低收缩防水抗裂干粉砂浆的研究

低收缩防水抗裂干粉砂浆的研究

程　波1　钱晓倩2　詹树林2
（1.浙江省建筑科学设计研究院，杭州310012；　2.浙江大学建筑工程学院，杭州310027）

1　前言
新型墙体材料具有良好的社会效益和经济效益，然而在推广使用过程中，无论是承重墙，还是框架结构中的填充墙，普遍存在严重的墙体开裂和渗漏问题，严重影响了工程质量和正常使用，也严重制约了新型墙材的推广应用。因此，新型墙材的裂缝问题是大家关注的焦点，也是工程界迫切需要解决的问题。

为了解决新型墙材砌体开裂这个问题，一是要从设计和构造上考虑；二是降低墙体材料本身的收缩率；三是采用与新型墙材相配套的砂浆。从目前现状看，采用第一种方法有一定效果，但要从根本上控制裂缝尚有一定困难，且增加施工难度和成本。第二种方法从理论上说是解决问题的关键，但在实施过程中难度更大。因此，研制和应用新型砂浆，改善砌筑砂浆的物理力学性能，提高墙体的抗裂能力，从而进一步达到控制裂缝的目的，是一条极其有效的途径，也是急待解决的课题。

已有研究表明：在普通砂浆中掺入聚合物乳胶可以明显改善普通水泥砂浆的主要缺陷，提高和易性、抗拉强度、粘结强度、抗裂和抗渗能力，以及耐候性能，降低其脆性，但砂浆的抗压强度通常严重降低，且随着聚合物掺量的增加而增大。我国直至20 世纪60～70 年代才开始研究掺天然乳胶、丁苯胶乳、氯丁胶乳、氯偏胶乳和丙烯酸酯共聚胶乳的聚合物水泥砂浆，并在外墙喷涂、地下工程防漏、防潮及某些特殊工程上使用。目前，国内外常用纤维素醚作为水泥基复合材料的聚合物基外加剂，关键是纤维素醚实现了低聚灰比。纤维素醚的加入，可使砂浆的综合性能得以改善：一是增加砂浆的保水性，以甲基纤维素醚为例，基准砂浆的保水率为65%～70%，而加入甲基纤维素醚的干粉砂浆，在冬季保水率大于90%，夏季不低于85%；二是增加粘附力，特别是早期的粘附力；三是增加砂浆的工作性；四是提高砂浆的抗裂性；等等。但若在普通水泥砂浆中单掺纤维素醚，砂浆的抗拉强度、抗折强度、抗弯强度绝对值并没有提高，反而下降。这主要是由于聚合物的掺入在砂浆中引入了大量的气泡，砂浆的孔隙率大大增加，从而使得砂浆的强度和耐久性下降。另一方面，聚合物的掺入使砂浆收缩大大增加。所以需采取一定的措施降低砂浆的含气量，提高砂浆的表观密度和密实度，并降低砂浆的收缩，从而提高砂浆的综合性能。

本研究借鉴建筑砂浆的现代化生产技术，从降低砂浆收缩和提高强度着手，研制砂浆复合添加剂，克服纤维素醚在单独使用时所造成的缺陷，提高新型墙材砌体的抗裂能力。

2　砂浆复合添加剂的原材料和组成
2.1　纤维素醚
通过多种羟丙基甲基纤维素(以下简称HPMC)对砂浆流动性、保水性、强度、掺量和综合性能的对比试验，分子量为75000 的HPMC 比较合适，其主要技术性能见表1 ，化学结构式如下：


2.2　消泡剂
纤维素醚的引气作用会增加砂浆的孔隙率，使得砂浆的抗拉强度、抗折强度、抗弯强度降低。所以在掺入纤维素醚的同时，引入消泡剂，以降低砂浆的含气量，提高强度和降低收缩。本研究采用自行开发研制的ZJD 固体消泡剂。

2.3　复合掺合料
目前，粉煤灰和矿渣微粉( 下称矿粉) 是混凝土常用的矿物外加剂，在砂浆中应用，不仅可以提高砂浆的综合性能，而且有着积极的社会效益。单掺粉煤灰使砂浆的早期强度明显下降，但后期强度有较大增长，甚至超过不掺粉煤灰的砂浆。矿粉单独使用时，对早期强度影响不大，后期强度有很好的增长，但掺入矿粉后，砂浆的自收缩有可能增大，矿粉越细，自收缩越大。将粉煤灰和矿粉复合混磨，可以获得对砂浆性能的有效改善，而且粉煤灰和矿粉的二次水化作用物理填充作用可以提高砂浆的密实度。复合膨胀组元主要是为了减小砂浆的收缩。复合掺合料由粉煤灰、矿粉、复合膨胀组元复合混磨而成，主要技术性能见表2 。

在砂浆中引入聚合物和复合掺合料后，对砂浆的早期强度有一定的影响，为了弥补由此而引起的损失，考虑在砂浆中掺入高效减水剂。通过水泥适应性试验，选用固体粉状FDN-A 高效减水剂，减水率20% 。

