;级配Ⅱ区、细度模数2.60的中砂;纤维素醚;木质素磺酸钠(木钠);十二烷基苯磺酸钠(LAS);增强剂JF1;稳定剂HM2。

以提高砂浆保水性、黏结强度和减少收缩为主要目标进行试验方案设计。纤维素醚是保水增塑剂的必选组分,参考相关研究[8]并考虑成本,本试验固定其掺量为0.045%。十二烷基苯磺酸钠(LAS)与纤维素醚的相容性较好[9],以其做为引气组分。考虑到价格因素和对砂浆稠度经时损失的影响,选木质素磺酸钠作为减水组分。为提高砂浆的黏结强度并减少收缩,选用增强剂JF1 和稳定剂HM2。

表1 水泥的基本性能

选取LAS(A)、木钠(B)、增强剂JF1(C)、稳定剂HM2(D)4个主要影响因素,每个因素取3个水平,采用L9(34)正交表进行试验,主要考虑的响应为容重、保水率、14 d黏结强度、28 d抗压强度和28 d收缩率。 试验灰砂质量比为1∶4,水灰质量比为0.8,用水量为13.8%,砂浆稠度的范围均在80～90 mm之间。

对正交设计结果,采用JMP软件分析确定最优化增塑剂配比并进行试验验证;通过试验,比较掺与不掺所研究增塑剂砂浆的性能,比较掺加所研制增塑剂与市场应用较好商品增塑剂砂浆的性能,在此基础上评价所研制的增塑剂。

1.2 试验方法

按照文献[10-11],测试砂浆的稠度、保水率、湿容重、黏结强度、收缩率及抗压强度。

2 试验结果与分析

2.1 正交试验结果

试验结果及极差分析结果见表2和表3所列。

表2 试验结果

表3 极差分析结果

2.2 外加剂各组分对砂浆性能的影响

2.2.1 对保水率的影响

由表3可知,4种主要因素对保水率的影响从大到小依次为C>A>D>B。增强剂JF1对砂浆保水率的影响最显著,主要是因为增强剂JF1含表面水溶性保护胶体,能吸附一定的水分,形成聚合物膜,起到保水的作用;而纤维素醚中含大量亲水性羟基,能够结合大量的水分子,使砂浆体系具有良好的保水性。

添加剂对保水率的影响如图1所示。由图1可知,其他添加剂的影响不显著,LAS、木钠仅随其质量分数的增加,保水率略有上升。

图1 添加剂对保水率的影响

2.2.2 对湿容重的影响

由表3可知,4种主要因素对湿容重的影响从大到小依次为A>B>C>D,LAS对砂浆湿容重的影响最显著。

LAS作为引气组分加入砂浆中,能引入细小、均匀、稳定的气泡,导致砂浆的湿容重显著降低,产量显著增加。LAS引入气泡的同时,气泡产生了滚珠效应,增大了砂浆的稠度,使其具有良好的施工性能。

添加剂对湿容重的影响如图2所示。由图2可知,木钠对砂浆的作用与LAS相比略差,其他添加剂影响不显著。

图2 添加剂对湿容重的影响

2.2.3 对14 d黏结强度的影响

由表3可知,4种主要因素对黏结强度的影响从大到小依次为C>D>B(A),增强剂JF1对砂浆黏结强度的影响最显著,主要是因为增强剂JF1能与水泥砂浆形成互穿网络结构,在孔隙中形成连续的聚合物膜,加强了集料之间的黏结,且黏结强度随掺量的增加而增加。水化反应开始后,随着氢氧化钙、钙矾石晶体及水化硅酸钙凝胶体的生成,聚合物颗粒沉积到凝胶体和未水化的水泥颗粒上。随着水化反应进一步进行,水化产物增多,聚合物颗粒逐渐聚集在毛细孔中,并在附着体上形成紧密堆积层,但不能完全填充到毛细孔的内表面。

由于水化或干燥使水分进一步减少,在凝胶体和孔隙中紧密堆积的聚合物颗粒凝聚成连续的薄膜,形成与水化水泥浆体互穿基质的混合体,并且使水化产物之间及骨料相互胶接,从而黏结强度得到显著提高。

