沈忱, 任成鋒, 王金光, 單俊偉, 景宏君*

(1.西安建工第七建設集團有限公司, 西安 710116; 2.西安科技大學建筑與土木工程學院, 西安 710054)

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展,對于普通外墻抹面砂漿的性能要求越來越高。因此,出現(xiàn)了一些具備抗裂、防水和黏結性強等特點的高性能水泥砂漿[1-5]。外墻抹面砂漿作為建筑物外表層常年受到凍害侵擾[6],嚴重威脅行人的生命安全和財產安全。為了減少由此帶來的損失[7-8],研究高性能水泥砂漿在凍融作用下的劣化機理顯得十分重要。

當前大部分學者的研究重點為聚合物乳液改性下的高性能水泥砂漿,而聚合物干粉改性水泥砂漿的報道相對較少。聚合物干粉是通過特殊工藝將聚合物乳液噴霧干燥而形成粉狀顆粒,具有“殼-核”結構[9-11]。許多學者已對聚合物水泥砂漿的力學性能進行了研究,例如,楊林等[12]、侯云芬等[13]和Fan等[14]發(fā)現(xiàn)聚合物可以改善砂漿的工作性能;陳勇等[15]采用聚合物水泥砂漿對樓板進行加固,極大地提高了樓板承載力;Liao等[16]和Jo[17]發(fā)現(xiàn)聚合物的加入可以提高砂漿的黏結強度;王培銘等[18]和侯云芬等[13]則研究了聚合物干粉水泥砂漿的力學性能,發(fā)現(xiàn)聚合物干粉可以提高砂漿的抗折強度和拉伸黏結強度,但降低了砂漿的抗壓強度,對抗壓強度降低原因并未給出明確的解釋。此外,Sarde等[19]研究了聚合物水泥砂漿的耐酸性;高乙博等[20]探討了其抗氯離子滲透性能和抵抗塑性自由收縮性能;張春雨等[21]研究了其抗?jié)B性能;Li等[22]研究了其抗碳化性能。這些研究結果表明,聚合物的加入改善了上述的耐久性指標,但對于聚合物干粉抹面砂漿的抗凍性研究相對較少,并且缺乏相關的劣化機理和規(guī)律。因此,有必要對聚合物干粉抹面砂漿的抗壓強度和抗凍性進行更系統(tǒng)的研究。

據(jù)報道,聚合物干粉可以在集料與水泥顆粒表面形成膜結構[23],從而填充和阻擋砂漿內部的孔隙,有效減輕外墻抹面砂漿的凍害破壞。然而,目前相關研究有限,缺乏系統(tǒng)的結論。因此,現(xiàn)將水灰比、重鈣摻量和聚合物干粉摻量作為變量,設計了輕質聚合物干粉抹面砂漿,并通過抗壓強度試驗與凍融循環(huán)試驗,分析砂漿抗壓強度與抗凍性能的下降規(guī)律及劣化機理,將為聚合物干粉抹面砂漿配比設計及工程應用提供有價值的參考依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

本次試驗主要采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、重鈣、細度模數(shù)1.25以下的特細砂、可再分散乳膠粉(vinyl acetate copolymer-ethylene,VAE)聚合物干粉、羥丙基甲基纖維素(hydroxypropyl methyl cellulose,HPMC)、淀粉醚及減水效率20%的聚羧酸高效減水劑?？稍俜稚⑷槟z粉基本性能如表1所示,羥丙基甲基纖維素基本性能參數(shù)如表2所示。

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

表2 羥丙基甲基纖維素基本性能Table 2 Basic properties of hydroxypropyl methylcellulose

1.2 配合比

根據(jù)前期大量試驗,將砂漿灰砂比(質量比)固定為1∶2,空心漂珠摻量為砂的10%,HPCM與淀粉醚的摻量分別為0.4%與0.1%;水灰比采取0.35、0.45、0.55和0.65共4個水平,VAE的摻量為膠凝材料質量的0、3%、6%、9%,重鈣的摻量為膠凝材料的0、3%、6%、9%,具體配合比如表3所示。

