（材料学专业论文）抹面抗裂砂浆性能的试验研究.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 抹面抗裂砂浆性畿的试验研究 专业：材料学 硕士生：王宝玉 指导教师：尚建丽教授 摘要 针对传统抹面砂浆施工和易性差、粘结力低、收缩率大、用于墙体抹面易开 裂等问题，本文从材料、施工的角度提出了解决问题的方法：用口一聚合物、有机 纤维、粉煤灰、高效减水剂等对传统砂浆进行合理的改性，提高抹面砂浆的粘结 强度，减小砂浆的收缩，从而大幅度提高砂浆抗裂的能力，达到控制砂浆裂缝、 提高其使用寿命的e t 的。 本文首先通过理论分析，提出了抹面砂浆的评价指标，其次通过大量试验， 系统地研究了口一聚合物、有机纤维、粉煤灰对砂浆的物理性能和力学性能( 抗压 强度、抗折强度、折压比、粘结强度、收缩率) 的影响；设计了抹面抗裂砂浆的 合理配比。最后通过扫描电子显微镜( s e m ) 分析，阐述了o r 一聚合物、有机纤 维、粉煤灰的微观阻裂作用机理。 通过本课题的研究，开发抹面抗裂砂浆，经中试证明，与普通砂浆相比，抗 裂砂浆的和易性、施工性能、粘结强度、抗折强度、折压比、收缩率等综合性能 均有较大的改善。粘结强度和抗裂性能，是本文重点研究内容。 关键词：聚合物抗裂砂浆评价指标纤维粉煤灰收缩率 r e s e a r c ho nt h ep r o p e r t i e so ft h ec r a c k - r e s i s t a n c ef r o n tm o r t a r s p e c i a l i t y ： m a t e r i a l ss c i e n c e c a n d i d a t e ： w 觚gb a o y u s u p e r v i s o r ：p r o f s h a n gj i a n l i a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lf r o n tm o r t a rh a sw o l w s ew o r k a b i l i t y , l o wb e n d i n gs t r e n g t h ，l a r g e s h r i n k a g ea n dm o r ec r a c k s t h em e t h o d so fs o l v i n gt h e s ep r o b l e m sf r o mt h ep o i n to f m a t e r i a la n dc o n s t r u c t i o na r ep u tf o r w a r d n a m e l y , c l - p o l y m e r , o r g a n i cf i b e r , h y i n g a s ha n ds u p e r p l a s t i c i s e ra r eu s e dt om o d i f yt h et r a d i t i o n a lm o r t a r i ti m p r o v e st h e b o n d i n gs t r e n g t ho ff r o n tm o r t a ra n dd e c r e a s e st h es h r i n k a g er a t i oo fm o r t a r , a n da l s o i n c r e a s e st h ep r o p e r t yo f c r a c k - r e s i s t a n c eg r e a t l y t h e r e f o r e ，t h ec r a c k si nm o r t a rw o u l d b ei nc o n t r o la n dt h el i f eo f m o r t a rw o u l db ei m p r o v e d i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h ee v a l u a t i o ni n d e xo ff r o n tm o r t a ri sp u tf o r w a r db yt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s a n dt h e nt h ei n f l u e n c eo f 口p o l y m e r , o r g a n i cf i b e ra n d f l y i n ga s h o nt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ( i n c l u d i n gt h ec o m p r e s ss t r e n g t h , t h ef l e x u r a ls t r e n g t h ，t h er a t i oo ft h ef i e x u r a ls t r e n g t ht