添加剂对14 d黏结强度的影响如图3所示。由图3可知,随着木钠、增强剂JF1和稳定剂HM2质量分数的增加,黏结强度增加,而LAS的影响不显著。

图3 添加剂对14 d黏结强度的影响

2.2.4 对28 d收缩率的影响

由表3可知,4种主要因素对28 d收缩率的影响从大到小依次为A>C>B>D,LAS、增强剂JF1对砂浆收缩率的影响最显著。添加剂对28 d收缩率的影响如图4所示。由图4可知,随着LAS和木钠质量分数的增加,收缩率逐渐增大,主要是因为引气剂向砂浆中引入大量均匀密闭的气泡,气体的弹性模量与水泥石及砂相比小得多,使得作为多相复合材料的砂浆变形能力提高,引气剂掺量越大,试件的含气量越高,收缩率提高就越明显[12]。而增强剂JF1和稳定剂HM2属于聚合物,一些聚合物分子中的活性基团能与水泥水化产物中的Ca2+、A13+等产生交联反应,形成特殊的桥键作用,改善了水泥砂浆硬化体的物理组织结构,增强了内部结构的致密性,从而减少了微裂纹的产生,降低了孔隙率和收缩率。

图4 添加剂对28 d收缩率的影响

2.2.5 对28 d抗压强度的影响

由表3可知,4种主要因素对28 d抗压强度的影响从大到小依次为A>B>C>D。LAS、木钠对强度影响最显著,主要是由于引入了大量气泡,提高了孔隙率,导致强度降低;但在保证稠度不变的情况下,LAS、木钠复配能抑制强度的降低。

添加剂对28 d抗压强度的影响如图5所示。由图5可知,增强剂JF1和稳定剂HM2对强度也有一定的提高,主要是因为与水泥水化产物生成大的聚合体,增强了内部的致密性,降低了孔隙率[13]。

图5 添加剂对28 d抗压强度的影响

2.3 配比优化

采用JMP软件,将保水率、湿容重、14 d黏结强度、28 d收缩率、28 d抗压强度分别按0.2、0.1、0.1、0.3、0.3的重要性系数进行优化,得到最优配比(按质量分数计)为LAS 0.03%、木钠 0.03%、增强剂JF1 0.03%、稳定剂HM2 0.03%,相应的保水率为92.9%,湿容重为1 892 kg/m3,14 d黏结强度为0.28 MPa,28 d收缩率为0.042%,28 d抗压强度为16.5 MPa。

2.4 砂浆性能对比

不掺加增塑剂的基准砂浆(Ⅰ)、掺加研制增塑剂砂浆(Ⅱ)和掺商品增塑剂砂浆(Ⅲ)的性能试验结果见表4所列。从表4可以看出,Ⅱ型砂浆的性能与JMP软件优化值很接近。3种砂浆性能的对比显示,Ⅱ型和Ⅲ型砂浆强度都有所降低,但前者的保水率、收缩率和黏结强度都显著提高。

表4 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类砂浆的性能指标

3 结 论

(1) 本文研制出一种预拌抹灰砂浆增塑剂,配比如下:纤维素醚质量分数为0.045%,LAS、木钠、增强剂JF1及稳定剂HM2的质量分数均为0.03%。

(2) 加入增强剂JF1和稳定剂HM2改性的砂浆,收缩率显著降低,黏结性能显著提高,保水率有所改善,抗压强度不显著降低,整体性能较好。

(3) 研制出的预拌抹灰砂浆增塑剂,各种技术指标满足文献[11]的要求,也满足文献[14]中普通抹灰砂浆的要求,且掺量少,价格便宜。

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Developmentofanewreadymixedplasteringmortarplasticizer

HUANG Shunian1,2, ZHAN Binggen1,2

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering, Hefei 230009, China)

To develop a new mortar plasticizer, a system composed of lignin sulfonic acid sodium, sodium dodecyl benzene sulfonate, strengthening agent JF1 and stabilizer HM2 was investigated. The orthogonal experiment was applied to studying the effect of the components of the system on the performance of ready mixed plastering mortar. The optimal proportion of the plasticizer was predicted with JMP software and validated with trial mix. Comparative study on the characteristics of mortar with or without plasticizer was conducted. Results show that the plasticizer can not only improve the workability of fresh mortar, but also improve the bond strength of hardened mortar. Each technical index of the plasticizer meets the relevant specifications.

ready mixed mortar; plastering mortar plasticizer; orthogonal experiment; JMP software

2016-02-25；

2016-04-25

黄暑年(1990-),男,湖北荆州人,合肥工业大学硕士生; 詹炳根(1964-),男,安徽庐江人,博士,合肥工业大学教授,硕士生导师,通讯作者,E-mail:bgzhan@hfut.edu.cn.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.10.019

TU528.042.8

A

1003-5060(2017)10-1399-05

(责任编辑 张淑艳)