黃暑年， 詹炳根

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室,安徽 合肥 230009)

一種新型預拌抹灰砂漿增塑劑的研制

黃暑年1,2， 詹炳根1,2

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室,安徽 合肥 230009)

文章通過正交試驗,研究了木質(zhì)素磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、增強劑JF1、穩(wěn)定劑HM2對預拌抹灰砂漿性能的影響,使用JMP軟件預測,得到了一種砂漿增塑劑的最優(yōu)配比,并進行了試驗驗證;對比研究了摻與不摻增塑劑砂漿的性能。 結(jié)果表明,研制出的增塑劑不僅能夠明顯改善新拌砂漿的和易性, 而且能夠提高硬化砂漿的強度性能,各項技術(shù)指標滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

預拌砂漿;抹灰砂漿增塑劑;正交試驗;JMP軟件

傳統(tǒng)抹灰砂漿具有工作性能差、強度低、黏結(jié)性差、易開裂等缺陷。砂漿保水增塑劑是一種新型的水泥砂漿拌和物外加劑,不僅能顯著改善砂漿的和易性,而且能明顯提高砂漿的其他性能。在預拌抹灰砂漿中,增塑劑是最核心的添加劑,對這類添加劑的研發(fā)力度正在不斷增加。

砂漿保水增塑劑一般包括保水組分、引氣組分、減水組分等[1],常以纖維素醚、十二烷基苯磺酸鈉(LAS)、木質(zhì)素磺酸鈉(木鈉)為基本組分進行配制[2-3]。其中LAS和木鈉起到增加稠度、減少容重的作用,但會增加收縮[4-5],三者復配往往難以滿足抹灰砂漿黏結(jié)強度和收縮率的要求。文獻[6]研究認為烷基或芳基或烷基芳基磺酸鹽和含氧化烯的非離子高分子化合物混合,能修改膠凝化合物的結(jié)構(gòu),調(diào)整和穩(wěn)定水泥水化產(chǎn)物中孔隙。文獻[7]提出聚氧化乙烯是一種減縮劑,會使混凝土強度降低。聚氧化乙烯能減少砂漿收縮,但黏結(jié)強度難以滿足要求,且價格較貴。

本文利用增強劑JF1和穩(wěn)定劑HM2替代聚氧化乙烯或含氧化烯的非離子高分子化合物,與纖維素醚、LAS、木鈉配合對砂漿進行改性,彌補纖維素、木鈉和LAS復配在收縮率和黏結(jié)強度方面的不足,同時起到輔助保水的作用,研制出一種能使抹灰砂漿收縮率顯著降低、黏結(jié)強度顯著提高而其他性能良好、價格便宜的預拌抹灰砂漿增塑劑。

1 試驗原材料與方案

1.1 原材料與試驗方案

原材料如下：P.O42.5水泥,其基本性能見表1所列;級配Ⅱ區(qū)、細度模數(shù)2.60的中砂;纖維素醚;木質(zhì)素磺酸鈉(木鈉);十二烷基苯磺酸鈉(LAS);增強劑JF1;穩(wěn)定劑HM2。

以提高砂漿保水性、黏結(jié)強度和減少收縮為主要目標進行試驗方案設(shè)計。纖維素醚是保水增塑劑的必選組分,參考相關(guān)研究[8]并考慮成本,本試驗固定其摻量為0.045%。十二烷基苯磺酸鈉(LAS)與纖維素醚的相容性較好[9],以其做為引氣組分?？紤]到價格因素和對砂漿稠度經(jīng)時損失的影響,選木質(zhì)素磺酸鈉作為減水組分。為提高砂漿的黏結(jié)強度并減少收縮,選用增強劑JF1 和穩(wěn)定劑HM2。

表1 水泥的基本性能

選取LAS(A)、木鈉(B)、增強劑JF1(C)、穩(wěn)定劑HM2(D)4個主要影響因素,每個因素取3個水平,采用L9(34)正交表進行試驗,主要考慮的響應為容重、保水率、14 d黏結(jié)強度、28 d抗壓強度和28 d收縮率。 試驗灰砂質(zhì)量比為1∶4,水灰質(zhì)量比為0.8,用水量為13.8%,砂漿稠度的范圍均在80～90 mm之間。

