轻质聚合物干粉抹面砂浆抗压强度与抗冻性

沈忱, 任成锋, 王金光, 单俊伟, 景宏君*

(1.西安建工第七建设集团有限公司, 西安 710116; 2.西安科技大学建筑与土木工程学院, 西安 710054)

随着建筑行业的不断发展,对于普通外墙抹面砂浆的性能要求越来越高。因此,出现了一些具备抗裂、防水和黏结性强等特点的高性能水泥砂浆[1-5]。外墙抹面砂浆作为建筑物外表层常年受到冻害侵扰[6],严重威胁行人的生命安全和财产安全。为了减少由此带来的损失[7-8],研究高性能水泥砂浆在冻融作用下的劣化机理显得十分重要。

当前大部分学者的研究重点为聚合物乳液改性下的高性能水泥砂浆,而聚合物干粉改性水泥砂浆的报道相对较少。聚合物干粉是通过特殊工艺将聚合物乳液喷雾干燥而形成粉状颗粒,具有“壳-核”结构[9-11]。许多学者已对聚合物水泥砂浆的力学性能进行了研究,例如,杨林等[12]、侯云芬等[13]和Fan等[14]发现聚合物可以改善砂浆的工作性能;陈勇等[15]采用聚合物水泥砂浆对楼板进行加固,极大地提高了楼板承载力;Liao等[16]和Jo[17]发现聚合物的加入可以提高砂浆的黏结强度;王培铭等[18]和侯云芬等[13]则研究了聚合物干粉水泥砂浆的力学性能,发现聚合物干粉可以提高砂浆的抗折强度和拉伸黏结强度,但降低了砂浆的抗压强度,对抗压强度降低原因并未给出明确的解释。此外,Sarde等[19]研究了聚合物水泥砂浆的耐酸性;高乙博等[20]探讨了其抗氯离子渗透性能和抵抗塑性自由收缩性能;张春雨等[21]研究了其抗渗性能;Li等[22]研究了其抗碳化性能。这些研究结果表明,聚合物的加入改善了上述的耐久性指标,但对于聚合物干粉抹面砂浆的抗冻性研究相对较少,并且缺乏相关的劣化机理和规律。因此,有必要对聚合物干粉抹面砂浆的抗压强度和抗冻性进行更系统的研究。

据报道,聚合物干粉可以在集料与水泥颗粒表面形成膜结构[23],从而填充和阻挡砂浆内部的孔隙,有效减轻外墙抹面砂浆的冻害破坏。然而,目前相关研究有限,缺乏系统的结论。因此,现将水灰比、重钙掺量和聚合物干粉掺量作为变量,设计了轻质聚合物干粉抹面砂浆,并通过抗压强度试验与冻融循环试验,分析砂浆抗压强度与抗冻性能的下降规律及劣化机理,将为聚合物干粉抹面砂浆配比设计及工程应用提供有价值的参考依据。

1 试验概况

1.1 试验原材料

本次试验主要采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥、重钙、细度模数1.25以下的特细砂、可再分散乳胶粉(vinyl acetate copolymer-ethylene,VAE)聚合物干粉、羟丙基甲基纤维素(hydroxypropyl methyl cellulose,HPMC)、淀粉醚及减水效率20%的聚羧酸高效减水剂。可再分散乳胶粉基本性能如表1所示,羟丙基甲基纤维素基本性能参数如表2所示。

表1 可再分散乳胶粉基本性能Table 1 Basic properties of redispersible polymer powder

表2 羟丙基甲基纤维素基本性能Table 2 Basic properties of hydroxypropyl methylcellulose

1.2 配合比

根据前期大量试验,将砂浆灰砂比(质量比)固定为1∶2,空心漂珠掺量为砂的10%,HPCM与淀粉醚的掺量分别为0.4%与0.1%;水灰比采取0.35、0.45、0.55和0.65共4个水平,VAE的掺量为胶凝材料质量的0、3%、6%、9%,重钙的掺量为胶凝材料的0、3%、6%、9%,具体配合比如表3所示。

表3 正交试验配合比Table 3 Orthogonal test mix ratio

1.3 试验方法

1.3.1 立方体抗压强度试验

轻质聚合物干粉抹面砂浆抗压强度按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70—2009)规定进行。首先根据表3配合比制备砂浆,然后倒入试模并在振动台上振捣5～10 s。制样完毕后在室温[(20±5) ℃]条件下养护12～24 h,对其脱模放入养护室内进行标准养护[温度:(20±5)℃,相对湿度:90%以上]。养护至7 d、28 d时,采用SYE-2000型压力试验机(图1)测定抗压强度。加载速度为0.25～0.5 kN/s,当加载数值为零或负值时表示试件已破坏,停止加载。本试验一共16组,每组3个试样,试样尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。