2.5　砂浆复合添加剂的组成
砂浆复合添加剂由羟丙基甲基纤维素醚HPMC、消泡剂ZJD、复合掺合料、FDN-A 高效减水剂按合理配比组成。HPMC 掺量为0.03%～0.05%，消泡剂ZJD掺量为0.02%～0.05%，复合掺合料掺量为30%，FDNA高效减水剂掺量为0.8%～1.2%。

3　砂浆复合添加剂对砂浆强度的影响
3.1　原材料和配合比
水泥为钱潮牌32.5 级普通硅酸盐水泥；细骨料采用桐庐中砂，过5mm 筛，细度模数2.4，含水率2.0%，堆积密度1440kg/m 3；砂浆复合添加剂中，消泡剂ZJD 取0.03%，复合外掺料取30%，FDN-A 高效减水剂取1.0%。配合比见表3 。

3.2　试验方法
参考《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ70-90)和《聚合物改性水泥砂浆试验规程》( D L / T 5 1 2 6 -2001)进行试验。搅拌时间为150s；采用人工插捣成型，砂浆高出试模顶面6 ～8 m m，静置2h ，将多出部分砂浆沿试模顶面刮平。砂浆成型后先在温度(20 ± 3)℃、相对湿度80% 以上的条件下湿养护2d，再放入(20 ± 1)℃的水中养护5d，之后置于(20 ± 3)℃、相对湿度60% 的条件下养护21d。

3.3　试验结果和分析讨论
各配合比强度试验结果见表4 和图1、图2、图3 。




试验结果表明：
(1)随着HPMC 掺量的增加，砂浆的抗压强度先增大然后逐渐减小，当HPMC 的掺量在0.01%、0.02%时，砂浆的抗压强度与普通水泥砂浆相比略有所增加，此用量的H P M C 在砂浆中主要起减水作用；当HPMC 的掺量在0.03%～0.05% 时，砂浆的抗压强度开始下降，但下降幅度不大，28 天抗压强度大于基准砂浆强度的80%；当HPMC 的掺量大于0.1% 时，砂浆的抗压强度大幅度下降。这主要是由于HPMC 在砂浆中引入了大量的气泡，使得砂浆的孔隙率提高，密实度下降，导致砂浆的强度下降。

(2)砂浆抗折强度发展趋势与抗压强度基本相似，不同的是抗折强度下降速度要小于抗压强度的下降速度。当HPMC 的用量为0.02%～0.1% 时，由图1 、图2 可见，与抗压强度相比，抗折强度曲线下降的幅度比较平缓。由表4 可见，HPMC 掺量为0.1% 的砂浆与掺量为0.02% 的砂浆相比，抗压强度下降38.2%，而抗折强度只下降9%。

(3)由图3 可见，28d折压比的曲线是一个逐渐递增的过程，当HPMC 的掺量大于0.02% 时，28d 折压比增长速度加快，当HPMC 的掺量为0.05% 时，砂浆的折压比超出基准砂浆33.0%，表明普通水泥砂浆中掺入0.03%～0.05% 的HPMC，可显著改善砂浆的塑性和韧性。

从砂浆强度试验可见，砂浆复合添加剂中HPMC的用量在0.03%～0.05% 比较合适。因为该掺量下的砂浆能确保一定的抗压强度，抗压强度在基准砂浆的80% 以上，抗折强度高于基准砂浆，提高幅度在10%左右，同时砂浆的折压比有较大提高，提高幅度达到3 0 %。

4　砂浆复合添加剂对砂浆收缩性能的影响
4.1　原材料、试验方法和试验配比
原材料同砂浆强度试验，收缩试验方法参照《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ70-90)进行。配合比见表5。试件尺寸为40mm × 40mm × 160mm，有效长度140mm，成型后砂浆带模养护1d 后拆模，标准养护条件下养护6d 后测定初始长度L0(mm)及7d、14d、21d、28d、42d、56d 长度Lt，收缩率按下式计算：
εst(Lo-Lt)/140
式中：s 为O 砂浆所测龄期的收缩率，140 为砂浆试块基长(mm)。

4.2　试验结果和分析讨论
收缩率试验结果见表6 和图4 。试验结果表明：
单掺HPMC，砂浆收缩率显著增加，各龄期收缩率比基准砂浆增加30% 左右。当HPMC 与减水剂同掺时，砂浆的收缩更大，各龄期收缩增大40% 以上。在配合比E2 的基础上再掺入复合掺合料和消泡剂(配合比E4)，砂浆收缩率大大下降，甚至比基准砂浆还低10%左右。


5　结论
( 1 ) 砂浆复合添加剂由羟丙基甲基纤维素醚HPMC、消泡剂ZJD、复合外掺料、FDN-A 高效减水剂按合理配比组成。消泡剂ZJD 推荐掺量0.02%～0.05%，复合外掺料推荐掺量30%，FDN-A 高效减水剂推荐掺量0.8%～1.2%，羟丙基甲基纤维素醚HPMC 的合适掺量为0.03%～0.05%。
(2)在普通水泥砂浆中掺入砂浆复合添加剂，抗压强度大于基准砂浆强度的80%，抗折强度高于基准砂浆，提高幅度在10% 左右，同时砂浆折压比的提高幅度能达到30%。
(3)在普通水泥砂浆中掺入砂浆复合添加剂，砂浆的收缩将减小，56d 的收缩值比基准砂浆小100～130 × 10-6m/m。