對正交設(shè)計結(jié)果,采用JMP軟件分析確定最優(yōu)化增塑劑配比并進行試驗驗證;通過試驗,比較摻與不摻所研究增塑劑砂漿的性能,比較摻加所研制增塑劑與市場應用較好商品增塑劑砂漿的性能,在此基礎(chǔ)上評價所研制的增塑劑。

1.2 試驗方法

按照文獻[10-11],測試砂漿的稠度、保水率、濕容重、黏結(jié)強度、收縮率及抗壓強度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果

試驗結(jié)果及極差分析結(jié)果見表2和表3所列。

表2 試驗結(jié)果

表3 極差分析結(jié)果

2.2 外加劑各組分對砂漿性能的影響

2.2.1 對保水率的影響

由表3可知,4種主要因素對保水率的影響從大到小依次為C>A>D>B。增強劑JF1對砂漿保水率的影響最顯著,主要是因為增強劑JF1含表面水溶性保護膠體,能吸附一定的水分,形成聚合物膜,起到保水的作用;而纖維素醚中含大量親水性羥基,能夠結(jié)合大量的水分子,使砂漿體系具有良好的保水性。

添加劑對保水率的影響如圖1所示。由圖1可知,其他添加劑的影響不顯著,LAS、木鈉僅隨其質(zhì)量分數(shù)的增加,保水率略有上升。

圖1 添加劑對保水率的影響

2.2.2 對濕容重的影響

由表3可知,4種主要因素對濕容重的影響從大到小依次為A>B>C>D,LAS對砂漿濕容重的影響最顯著。

LAS作為引氣組分加入砂漿中,能引入細小、均勻、穩(wěn)定的氣泡,導致砂漿的濕容重顯著降低,產(chǎn)量顯著增加。LAS引入氣泡的同時,氣泡產(chǎn)生了滾珠效應,增大了砂漿的稠度,使其具有良好的施工性能。

添加劑對濕容重的影響如圖2所示。由圖2可知,木鈉對砂漿的作用與LAS相比略差,其他添加劑影響不顯著。

圖2 添加劑對濕容重的影響

2.2.3 對14 d黏結(jié)強度的影響

由表3可知,4種主要因素對黏結(jié)強度的影響從大到小依次為C>D>B(A),增強劑JF1對砂漿黏結(jié)強度的影響最顯著,主要是因為增強劑JF1能與水泥砂漿形成互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),在孔隙中形成連續(xù)的聚合物膜,加強了集料之間的黏結(jié),且黏結(jié)強度隨摻量的增加而增加。水化反應開始后,隨著氫氧化鈣、鈣礬石晶體及水化硅酸鈣凝膠體的生成,聚合物顆粒沉積到凝膠體和未水化的水泥顆粒上。隨著水化反應進一步進行,水化產(chǎn)物增多,聚合物顆粒逐漸聚集在毛細孔中,并在附著體上形成緊密堆積層,但不能完全填充到毛細孔的內(nèi)表面。

由于水化或干燥使水分進一步減少,在凝膠體和孔隙中緊密堆積的聚合物顆粒凝聚成連續(xù)的薄膜,形成與水化水泥漿體互穿基質(zhì)的混合體,并且使水化產(chǎn)物之間及骨料相互膠接,從而黏結(jié)強度得到顯著提高。

添加劑對14 d黏結(jié)強度的影響如圖3所示。由圖3可知,隨著木鈉、增強劑JF1和穩(wěn)定劑HM2質(zhì)量分數(shù)的增加,黏結(jié)強度增加,而LAS的影響不顯著。