ot h ec o m p r e s ss t r e n g t h ，t h e s h r i n k a g er a t i o ) o fm o r t a ra r er e s e a r c h e ds y s t e m i c a l l yb yl o t so fe x p e r i m e n t t h u st h e r a t i o n a lr a t eo fc r a c k - r e s i s t a n c ef r o n tm o r t a ri sd e s i g n e d i nt h ee n do ft h ep a p e r , t h e c r a c k - r e s i s t a n c em e c h a n i s mo fc z - p o l y m e r , o r g a n i cf i b e ra n dh y i n ga s ha r es t u d i e db y s e ma n a l y s i s t h ec r a c k r e s i s t a n c em o r t a ri sd e v e l o p e dv i al o t so fs t u d i e s c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lm o r t a r , t h i sn e wt y p ec r a c k - r e s i s t a n c em o r t a rh a sb e t t e rp e r f o r m a n c eo f w o r k a b i l i t y , c o n s t r u c t i o n ，b o n d i n gs t r e n g t h ，t h ef l e x u r a ls t r e n g t h ，t h er a t i oo ft h e f l e x u r a ls t r e n g t ht ot h ec o m p r e s ss t r e n g t ha n dt h es h r i n k a g er a t i o t h eb o n d i n gs t r e n g t h a n dc r a c k - r e s i s t a n c eo f m o r t a ri st h ei m p o r t a n tc o n t e n to f t h i sp a p e r k e yw o r d s ：p o l y m e r , c r a c k r e s i s t a n c em o r t a r ,e v a l u a t i o ni n d e x ， f i b e r , f l y i n ga s h ， s h r i n k a g er a t i o 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位 已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的 所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：王宝五日期：如峨f 尹 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名互宝五翩签名：拟日期：埘。，铲 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士论文 1 1 绪论 1 1 课题背景 自从水泥问世后，随即就出现了水泥砂浆和水泥混凝土，并在其中配制钢筋， 由此得到钢筋混凝土。水泥与水泥基材料是当今最大宗的人造材料，但是，应清 楚的看到，由此产生的耗能和环境污染也是相当大的。本着可持续发展的原则， 水泥基材料必须向高性能发展，向减少用量、延长寿命、增加功能、尤其降低环 境代价的方向努力u 】。 近百年来，水泥与水泥基材料总的发展趋势是不断提高强度。特别是近5 0 年， 对水泥和水泥基材料的强度要求越来越高。提高水泥强度的措施有：大幅度增加 水泥的细度，增加硅酸三钙、硅酸二钙的含量。由此导致水泥2 8 天胶砂强度有了 很大提高。水泥与水泥基材料强度的提高使得现代建筑可以适应大跨度、重载、 高耸和承受恶劣环境的要求。但这种单一性高强化也带来了一些明显的不足：材 料的延性问题、水化热问题、非荷载裂缝问题、材料耐久性问题等等。如何解决 水泥基材料的脆性问题，直是工程界思考的问题，在这个问题的解决过程中， 产生了水泥基材料技术的飞跃。6 0 年代，美国发明了聚合物浸渍混凝上，前苏联 开发了钢丝网水泥，中国则用玻璃纤维增强水泥。此后，各国纷纷开发钢纤维、 碳纤维、聚合物纤维作为增强材料。可见，水泥基材料仍是主要的建筑材料，但 作为胶凝材料的水泥在使用过程中出现的问题，不得不引起科技工作者的重视， 针对诸多问题，人们对胶凝材料的改进措旖做了大量工作。 与普通砂浆相比，聚合物砂浆有着许多自身的优点。