图1 压力试验机Fig.1 Pressure testing machine

1.3.2 抗冻性能试验

轻质聚合物干粉抹面砂浆抗冻性能参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GBT 50082—2009)中“快冻法”进行。将试件养护至3 d和24 d时放入水中,将试样浸泡4 d,然后擦干试样,称取质量,放入快速冻融机中,设定每次冻融循环为4 h,每5次冻融循环观察一次表观情况与测定质量。当质量损失率达5%时,即认为试件已被破坏, 试样尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。

砂浆试块经30次冻融循环后,按照上述试验步骤依次进行,采集轻质聚合物干粉抹面砂浆经冻融之后的抗压强度数据,计算7 d、28 d质量损失率与强度损失率。

2 试验结果与分析

根据表3配合比进行立方体抗压强度试验和冻融循环试验,测得试验结果如表4所示。其中强度损失率为轻质聚合物干粉抹面砂浆经30次冻融循环后所得,图2为聚合物干粉抹面砂浆冻融前后外观变化。

图2 冻融前后外观变化Fig.2 Appearance changes before and after freeze-thaw

表4 正交试验结果Table 4 Orthogonal test results

2.1 力学性能极差分析

对表4轻质聚合物干粉抹面砂浆的7 d、28 d抗压强度进行极差分析,其分析结果如表5和表6所示。

表5 砂浆7 d抗压强度正交试验极差分析Table 5 Range analysis of 7 d compressive strength orthogonal test of mortar

表6 砂浆28 d抗压强度正交试验极差分析Table 6 Grade analysis of 28 d compressive strength orthogonal test of mortar

由表5可知,轻质聚合物干粉抹面砂浆7 d抗压强度影响因素由强至弱依次为:水灰比、VAE掺量、重钙掺量。为了更直地观表征不同因素水平对7 d抗压强度试验的变化规律,绘制了不同因素水平下7 d抗压强度变化的趋势图(图3)。

图3 不同因素水平下砂浆7 d抗压强度趋势Fig.3 Trend of 7 d compressive strength of mortar at different factor levels

图3为轻质聚合物干粉抹面砂浆在不同因素水平下7 d抗压强度变化的趋势图。由图3可知,当水灰比为0.35时,砂浆7 d抗压强度均值为16.6 MPa,与之相比,水灰比为0.45、0.55、0.65时7 d抗压强度均值分别降低了25.90%、38.55%、54.82%;轻质聚合物干粉抹面砂浆7 d抗压强随着VAE掺入呈下降趋势,VAE掺量为3%、6%、9%相较未掺分别降低3.12%、13.28%、20.31%,掺量3%时对7 d抗压强度影响极小,超过3%将引起7 d抗压强度大幅下降;重钙掺量在3%时,与未掺相比,7 d抗压强度仅下降0.78%,变化幅度最小,对砂浆7 d抗压强度无显著影响。

由表6可知,轻质聚合物干粉抹面砂浆28 d抗压强度的影响因素顺序是:A>B>C,与砂浆7 d抗压强度变化趋势相似,不同因素水平下28 d抗压强度的变化趋势如图4所示。

图4 不同因素水平下砂浆28 d抗压强度趋势Fig.4 Trend of 28 d compressive strength of mortar at different factor levels

由图4可知,水灰比为0.35时,砂浆28 d抗压强度均值为18.3 MPa,与其相比,水灰比为0.45、0.55、0.65时,28 d抗压强度均值分别降低了20.22%、36.61%、53.01%;轻质聚合物干粉抹面砂浆28 d抗压强度随VAE掺量的增加而下降,VAE掺量为3%、6%、9%相较未掺分别降低7.28%、15.2%、24.5%,此时掺量在3%内对28 d抗压强度相对影响较小,掺量超过3%,28 d抗压强度下降速率增快;重钙掺量为3%、6%、9%相较未掺组分别降低5.59%、10.49%、11.19%。