表3 正交試驗配合比Table 3 Orthogonal test mix ratio

1.3 試驗方法

1.3.1 立方體抗壓強度試驗

輕質聚合物干粉抹面砂漿抗壓強度按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T70—2009)規(guī)定進行。首先根據(jù)表3配合比制備砂漿,然后倒入試模并在振動臺上振搗5～10 s。制樣完畢后在室溫[(20±5) ℃]條件下養(yǎng)護12～24 h,對其脫模放入養(yǎng)護室內進行標準養(yǎng)護[溫度:(20±5)℃,相對濕度:90%以上]。養(yǎng)護至7 d、28 d時,采用SYE-2000型壓力試驗機(圖1)測定抗壓強度。加載速度為0.25～0.5 kN/s,當加載數(shù)值為零或負值時表示試件已破壞,停止加載。本試驗一共16組,每組3個試樣,試樣尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。

圖1 壓力試驗機Fig.1 Pressure testing machine

1.3.2 抗凍性能試驗

輕質聚合物干粉抹面砂漿抗凍性能參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GBT 50082—2009)中“快凍法”進行。將試件養(yǎng)護至3 d和24 d時放入水中,將試樣浸泡4 d,然后擦干試樣,稱取質量,放入快速凍融機中,設定每次凍融循環(huán)為4 h,每5次凍融循環(huán)觀察一次表觀情況與測定質量。當質量損失率達5%時,即認為試件已被破壞, 試樣尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。

砂漿試塊經30次凍融循環(huán)后,按照上述試驗步驟依次進行,采集輕質聚合物干粉抹面砂漿經凍融之后的抗壓強度數(shù)據(jù),計算7 d、28 d質量損失率與強度損失率。

2 試驗結果與分析

根據(jù)表3配合比進行立方體抗壓強度試驗和凍融循環(huán)試驗,測得試驗結果如表4所示。其中強度損失率為輕質聚合物干粉抹面砂漿經30次凍融循環(huán)后所得,圖2為聚合物干粉抹面砂漿凍融前后外觀變化。

圖2 凍融前后外觀變化Fig.2 Appearance changes before and after freeze-thaw

表4 正交試驗結果Table 4 Orthogonal test results

2.1 力學性能極差分析

對表4輕質聚合物干粉抹面砂漿的7 d、28 d抗壓強度進行極差分析,其分析結果如表5和表6所示。

表5 砂漿7 d抗壓強度正交試驗極差分析Table 5 Range analysis of 7 d compressive strength orthogonal test of mortar

表6 砂漿28 d抗壓強度正交試驗極差分析Table 6 Grade analysis of 28 d compressive strength orthogonal test of mortar

由表5可知,輕質聚合物干粉抹面砂漿7 d抗壓強度影響因素由強至弱依次為:水灰比、VAE摻量、重鈣摻量。為了更直地觀表征不同因素水平對7 d抗壓強度試驗的變化規(guī)律,繪制了不同因素水平下7 d抗壓強度變化的趨勢圖(圖3)。

圖3 不同因素水平下砂漿7 d抗壓強度趨勢Fig.3 Trend of 7 d compressive strength of mortar at different factor levels

圖3為輕質聚合物干粉抹面砂漿在不同因素水平下7 d抗壓強度變化的趨勢圖。由圖3可知,當水灰比為0.35時,砂漿7 d抗壓強度均值為16.6 MPa,與之相比,水灰比為0.45、0.55、0.65時7 d抗壓強度均值分別降低了25.90%、38.55%、54.82%;輕質聚合物干粉抹面砂漿7 d抗壓強隨著VAE摻入呈下降趨勢,VAE摻量為3%、6%、9%相較未摻分別降低3.12%、13.28%、20.31%,摻量3%時對7 d抗壓強度影響極小,超過3%將引起7 d抗壓強度大幅下降;重鈣摻量在3%時,與未摻相比,7 d抗壓強度僅下降0.78%,變化幅度最小,對砂漿7 d抗壓強度無顯著影響。

由表6可知,輕質聚合物干粉抹面砂漿28 d抗壓強度的影響因素順序是:A>B>C,與砂漿7 d抗壓強度變化趨勢相似,不同因素水平下28 d抗壓強度的變化趨勢如圖4所示。