聚合物加入砂浆可以通 过掺加、拌合及浸渍等方法实现。因此聚合物砂浆可以分为聚合物浸渍砂浆( p i m ) 、 聚合物水泥砂浆( p c m ) 、聚合物砂浆( p m ) 。p i m 性能优异，但存在工艺复杂、 成本高的缺点；p m 也因聚合物的用量大、价格高而不能广泛用于普通的建筑工程 中；p c m 则克服了p i m 的工艺复杂、p m 的聚合物用量大的缺点，同时又能提高 普通水泥砂浆的强度、粘结性、耐候性，降低其脆性和成本【2 】，因而聚合物水泥砂 浆的应用前景非常好。 p c m 的结构形成过程：聚合物加入砂浆的形式主要有以下几种：水溶性聚合 物粉末的方式、可再分散粉末或乳液的方式以及单体或聚合物的液体树脂的方式。 以水溶性聚合物粉末形式掺加到水泥混凝土中的聚合物，在水泥混凝土中搅拌均 匀后，聚合物颗粒相当均匀地分散在水泥混凝土体系中，随着水泥的水化，体系 中的水不断地被水化水泥所结合，聚合物颗粒会相互融合在一起。随着水分的不 断减少，聚合物在水泥混凝土中形成空间网结构。这种结构形成过程的模型最著 名的有o h a l n a 3 的单空间网结构模型和k o n i e t z k o 4 1 的双空间网结构模型。o h a l n a 西安建筑科技大学硕士论文 2 的单空间网结构模型认为，在p c m 中聚台物形成连续的空间网结构，并包围着不 成网的水泥( 或更准确地说是水泥水化物) 及骨料等，该模型把整个结构过程分 为三个阶段。但并非所有的聚合物都在水泥混凝土体系形成上述的结构。k o n i e t z k o 发现，有些聚合物在某些情况下不能在水泥混凝土体系中形成连续结构，而是以 聚台物颗粒的形式堆积在一起，聚合物仅起填充孔隙的作用【5 j 。 在砂浆中加入聚合物，般具有以下功能： 1 ) 减水功能：由于聚合物在生产过程中一般都要加入表面活性剂，当将它加 入水泥拌合物时，和易性得到极大的改善，达到相同的流动度或坍落度，用水量 显著减少。 2 ) 凝结时间：聚合物对水泥的水化过程一般有滞后作用，因此聚合物对水泥 的凝结过程也有影响，一般随着聚灰比的增加终凝时间也增加。 3 ) 保水性：聚合物水泥砂浆的保水能力优于普通砂浆，且保水性随聚合物掺 量的增加而变化，同时对水泥砂浆的泌水及离析现象也有明显的改善效果。 4 ) 强度：聚合物砂浆的强度特征主要随聚合物的品种不同而不同。一般情况 下，聚合物水泥砂浆的抗拉强度、抗折强度、抗弯强度、粘结强度比普通水泥砂 浆有较显著的增加，但其抗压强度有所下降，下降的幅度主要同聚合物的种类有 关。 5 ) 变形：聚合物水泥砂浆的弹性模量随着聚合物的掺量增加而降低。因此聚 合物成膜后，一般会使水泥砂浆的刚性降低，应力一应变曲线变缓，斜率减小， 从而提高砂浆的变形能力，改善了砂浆的抗裂性。 6 ) 密实性：聚合物水泥砂浆的密实性远远优于普通砂浆，所以聚合物水泥砂 浆具有良好的抗渗性。 7 ) 耐腐蚀性：聚合物水泥砂浆的耐腐蚀性与聚合物的品种、聚灰比、水泥品 种及标号、灰砂比等许多因素有关，通常聚合物水泥砂浆具有定的耐盐、耐碱、 耐油脂矿物油和低浓度酸的能力。 8 ) 抗冻性及耐老化性：聚合物水泥砂浆具有较好的抗冻性和耐自然环境老化 的性能。 普通砂浆的抗拉强度低、极限延伸率小、脆性显著，拌和物在日照、风吹等 情况下，没有足够的时间形成抗拉强度以抵抗由于快速蒸发产生的毛细孔收缩应 力，容易产生塑性收缩开裂。但是，在普通砂浆中掺入抗拉强度高、极限延伸率 大、抗碱性好的纤维作为增强体，就可以使上述缺陷得到很大改善。因此，近些 年来纤维砂浆( 混凝土) 得到很大重视，其在建筑材料中的应用规模也逐渐扩大。 在美国、英国、日本等国家，在某些应用领域己作过相当规模的现场试验，其中 包括桥面和路面( 公路和机场跑道) 的罩面层、采矿和隧道工程的各种应用、边 坡的固定、防火设施、混凝土修补、工业地面以及各种预制( 砂浆) 混凝土产品 西安建筑科技大学硕士论文 3 等，均获得了一定的成功。 中国工程院院士吴中伟教授认为【i 】，复合化是水泥基材料高性能化的主要途 径，复合化的技术思路超叠加效应，对材料的高性能化有重要的意义，可用 公式1 + 2 3 表示。目前，各国学者都在水泥基材料研究的基础上，通过加入有 机胶凝材料，改善水泥基材料的韧性，形成纤维增强胶凝材料、聚合物增强胶凝 材料，以及纤维一聚合物一胶凝材料多元复合材料。 工程中抹面砂浆所占比例很大，以往传统的实心砖墙体材料采用水泥基砂浆， 开裂问题已有研究，但随着新型轻质墙体材料的推广应用，传统的普通砂浆远不 能满足要求，鉴于聚合物砂浆具有良好的使用功能，因此研制开发一种适用于各 种墙基的抹面浆体材料是很必要的。本课题正是在这种背景下提出的。 1 。2 国内外抗裂砂浆的研究状况 砂浆在建筑的各个部位，从结构到装饰，从屋面、墙面到地面，几乎无所不 用。但我国现阶段建筑砂浆业的发展与国外相比存在相当大的差l 距1 6 1 。 国外砂浆业的现代化进程相当迅速，现今己实现了品种系列化，配方多元化， 制造工业化，旌工简单化，应用综合化。国外的砂浆分为多个系列，有粘结功能 为主的，表面处理为主的，防护作用为主的以及修补功能为主的。