综上所述,随着水灰比增大,轻质聚合物干粉抹面砂浆的抗压强度下降。这是因为水泥用量减少,水化反应过程产生的胶凝体也随之减少,集料间的毛细孔未被填实,造成抗压强度降低。VAE掺量与重钙掺量使砂浆抗压强度降低的机理也是如此。对比轻质聚合物干粉抹面砂浆7 d与28 d抗压强度变化趋势,发现随着龄期的增加,水灰比引起抗压强度下降的幅度减小,VAE掺量与重钙掺量引起抗压强度下降的幅度增大。若VAE掺量与重钙掺量均控制在3%以内,虽然抗压强度有小幅下降,但不影响结构正常使用,可保证工程的安全性与经济性。

2.2 力学性能方差分析

极差分析方法虽简便且工作量小,但缺点也非常明显,其对因素效应与误差大小显著性无法做出较精准的判断,因此还需借助方差分析进行F检验。

对表4中轻质聚合物干粉抹面砂浆30次冻融循环后7 d、28 d抗压强度进行方差分析,结果如表7所示。

表7 砂浆7 d、28 d抗压强度试验方差分析Table 7 Analysis of variance of mortar 7 d and 28 d compressive strength tests

由表7可知,水灰比的F值远大于VAE掺量与重钙掺量的F值,证明水灰比对砂浆抗压强度影响显著。VAE掺量与重钙掺量对抗压强度无显著影响。不同因素显著性影响由强至弱依次为:水灰比、VAE掺量、重钙掺量,与极差分析结果相同。同时验证了将水灰比控制在合理范围内,VAE与重钙掺入虽引起抗压强度的小幅降低,但无显著影响。

2.3 抗冻性能极差分析

抗冻性是反映砂浆耐久性的重要指标之一,虽然质量损失率也可作为抗冻性的评价指标,但冻融循环后的强度损失率可更直观有效地表现砂浆工作优劣性。因此,本次试验通过分析30次冻融后抗压强度损失率,来表征轻质聚合物干粉抹面砂浆的抗冻性能。对表4中轻质聚合物干粉抹面砂浆7 d、28 d强度损失率进行极差分析,其结果如表8与表9所示。

表8 砂浆7 d抗压强度损失率极差分析Table 8 Extreme analysis of 7 d compressive strength loss rate of mortar

表9 砂浆28 d抗压强度损失率极差分析Table 9 Analysis of the extreme difference of the loss rate of compressive strength of mortar in 28 d

由表8可知,轻质聚合物干粉抹面砂浆30次冻融循环后7 d抗压强度损失率影响因素由强至弱依次为:VAE掺量、水灰比、重钙掺量。分析不同因素水平与轻质聚合物干粉抹面砂浆7 d强度损失率之间的变化趋势,如图5所示。

图5 不同因素水平下砂浆7 d抗压强度损失率趋势Fig.5 Trend of 7 d compressive strength loss rate of mortar at different factor levels

图5为轻质聚合物干粉抹面砂浆7 d强度损失率随不同因素水平的变化趋势图,由图5可知,因素C相较其他因素(A、B)强度损失率波动较小。随着水灰比增大,抗压强度损失率呈现递增趋势,与水灰比为0.35时相比,水灰比为0.45、0.55、0.65时,分别增加了21.31%、49.18%、49.18%;轻质聚合物干粉抹面砂浆30次冻融循环后7 d强度损失率随VAE掺量增加先减少后增大,VAE掺量为3%时,7 d强度损失率降低16.67%,当VAE掺量为6%、9%时,相较未掺组,其7 d强度损失率分别增加23.19%、增加34.06%,其中VAE掺量为3%时损失率最小(11.5%),VAE掺量为9%时强度损失率最大(18.5%);砂浆30次冻融循环后7 d强度损失率随重钙掺量增加大致呈上升趋势,重钙掺量为3%时,7 d强度损失率均值为15.5%,相较未掺时仅上升0.65%。

由表9可知,轻质聚合物干粉抹面砂浆30次融循环后28 d抗压强度损失率的影响因素依次为:VAE掺量、水灰比、重钙掺量。分析不同因素水平与轻质聚合物干粉抹面砂浆28 d强度损失率之间的变化趋势,如图6所示。

图6 不同因素水平下砂浆28 d抗压强度损失率趋势Fig.6 The trend of 28 d compressive strength of mortar at different levels of factors