圖4 不同因素水平下砂漿28 d抗壓強度趨勢Fig.4 Trend of 28 d compressive strength of mortar at different factor levels

由圖4可知,水灰比為0.35時,砂漿28 d抗壓強度均值為18.3 MPa,與其相比,水灰比為0.45、0.55、0.65時,28 d抗壓強度均值分別降低了20.22%、36.61%、53.01%;輕質聚合物干粉抹面砂漿28 d抗壓強度隨VAE摻量的增加而下降,VAE摻量為3%、6%、9%相較未摻分別降低7.28%、15.2%、24.5%,此時摻量在3%內對28 d抗壓強度相對影響較小,摻量超過3%,28 d抗壓強度下降速率增快;重鈣摻量為3%、6%、9%相較未摻組分別降低5.59%、10.49%、11.19%。

綜上所述,隨著水灰比增大,輕質聚合物干粉抹面砂漿的抗壓強度下降。這是因為水泥用量減少,水化反應過程產生的膠凝體也隨之減少,集料間的毛細孔未被填實,造成抗壓強度降低。VAE摻量與重鈣摻量使砂漿抗壓強度降低的機理也是如此。對比輕質聚合物干粉抹面砂漿7 d與28 d抗壓強度變化趨勢,發(fā)現(xiàn)隨著齡期的增加,水灰比引起抗壓強度下降的幅度減小,VAE摻量與重鈣摻量引起抗壓強度下降的幅度增大。若VAE摻量與重鈣摻量均控制在3%以內,雖然抗壓強度有小幅下降,但不影響結構正常使用,可保證工程的安全性與經濟性。

2.2 力學性能方差分析

極差分析方法雖簡便且工作量小,但缺點也非常明顯,其對因素效應與誤差大小顯著性無法做出較精準的判斷,因此還需借助方差分析進行F檢驗。

對表4中輕質聚合物干粉抹面砂漿30次凍融循環(huán)后7 d、28 d抗壓強度進行方差分析,結果如表7所示。

表7 砂漿7 d、28 d抗壓強度試驗方差分析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值遠大于VAE摻量與重鈣摻量的F值,證明水灰比對砂漿抗壓強度影響顯著。VAE摻量與重鈣摻量對抗壓強度無顯著影響。不同因素顯著性影響由強至弱依次為:水灰比、VAE摻量、重鈣摻量,與極差分析結果相同。同時驗證了將水灰比控制在合理范圍內,VAE與重鈣摻入雖引起抗壓強度的小幅降低,但無顯著影響。

2.3 抗凍性能極差分析

抗凍性是反映砂漿耐久性的重要指標之一,雖然質量損失率也可作為抗凍性的評價指標,但凍融循環(huán)后的強度損失率可更直觀有效地表現(xiàn)砂漿工作優(yōu)劣性。因此,本次試驗通過分析30次凍融后抗壓強度損失率,來表征輕質聚合物干粉抹面砂漿的抗凍性能。對表4中輕質聚合物干粉抹面砂漿7 d、28 d強度損失率進行極差分析,其結果如表8與表9所示。

表8 砂漿7 d抗壓強度損失率極差分析Table 8 Extreme analysis of 7 d compressive strength loss rate of mortar

表9 砂漿28 d抗壓強度損失率極差分析Table 9 Analysis of the extreme difference of the loss rate of compressive strength of mortar in 28 d

由表8可知,輕質聚合物干粉抹面砂漿30次凍融循環(huán)后7 d抗壓強度損失率影響因素由強至弱依次為:VAE摻量、水灰比、重鈣摻量。分析不同因素水平與輕質聚合物干粉抹面砂漿7 d強度損失率之間的變化趨勢,如圖5所示。

圖5 不同因素水平下砂漿7 d抗壓強度損失率趨勢Fig.5 Trend of 7 d compressive strength loss rate of mortar at different factor levels