砂浆在配方上 也不是传统的几种原料( 胶结材料、砂、水) ，普遍掺入外加剂及掺和料来改善施 工或成品性能，常用的胶结材料除传统的水泥、石灰、石膏外，聚合物的应用己 日益重要。为了进一步改善砂浆性能，复合使用各种材料已成为了一个重要的趋 势。如用减水剂和聚合物改性的普通硅酸盐水泥砂浆，己经分别做过大量的技术 工作，现在又研究将共聚乳液和超塑化剂复合用于水泥砂浆。 美国是世界上聚台物复合材料开发应用的先行国家，聚合物水泥砂浆在建筑 上应用十分广泛。八十年代常采用的聚合物胶乳是丁苯和丙烯酸酯胶乳。现在， 常用傈水剂是纤维素醚，聚合物水泥砂浆也被用作新型墙体材料的粘结材料。粉 状再分散胶乳和水溶性胶乳，以双包装的形式供货以商品化，而砂浆也早以商品 砂浆和干粉砂浆的形式供应。 在日本，聚合物砂浆和混凝士在7 0 年代已成为主要结构材料。原材料主要为 环氧树脂、不饱和聚酯材料、乙烯聚酯树脂、丙烯酸树脂( 以甲基丙烯酸为基础 的树脂) ，聚合物砂浆广泛作装饰、修补用。日本聚合物砂浆研究发展较快，就其 粘结材料而言，应用了新的液体树脂，如高分子量甲基丙烯酸，低聚合度丙烯酸 单体和屎醛，甲基丙烯酸等，也有将不饱和树脂和乙烯单体组成的粘结料用于复 合材料或复合液体树脂。在配料设计方面，随树脂不同而有不同的设计体系；如 发展了不饱和树日目砂浆的配比设计体系；聚丙基丙烯酸甲酯砂浆的配合比设计体 发展了不饱和树艚砂浆的配比设计体系；聚丙基丙烯酸甲酯砂浆的配合比设计体 西安建筑科技大学硕士论文4 系；掺轻集料不饱和树脂砂浆的配比设计体系。为进一步增加聚合物砂浆强度， 采用钢纤维、玻璃纤维、碳纤维或玻璃纤维制成纤维增强聚合物。 美国和日本都制定了聚合物应用于水泥混凝土的标准，例如美国a c l 5 8 4 使 用聚合物混凝土的指南，日本j i s a l l 7 1 1 1 7 4 、a 6 2 0 3 有关聚合物水泥砂浆试验 室试样成型、强度试验、坍落度试验、容重及空隙率试验标准及用于水泥砂浆改 性的聚合物性质试验标准。 我国使用的传统砂浆，保水性、粘聚性很差，导致砂浆的收缩性大、易开裂， 并且施工性能差。为了改善传统砂浆的不足，我国直至6 0 - - 7 0 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。例如由于丙烯 酸乳液和醋酸乙烯共聚( e 、缇) 乳液的开发应用，我国水利部门利用该乳液对水库 大坝进行修补，其工程耐久性已达1 0 年以上。表1 1 是目前国内聚合物砂浆主要 品种及性能。v 表1 1 国内各种聚合物水泥砂浆性能 项目p a e 砂浆c r 砂浆p v d c 砂浆s b r 砂浆 抗压强度( m p a ) 3 5 o 4 4 83 4 8 4 0 54 3 73 0 5 抗折强度( m p a ) 1 3 5 1 6 48 2 1 2 51 3 47 0 抗拉强度( m p a ) 7 3 7 65 - 3 6 76 2 与老砂浆的粘结强度 2 9 7 83 6 5 54 45 3 ( 皿a ) 抗渗性能( 承受水压 1 51 51 51 5 m p a ) 普通水泥的 干燥收缩率( x 1 0 。4 ) 4 _ 3 5 37 o 7 3 1 1 1 6 0 普通水泥的 吸水率( ) 1 9 2 42 6 2 98 3 6 0 抗冻性 3 0 05 05 0 ( 抗冻融循环数) 抗碳化( 2 0 ) 0 8 m m 2 0 d ( 深度天数) 中国建筑技术 上海建筑科安徽省水泥 提出试验资料单位南科院 发展研究中心 学研究所科学研究所 注：p a e 砂浆为丙烯酸酯共聚乳液砂浆；c r 砂浆为氯丁胶乳砂浆；p v d c 砂浆为聚氯乙烯 偏氯乙烯乳液砂浆；s b r 砂浆为丁苯胶乳砂浆。 西安建筑科技大学硕士论文 5 表中聚合物砂浆大部分用在修补或砌筑方面，由于成本较高，用于大量墙面 的粘结及抹灰受到一些限制，如何通过复掺低成本工业废渣，在不改变砂浆性能 的基础上，尽量降低成本，适应抹面工程要求，正是本文拟解决的问题。 1 3 目前抹面砂浆中存在的问题 在建筑墙体的内外抹面施工中，用普通砂浆进行大面积抹面时，由于普通砂 浆的收缩性比较大，保水性较差，砂浆表面在材料硬化前往往会由于砂浆表面水 的蒸发速率超过内部水渗透到表面的速率，从而引起收缩应力；当砂浆的早期抗 拉强度达不到砂浆收缩所产生的应力，会产生不可恢复的收缩裂缝。实际施工中， 抹面砂浆暴露在低湿度大气中，易出现浅层龟裂，这种龟裂可能从几厘米延伸到几 米，而且还逐渐变深、变宽，造成构筑物在使用前就产生非结构性损坏，严重影响砂 浆的粘结性，严重者导致空鼓脱落。 新型墙体材料质量轻、强度高，推广使用具有良好的社会效益和经济效益。 然而在推广使用新型墙体材料的过程中，如加气混凝土砌块、炉渣砌块及其它多 孔材料等，由于基层材料的性质发生了变化，普通砂浆与加气混凝土砌块导热系 数、线收缩系数、线膨胀系数相差也较大，因此差异引起的热胀冷缩而产生的应 力使加气混凝土砌块墙面抹灰层在一两年之后出现大面积开裂及脱落现象，严重 影响了工程质量和正常使用，也严重制约了新型墙体材料的推广应用。 因此，研究抹面砂浆的抗裂性及抗裂砂浆其它性能是急工程所急，具有工程 使用意义。 