圖3 添加劑對14 d黏結(jié)強度的影響

2.2.4 對28 d收縮率的影響

由表3可知,4種主要因素對28 d收縮率的影響從大到小依次為A>C>B>D,LAS、增強劑JF1對砂漿收縮率的影響最顯著。添加劑對28 d收縮率的影響如圖4所示。由圖4可知,隨著LAS和木鈉質(zhì)量分數(shù)的增加,收縮率逐漸增大,主要是因為引氣劑向砂漿中引入大量均勻密閉的氣泡,氣體的彈性模量與水泥石及砂相比小得多,使得作為多相復合材料的砂漿變形能力提高,引氣劑摻量越大,試件的含氣量越高,收縮率提高就越明顯[12]。而增強劑JF1和穩(wěn)定劑HM2屬于聚合物,一些聚合物分子中的活性基團能與水泥水化產(chǎn)物中的Ca2+、A13+等產(chǎn)生交聯(lián)反應,形成特殊的橋鍵作用,改善了水泥砂漿硬化體的物理組織結(jié)構(gòu),增強了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性,從而減少了微裂紋的產(chǎn)生,降低了孔隙率和收縮率。

圖4 添加劑對28 d收縮率的影響

2.2.5 對28 d抗壓強度的影響

由表3可知,4種主要因素對28 d抗壓強度的影響從大到小依次為A>B>C>D。LAS、木鈉對強度影響最顯著,主要是由于引入了大量氣泡,提高了孔隙率,導致強度降低;但在保證稠度不變的情況下,LAS、木鈉復配能抑制強度的降低。

添加劑對28 d抗壓強度的影響如圖5所示。由圖5可知,增強劑JF1和穩(wěn)定劑HM2對強度也有一定的提高,主要是因為與水泥水化產(chǎn)物生成大的聚合體,增強了內(nèi)部的致密性,降低了孔隙率[13]。

圖5 添加劑對28 d抗壓強度的影響

2.3 配比優(yōu)化

采用JMP軟件,將保水率、濕容重、14 d黏結(jié)強度、28 d收縮率、28 d抗壓強度分別按0.2、0.1、0.1、0.3、0.3的重要性系數(shù)進行優(yōu)化,得到最優(yōu)配比(按質(zhì)量分數(shù)計)為LAS 0.03%、木鈉 0.03%、增強劑JF1 0.03%、穩(wěn)定劑HM2 0.03%,相應的保水率為92.9%,濕容重為1 892 kg/m3,14 d黏結(jié)強度為0.28 MPa,28 d收縮率為0.042%,28 d抗壓強度為16.5 MPa。

2.4 砂漿性能對比

不摻加增塑劑的基準砂漿(Ⅰ)、摻加研制增塑劑砂漿(Ⅱ)和摻商品增塑劑砂漿(Ⅲ)的性能試驗結(jié)果見表4所列。從表4可以看出,Ⅱ型砂漿的性能與JMP軟件優(yōu)化值很接近。3種砂漿性能的對比顯示,Ⅱ型和Ⅲ型砂漿強度都有所降低,但前者的保水率、收縮率和黏結(jié)強度都顯著提高。

表4 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類砂漿的性能指標

3 結(jié) 論

(1) 本文研制出一種預拌抹灰砂漿增塑劑,配比如下:纖維素醚質(zhì)量分數(shù)為0.045%,LAS、木鈉、增強劑JF1及穩(wěn)定劑HM2的質(zhì)量分數(shù)均為0.03%。

(2) 加入增強劑JF1和穩(wěn)定劑HM2改性的砂漿,收縮率顯著降低,黏結(jié)性能顯著提高,保水率有所改善,抗壓強度不顯著降低,整體性能較好。

(3) 研制出的預拌抹灰砂漿增塑劑,各種技術(shù)指標滿足文獻[11]的要求,也滿足文獻[14]中普通抹灰砂漿的要求,且摻量少,價格便宜。

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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

黃暑年(1990-),男,湖北荊州人,合肥工業(yè)大學碩士生; 詹炳根(1964-),男,安徽廬江人,博士,合肥工業(yè)大學教授,碩士生導師,通訊作者,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

(責任編輯 張淑艷)