由图6可知,水灰比为0.35时,轻质聚合物干粉抹面砂浆28 d强度损失率均值为8.1%,与之相比,水灰比为0.45、0.55、0.65时分别增加了30.86%、32.10%、55.56%;VAE掺量为3%、6%、9%相较未掺组分别降低24.14%,增加34.48%、增加73.56%,其中VAE掺量为3%时损失率最小(6.6%);重钙掺量为3%、6%、9%相较未掺组分别增加3.03%、10.10%、15.38%。

随着水灰比增大,轻质聚合物干粉抹面砂浆抗冻性能降低。这是因为水泥用量的减少,水化过程中产生胶凝材料不足完全包裹细集料,导致试样内部存在较多有害孔,为冻害发生创造了有利条件,砂浆抗冻性随着重钙掺量的增加而下降的原因与此相同。VAE的掺入,使细集料表面产生一层均匀且质密的聚合物包裹膜,水泥浆体与聚合物包裹膜相互交织形成空间膜,有效填充了砂浆中的有害孔与缺陷,提高了砂浆抗冻性能,当VAE掺量在3%内时,抗冻性能优异,大于3%时,由于胶凝材料的减少,反而对抗冻不利。

2.4 抗冻性能方差分析

对表4中轻质聚合物干粉抹面砂浆冻融循环30次7 d、28 d强度损失率进行方差分析,结果如表10所示。

表10 砂浆7 d、28 d强度损失率方差分析Table 10 Analysis of variance of mortar 7 d and 28 d strength loss rate

由表10可知,VAE掺量的F=302.40,远大于F0.01=99,证明VAE掺量对轻质聚合物干粉抹面砂浆冻融循环30次后7 d、28 d强度损失率有显著影响。水灰比的F=74.28

2.5 综合性能分析

通过正交试验极差和方差分析可得,影响轻质聚合物干粉抹面砂浆7 d、28 d抗压强度的因素关系为:水灰比>VAE掺量>重钙掺量;影响轻质聚合物干粉抹面砂浆7 d、28 d抗冻性能的因素关系为:VAE掺量>水灰比>重钙掺量。以期得出综合性能优良的因素组合,本次试验以28 d抗压强度和30次冻融循环后28 d强度损失率为指标,代入式(1)、式(2)和式(3)计算综合性能[24]。

Q1={α1x1,α2x2,α3x3,…}

(1)

Q2={β1x1,β2x2,β3x3,…}

(2)

(3)

式中:PT为综合性能指标;Q1为轻质聚合物干粉抹面砂浆抗压性能,用抗压强度表征;Q2为轻质聚合物干粉抹面砂浆抗冻性能,用强度损失率表征;μ为Q1的重要程度,取0～1;α、β分别为各因素对响应量的影响程度。

计算不同水平水灰比、VAE掺量、重钙掺量轻质聚合物干粉抹面砂浆28 d抗压强度与28 d强度损失率,取其平均值分别为PT1=1.35、PT2=1.43、PT3=1.26。结合实际需求,用于外墙抹面砂浆的抗冻性能重要程度要远大于抗压强度,所以取μ=0.3。按照上述表达式,解得:x1=0.37、x2=0.28、x3=0.39。因此综合性能优良的因素组合为水灰比0.37、VAE掺量2.8%、重钙掺量3.9%。此外,可结合具体工作环境与工程要求,适当调整二者重要性,设计不同组合。

3 结论

通过对轻质聚合物干粉抹面砂浆的抗压强度与抗冻性能劣化机理的研究和分析,可以得到以下结论。

(1)水灰比和VAE掺量对轻质聚合物干粉抹面砂浆的7 d、28 d抗压强度影响显著,而重钙掺量对抗压强度影响较小。随着龄期的增加,水灰比增大使抗压强度下降幅度减小,VAE与重钙掺量使抗压强度下降幅度增大。

(2)对轻质聚合物干粉抹面砂浆抗冻性能影响最显著的因素是VAE掺量,随VAE掺量的增加,7 d、28 d强度损失率呈先减小后增大趋势,将VAE掺量控制在3%以内,可以发挥出材料最优异的抗冻性能,此外养护龄期对抗冻性能影响较小。

(3)重钙的掺入虽然会引起砂浆抗压强度与强度损失率下降,但下降幅度均很小,可以将重钙掺量控制在3%以内,节约工程成本。

(4)综合考虑28 d抗压强度和强度损失率,将水灰比控制在0.37附近,VAE掺量2.8%附近、重钙掺量3.9%附近,不仅对抗压强度影响较小,且有很好的抗冻性能,试验结果为轻质聚合物干粉抹面砂浆的进一步研究提供理论参考。