1 4 本课题研究的目的和内容 分析目前抹面砂浆存在的问题，通过试验研究高性能抹面砂浆的工作性能和 力学性能的变化规律，利用正交试验确定抹面砂浆合理配合比，并在工程中推广 应用。 研究的内容包括以下几个方面： ( 1 ) 抹面砂浆抗裂性能的评价； ( 2 ) 抹面砂浆最佳配合比的确定； ( 3 ) 聚合物、纤维、粉煤灰对抹面抗裂砂浆性能的影响； ( 4 ) 抹面砂浆物理性能、力学性能研究； ( 5 ) 聚合物、纤维、粉煤灰的阻裂机理分析。 西安建筑科技大学硕士论文 6 2 抹面抗裂砂浆的评价 砂浆裂缝是从来未曾间断的工程质量通病，也是颇受关注的技术课题。这里 所说的裂缝是指肉眼可见的宏观裂缝，其宽度在0 0 5 r a m 以上。砂浆出现宏观裂缝 的原因多种多样，通常是因为砂浆发生体积变化时受到约束，或因受到荷载作用 时，在砂浆内部引起过大拉应力( 或拉应变) 而产生裂缝。砂浆的微观裂缝则为 般砂浆所固有，因为砂浆是由水泥浆体水化硬化后的水泥石与砂骨料组成，它 们的物理力学性能并不一致，水泥浆体硬化后的干燥收缩值较大，而砂浆中的骨 料则限制了水泥浆体的自由收缩，这种约束等作用使砂浆内部从硬化开始就在骨 料与水泥浆体的粘结面上出现了裂缝。也就是说，即使没有外部荷载作用，或者 即使砂浆发生体积变化时没有受到外部的约束，砂浆内部已经有了微裂缝，但是 这些微裂缝在不大的强力或变形作用下是稳定的：当外力或变形作用较大时，这 些粘结面上微裂缝就会发展；当外力或变形作用更大时，微裂缝就会扩展穿过硬 化后的水泥石，逐渐发展成可见的宏观裂缝。 尽管造成砂浆出现宏观裂缝的因素很多，但总的来说，可归结为是由于砂浆 原材料质量低劣、配合比选定不当；或是由于施工过程的施工方法有误或工艺欠 佳：或是由于设计有误；或对温度变化和砂浆收缩产生的应力估计不足等等。 2 1 裂缝的类型及产生原因 裂缝就其开裂深度可分为表面的、贯穿的：就其在结构物表面形状可分为网 状裂缝、爆裂状裂缝、不规则裂缝、纵向裂缝、横向裂缝、斜裂缝等；裂缝按其 发展情况可分为稳定的和不稳定的、能愈合的和不能愈合的；裂缝按其产生的时 间可分为砂浆硬化之前产生的塑性裂缝和硬化之后产生的裂缝：裂缝按其产生的 原因，可分为荷载裂缝和变形裂缝。 裂缝产生的主要原因概括分类如表2 1 所示 表2 1 裂缝产生的主要原因 分类 原因 与结构设计及 1 在设计荷载范围内，超过设计荷载范围或设计未考虑到的作用 受力荷载有关 2 结构物的沉降差异 3 次应力作用 的 4 对温度应力和砂浆收缩应力估计不足 与使用环境条 1 环境温度、湿度的变化 2 结构构件各区域温度、湿度差异过大 件有关的 3 冻融、冻胀 西安建筑科技大学硕士论文 7 4 火灾或表面遭受高温 5 酸、碱、盐类的化学作用 6 冲击、振动影响 1 水泥非正常凝结( 受潮水泥、水泥温度过高) 2 水泥非正常膨胀( 游离c a o 、游离m g o 、含碱量过高 3 水泥的水化热 与材料性质和 4 骨料含泥量过大 5 使用了碱活性的骨料 配合比有关的 6 砂浆收缩 7 砂浆配合比不当 8 选用的水泥、外加剂、掺和料不当或匹配不当 9 外加剂、硅灰等掺和料掺量过大 1 拌和不均匀( 特别是掺用掺和料的砂浆) ，搅拌时间不足或过 长，拌和后到施工时间间隔过长 2 硬化前遭受扰动或承受荷载 与旌工有关的 3 养护措施不当或养护不及时 4 养护初期遭受急剧干燥( 日晒、大风) 或冻害 5 砂浆表面抹压不及时 2 2 砂浆收缩变形的种类 凡涂抹在建筑物或构筑物表面的砂浆统称为抹面砂浆，它对建筑物或构筑物 起保护作用，它可以抵抗风、雨、雪等及有害介质对建筑物的侵蚀，并能提高建 筑物的耐久性，同时使建筑物表面平整美观。针对于抹面砂浆而言，由于施工时， 砂浆的厚度很薄，且常常暴露在空气中，因此引起砂浆开裂的主要原因是砂浆的 收缩。 砂浆的收缩变形主要有施工初期( 终凝前) 的凝缩变形、硬化砂浆的干燥收 缩变形、自生收缩变形、温度下降引起的冷缩变形以及因碳化收缩变形等五种。 2 - 2 1 塑性收缩( 凝缩) 砂浆拌制后一段时间内，水泥的水化反应激烈，分子链逐渐形成，出现泌水 和体积缩小现象，这种体积缩小称为塑性收缩( 凝缩) 。塑性收缩发生在砂浆拌和 后约3 1 2 小时以内，即在终凝前比较明显。因为这种凝缩发生时砂浆仍处于塑性 状态，因此把这种凝缩称为塑性收缩。砂浆凝缩导致骨料受压、水泥胶结体受拉， 故其既可使水泥石与骨料结合紧密，又可能使水泥石产生裂缝。 凝缩与砂浆的组成材料有关。砂浆拌和物的凝缩随用水量及水泥用量的减小 西安建筑科技大学硕士论文8 丽减小。另外，砂浆表面因蒸发失水或因基底于燥吸水引起的失水均能增加砂浆 的凝缩，并且可能导致砂浆的表面开裂。 由于砂浆施工不久，从凝胶体中析出的晶体不多，所以凝胶体粒子间主要是 物理性接触。塑性变形能力较大。因此，只要加强早期养护。不使砂浆表面干燥， 一般不会开裂。 2 2 2 自生收缩( 自缩) 砂浆在恒温绝湿条件下，由胶凝材料的水化作用引起的体积变形称为自生体 积变形，而自生体积变形为收缩的称自生收缩( 自缩) ，这种收缩是化学作用引起 的。因此，自缩是化学收缩之一。 砂浆自缩主要发生在早期1 8 1 ，并且与水泥品种、水泥用量及掺用混合材种类有 关。水泥用量少时，自缩值小。普通硅酸盐水泥、纯大坝水泥砂浆的自生体积变 形一般是收缩，而矿渣水泥砂浆的自生体积变形早期是膨胀。掺用粉煤灰可以减 小自生收缩值，在几种水泥矿物中，理论上c 3 a 水化减缩最大( - - 2 4 2 5 ) ，根据 实测资料，其收缩也是比较大的。c ，s 在水泥中数量较多，它水化后体积减缩5 2 6 。 水化后生成托勃莫来石凝胶在很大程度上决定了水泥石的收缩。水泥石的收缩有 2 3 是由托勃莫来石凝胶造成的，有1 3 是c 3 a 水化物造成的。在成熟度高( 龄期 长) 的水泥浆体中。托勃莫来石的影响还会超过2 3 睁j 。 c 2 s 水化缓慢、含量又低，所以它对水泥浆体的收缩影响很小，c 4 a f 也如此。 石膏、游离c a o 和m g o 由于吸收水分，其绝对体积膨胀，并生成稳定的结晶构 造，对补偿收缩有良好的作用。有的水泥m g o 含量较高( 不超过水泥国家标准允 许值5 ) ，使用该水泥拌制的砂浆表现出自生体积膨胀，而不是收缩。 2 - 2 3 温度收缩( 冷缩) 砂浆随温度下降而发生的收缩变形称为温度收缩，简称冷缩。水泥的水化热、 外界热源、及环境的温度变化是引起温度收缩的主要原因。当温度在0 。c 以上时， 温度的降低将使得砂浆中各组分( 水、凝胶颗粒以及集料) 产生收缩，从而使砂 浆产生收缩。 砂浆配合比及性能、环境条件、结构、施工及养护条件等都可能导致砂浆产 生温度收缩裂缝。 2 2 4 干燥收缩 置于未饱和空气中的砂浆因水分散失而引起的体积缩小变形，称为干燥收缩 变形，简称干燥收缩。严格来说，干燥收缩应为砂浆在干燥条件下实测的变形扣 除相同温度下密封试件的自生体积变形。但考虑到干燥收缩变形与自生体积收缩 变形对工程的效应是相似的，为了方便起见，观测干燥收缩变形不再与自生体积 西安建筑科技大学硕士论文 9 变形分开，故所 贝| i 结果反映了这两者的综合结果。一般来说，砂浆的自生体积收 缩变形是干燥收缩变形的1 1 0 左右。因此，干燥收缩试验结果基本上反映了砂浆 的干燥收缩大小。 干燥收缩扩散速度比温度扩散速度要慢1 0 0 0 倍【j0 】。但是，对于抹面砂浆来说， 由于砂浆厚度很薄，因此，它的表面干燥收缩是一个不容忽视的问题，应给予足 够的重视。砂浆中的水和周围的空气处于某一平衡状态，如果周围介质空气的状 态发生变化。如湿度降低，砂浆就会发生干燥收缩；反之湿度超过砂浆平衡含湿 量时还会发生吸湿。干燥过程与吸湿过程，对处于同一相对湿度的砂浆而言，吸 湿过程砂浆的含水量小，干燥过程含水量大。如果反复进行干燥与吸湿，就会逐 渐接近砂浆的平衡含水率。 砂浆的干燥收缩由于受到骨料的约束，因此，砂浆干燥收缩比水泥净浆体干 燥收缩要小的多。鲍威尔斯( t c p o w e r s ) 1 l 】曾做过不同水泥含量，水泥石英砂浆 的干燥收缩与失水的关系试验，试验结果表明，水泥净浆的干燥收缩与失水成正比， 这是因为水泥浆的水灰比小( 0 4 2 ) ，水泥又得到充分水化，水泥浆体中毛细管 水较少，主要是吸附水，而吸附水的散失会直接引起干燥收缩。对于水泥石英砂 浆来说，干燥收缩与失水不是线形关系。这是因为水泥砂浆要求较大的水灰比， 砂浆中含有毛细孔和大孔，在干燥开始时，水泥砂浆中的大孔的自由水先蒸发( 不 产生收缩) ，接着毛细管水散失。虽然失水很多，但干燥收缩增加很少。一旦毛细 管水完全散失掉，凝胶体粒子的吸附水开始散失，则水泥砂浆将产生与水泥净浆 同样的干燥收缩。 2 2 5 碳化收缩 在大气环境中，砂浆除产生干燥收缩、温度收缩外，还经受碳化作用而产生 碳化收缩。因此砂浆干燥收缩试验结果都包含了碳化收缩的影响。然而，干燥收 缩与碳化收缩在本质上是完全不同的。干燥收缩是物理收缩，而碳化收缩是化学 收缩。 碳化作用是指大气中的二氧化碳在有水分条件下( 实际上真正的媒介是碳酸) 与水泥的水化物发生化学反应产生c a c 0 3 和游离水等，从而引起收缩。由于各种 水化物的碱度、结晶水及所含水分子数等各不相同，它们碳化后的收缩值也不同。 碳化速度取决于砂浆的含水量，周围介质相对湿度以及二氧化碳的浓度。碳 化作用只在适中的湿度( 约5 0 ) 才会较快地进行，这是因为过高的湿度( 1 0 0 ) ， 使砂浆孔隙中充满了水，二氧化碳不易扩散到水泥石中去，或水泥石中的钙离子 通过水扩散到砂浆表面，碳化生成的c a c 0 3 把表面孔隙堵塞，所以碳化作用不易 进行，故碳化收缩便小；相反，过低的湿度( 如2 5 ) ，孔隙中没有足够的水使 c 0 2 生成碳酸，显然碳化作用也不以进行，碳化收缩相应也很小。 西安建筑科技大学硕士论文 1 0 2 3 砂浆结构形成及失水过程 2 3 1 砂浆的结构形成 刚刚拌制的砂浆可以看作是集料、水泥在水中的均匀分散体系。随着水化的 进行，水泥水化产物在水泥颗粒表面和水中生成，水化产物的相互搭接、交连使 砂浆凝结硬化。由于水化产物的密度小于水泥的密度，所以水泥水化使得固相的 体积增加，据计算，每立方厘米的水泥水化后约需占据2 2 立方厘米的空问i l “。这 样，随着水化的进行，原来充水的空间减少，而没有被水化产物填充的空间，则 逐渐被分割成形状极不规则的毛细孔。在不考虑氢氧化钙等晶体水化产物的生成 时，毛细孔的边壁是由c s h 凝胶构成的。但是，由于晶体水化产物在原来充水 的空间生成，毛细孔的边壁可能部分由晶体水化产物构成，毛细孔的内腔也可能 由晶体水化产物充填，而使孔径变得更不规则。 对于c s h 凝胶的微观结构，不同的学者提出了不同的结构模型，其中包括 p o w e r s b r u n a u e r 模型、f e l d m a n s e r a d a 模型、m u n c h e n 模型、近滕一大门模型、 g r u d e m o 模型以及t a y l o r 模型等【1 3 】。有趣的是尽管对c s h 凝胶的结构认识不完 整，不统一，但这并未影响到砂浆材料，特别是高性能砂浆的发展和使用。实践 已经表明材料的强度与原子尺度上c s h 微观结构关系并不密切。按照w i t t m a r m 的观点，材料强度主要取决于细观和宏观结构上的特征：但徐变和收缩等性能则 与微观结构特征有关。 将微观结构和材料性能联系起来的工作近年来得到了很大发展，美国西北大 学的学者通过建立新的c s - h 物理模型将c s - h 的微观结构和水泥浆体的干燥收 缩性能联系了起来【1 4 1 ”。他们将c s - h 凝胶看作由低密度c s - h ( l dc s h ) 和高 密度c s h ( 1 i dc s - h ) 两种类型的凝胶构成。 除此之外，在砂浆中还存在着少量大的空隙，这些空隙是在形成初始结构时 带入的空气和其它缺陷( 不密实、骨料沉陷等) 所造成的。但是这类附加孔隙率与水 泥石的孔隙率相比，一般很小。 不同学者对水泥石中孔的分类有不同的看法，表2 2 给出了一种分类方法。 表2 2 水泥石中孔的分类 分类名称 直径 孔中水的作用对浆体性能的影响 粗孔球形大孔1 0 0 0 - 1 5 a n与一般水相同强度、渗透性 大毛细孔 1 0 - 0 0 5 f l r n 与般水相同强度、渗透性 毛细孑l 小毛细孔 5 0 1 0 t a m 产生中等的表面张 强度、渗透性 西安建筑科技大学硕士论文 1 1 i i ! ! e ! ! ! ! ! ! ! ! 兰皇! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 目! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 自| ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e g 自! ! ! ! ! ! 皇巴 胶粒间孔 1 0 2 5n m产生强的表面张力相对湿度5 0 以下的收缩 l 凝胶孔 微孔 2 5 o 5n m 强吸附水收缩、徐变 层问孔 1 时，砂浆不会开裂，也不会有裂纹出现，u 的值越大，说明砂浆的抗 裂性能越好；当u 1 砂浆就会有裂纹产生，u 的值越小，裂纹出现的就越多、越 宽，同时说明砂浆的抗裂性能越差。 利用该公式来评价砂浆的抗裂性，即简单又易操作，公式中的参数容易测出， 且评价结粟较准确，它全面考虑了干燥收缩对砂浆抗裂性能的影响。 西安建筑科技大学硕士论文 1 9 i i i i i i i i 3 抹面抗裂砂浆原材料及试验方法 3 ，1 原材料及性能指标 3 1 1 水泥 主要采用的是秦岭水泥厂生产的r 0 4 2 5 r 普通硅酸盐水泥：水泥的主要物理 化学性能见袁3 1 。 表3 1 水泥的主要物理化学性能 2 8 d 强度 m g o s 0 3 l o s s 凝结时间3 d 强度( m p a ) ( m p 8 ) ( ) ( )( ) 初凝终凝抗折抗压抗折抗压 3 62 。1 53 1 4l h 5 0 m i n3 h 1 5 m i n6 02 6 68 94 5 0 3 1 。2 集料 ( 1 ) 中砂：过5 m m 筛，细度模数是2 5 2 ，堆积密度1 4 5 0 k g m 3 ，级配试验结 果如表3 2 所示： 表3 2 砂级配试验结果 筛孔径( m m ) 5 o o2 5 0 1 2 5 0 6 3 0o 3 1 5o 1 6 0 0 1 6 分计筛余( ) o 1 9 1 73 0 3 6 9 1 累计筛余( ) o1 93 66 6 9 0 9 91 0 0 3 1 3 聚合物 采用了市面上销售的n 一聚合物、b 一聚合物及v 一聚合物， 3 1 。4 纤维 采用市面上销售的聚丙烯纤维，其基本性能指标如表3 3 所示。 西安建筑科技大学硕士论文 2 0 表3 3 聚丙烯纤维基本性能指标 纤维类型 束状单丝纤维长度( m m ) 1 0 、2 0 、3 0 比重 o 9 l熔点( )约1 6 0 纤维直径( “m ) 4 8燃点( )约5 8 0 抗拉强度( m p a ) 5 3 5 1杨氏模量( g p a ) 5 7 4 导热性 极低断裂伸长率( ) 1 8 - 2 抗老化性 好安全性无毒材料 吸水性无含水率 l ，则材料表层出 现开裂现象j 。 当在水泥砂浆中掺入纤维材料后，由于此时表层存在纤维材料的作用，使得 其失水面积有所减小，水分迁移较为困难，从而使毛细管失水收缩形成的毛细管 张力有所减小，同时，低弹性模量的聚丙烯纤维相对于塑性浆体也成为高弹性模 量纤维材料，依靠纤维材料与水泥基之间的界面吸附粘结力、机械啮合力等，增 加了材料抵抗开裂的塑性抗拉强度，从而使ac 5 0 p r o 和 l , u r n 颗粒：偶尔可见有小 于l 聊的颗粒团聚的球体、碳粒和晶体。 ( a ) ( b ) ( c )( d ) 图6 1 0 粉煤灰s e m 照片 正是由于粉煤灰的结构特征，使得当粉煤灰掺入砂浆中时，充分发挥了粉煤 灰的形态效应、活性效应、微集料效应。 一、形态效应 形态效应泛指各种应用于混凝土和砂浆中的矿物质粉料，由其颗粒的外观形貌、 内部结构、表面性质、颗粒级配等物理性状所产生的效应。粉煤灰中含有大量的 玻璃微珠，粒形完整，表面光滑。即使粉煤灰等量取代水泥，粉煤灰玻璃微珠除 西安建筑科技大学硕士论文 5 4 极少量的富铁微珠外，密度均小于水泥颗粒，能使砂浆中浆体体积增加，因此可 以明显地改善砂浆的和易性。水泥在水化初期易产生凝聚或絮凝作用，形成一种 不同质的及不均匀的水化物结构】。在砂浆中添加粉煤灰，能够物理分散这些水 泥絮凝体，使较多的絮凝吸附水游离出来，从而可降低砂浆的需水量，改善砂浆 的初始结构。粉煤灰掺入的同时增加了砂浆中水流动渠道的弯曲程度，可限制游 离水在砂浆中的自由流动，因此可降低砂浆的泌水性，游离水的固定及其更均匀 的分布也将有助于砂浆进行正常的水化合反应。 二、活性效应 粉煤灰中的s i 0 2 a h 0 3 等硅酸盐玻璃体，与水泥拌水后产生碱性激发剂 c a ( o n ) ，发生化学反应，生成水化硅酸钙等凝胶，对砂浆起到增强作用【4 5 】。粉煤 灰的活性效应就是指粉煤灰活性成分所产生的这种化学反应。如将粉煤灰用作胶 凝组分，则这种效应自然就是最重要的基本反应。粉煤灰水化反应的产物在粉煤 灰玻璃微珠表层交叉连接，对促进砂浆或混凝土强度增长( 尤其是抗拉强度的增 长) 起到了重要的作用。 粉煤灰的活性效应具有潜在性质的特点，仅对水泥水化反应起到辅助作用， 而且只有到砂浆硬化后期，才能比较明显地显示出来。 三、微集料效应 粉煤灰的微集料效应是指粉煤灰微细颗粒就象微细的集料样，均匀分布于 水泥浆体的基相之中。砂浆的硬化过程及其结构和性质的形成，不仅取决于水泥， 而且还取决于微集料1 4 q 。水泥的水化作用，往往局限于水泥颗粒的面层，水泥颗 粒的核心或水泥颗粒相互接触处是不发生水化作用的，因此在水泥浆体中掺加矿 物质粉料，使水泥露出更大的表面积以进哥亍水化作用，获得更完全的利用，即粉 煤灰颗粒相当于取代了部分不发生水化作用的水泥熟料颗粒，这样就节约了水泥， 也就节约了建设资金。 粉煤灰的微集料效应明显地增强了硬化浆体的结构强度，对粉煤灰颗粒和水 泥净浆问的显微研究证明，随着水化反应的进展，粉煤灰和水泥浆体的界面接触 越趋紧密，在界面上形成的粉煤灰水化凝胶的显微硬度大于水泥凝胶的显微硬度。 粉煤灰微粒在水泥浆体中分散状态良好，有助于新拌水泥砂浆和硬化砂浆均匀性 的改善，粉煤灰微集料填充性的作用，也有助于砂浆中孔隙和毛细孔的充填和细 化。 粉煤灰的上述三种基本效应是相互联系和相互影响的，粉煤灰效应则是在一 定条件下三种基本效应共同作用的总和。粉煤灰在砂浆中的合理使用，其性能都 要受到粉煤灰效应的支配。粉煤灰的三种基本效应，可以从以下几个方面改善砂 浆的性能： 1 减少砂浆的需水量，提高和易性。 西安建筑科技大学硕士论文 5 5 2 提高砂浆的耐久性。掺粉煤灰的砂浆，密实性得以提高，从而提高了抵御自 然环境影响的能力。 3 提高抗渗能力。粉煤灰的微集料效应使砂浆的微小孔隙得以充填，随粉煤灰 的水化，砂浆的密实性得到提高，从而提高砂浆抗渗能力。 4 提高砂浆的抗裂性。水灰比是影响砂浆收缩的重要因素，掺入粉煤灰，能保 持砂浆流动度相等的前提下，减少用水量，从而减少砂浆的收缩率，而收缩率是 影响砂浆抗裂性的重要因素，收缩率的降低及抗拉强度的提高1 4 ”，大大改善了砂 浆的抗裂性能。 本文研制的砂浆其收缩性减小，是在优化掺量上，保证了早期减水作用及后 期的填充作用，为了说明上述分析的合理性，本文利用电镜对所研制砂浆进行了 微观测试，如图6 1 1 所示，从图中可见圆形粉煤灰颗粒参与了水化反应。 图6 1 1 粉煤灰颗粒在砂浆中的形貌 西安建筑科技大学硕士论文 5 6 7 中试试验 为了进一步验证本文所研制的抹面抗裂砂浆的使用效果。在两种不同的基层 材料上，按前述试验编号1 8 配制砂浆，进行了中试试验。 一、抹面抗裂砂浆的制各 抹面抗裂砂浆的拌制工艺流程图如图7 1 所示： 水泥 粉煤灰 聚合物 纤维 膨胀剂 # 1 - 力1 1 剂 图7 1 抹面抗裂砂浆的拌制工艺流程图 拌和后的砂浆和易性好，无泌水，易操作，施工方便， 二、抹面的组成 为使抹面砂浆与基层粘结牢固，防止起鼓开列，使抹面表层平整，保证工程 质量，一般应分层涂抹，即底层、中层和面层( 也称罩面) 以墙面为例，如图7 1 所示； ) 图7 1 抹面分层示意图 l 底层：底层主要起与基层粘结的作用，该层的材料与施工操作对抹面质量有 很大影响，底层材料根据基层不同而异，其厚度一般为5 t m m 。 2 中层：中层抹面主要起找平作用，根据施工质量可以一次抹成，也可分层操 西安建筑科技大学硕