圖5為輕質聚合物干粉抹面砂漿7 d強度損失率隨不同因素水平的變化趨勢圖,由圖5可知,因素C相較其他因素(A、B)強度損失率波動較小。隨著水灰比增大,抗壓強度損失率呈現(xiàn)遞增趨勢,與水灰比為0.35時相比,水灰比為0.45、0.55、0.65時,分別增加了21.31%、49.18%、49.18%;輕質聚合物干粉抹面砂漿30次凍融循環(huán)后7 d強度損失率隨VAE摻量增加先減少后增大,VAE摻量為3%時,7 d強度損失率降低16.67%,當VAE摻量為6%、9%時,相較未摻組,其7 d強度損失率分別增加23.19%、增加34.06%,其中VAE摻量為3%時損失率最小(11.5%),VAE摻量為9%時強度損失率最大(18.5%);砂漿30次凍融循環(huán)后7 d強度損失率隨重鈣摻量增加大致呈上升趨勢,重鈣摻量為3%時,7 d強度損失率均值為15.5%,相較未摻時僅上升0.65%。

由表9可知,輕質聚合物干粉抹面砂漿30次融循環(huán)后28 d抗壓強度損失率的影響因素依次為:VAE摻量、水灰比、重鈣摻量。分析不同因素水平與輕質聚合物干粉抹面砂漿28 d強度損失率之間的變化趨勢,如圖6所示。

圖6 不同因素水平下砂漿28 d抗壓強度損失率趨勢Fig.6 The trend of 28 d compressive strength of mortar at different levels of factors

由圖6可知,水灰比為0.35時,輕質聚合物干粉抹面砂漿28 d強度損失率均值為8.1%,與之相比,水灰比為0.45、0.55、0.65時分別增加了30.86%、32.10%、55.56%;VAE摻量為3%、6%、9%相較未摻組分別降低24.14%,增加34.48%、增加73.56%,其中VAE摻量為3%時損失率最小(6.6%);重鈣摻量為3%、6%、9%相較未摻組分別增加3.03%、10.10%、15.38%。

隨著水灰比增大,輕質聚合物干粉抹面砂漿抗凍性能降低。這是因為水泥用量的減少,水化過程中產生膠凝材料不足完全包裹細集料,導致試樣內部存在較多有害孔,為凍害發(fā)生創(chuàng)造了有利條件,砂漿抗凍性隨著重鈣摻量的增加而下降的原因與此相同。VAE的摻入,使細集料表面產生一層均勻且質密的聚合物包裹膜,水泥漿體與聚合物包裹膜相互交織形成空間膜,有效填充了砂漿中的有害孔與缺陷,提高了砂漿抗凍性能,當VAE摻量在3%內時,抗凍性能優(yōu)異,大于3%時,由于膠凝材料的減少,反而對抗凍不利。

2.4 抗凍性能方差分析

對表4中輕質聚合物干粉抹面砂漿凍融循環(huán)30次7 d、28 d強度損失率進行方差分析,結果如表10所示。

表10 砂漿7 d、28 d強度損失率方差分析Table 10 Analysis of variance of mortar 7 d and 28 d strength loss rate

由表10可知,VAE摻量的F=302.40,遠大于F0.01=99,證明VAE摻量對輕質聚合物干粉抹面砂漿凍融循環(huán)30次后7 d、28 d強度損失率有顯著影響。水灰比的F=74.28

2.5 綜合性能分析

通過正交試驗極差和方差分析可得,影響輕質聚合物干粉抹面砂漿7 d、28 d抗壓強度的因素關系為:水灰比>VAE摻量>重鈣摻量;影響輕質聚合物干粉抹面砂漿7 d、28 d抗凍性能的因素關系為:VAE摻量>水灰比>重鈣摻量。以期得出綜合性能優(yōu)良的因素組合,本次試驗以28 d抗壓強度和30次凍融循環(huán)后28 d強度損失率為指標,代入式(1)、式(2)和式(3)計算綜合性能[24]。

Q1={α1x1,α2x2,α3x3,…}

(1)

Q2={β1x1,β2x2,β3x3,…}

(2)

(3)

式中:PT為綜合性能指標;Q1為輕質聚合物干粉抹面砂漿抗壓性能,用抗壓強度表征;Q2為輕質聚合物干粉抹面砂漿抗凍性能,用強度損失率表征;μ為Q1的重要程度,取0～1;α、β分別為各因素對響應量的影響程度。

計算不同水平水灰比、VAE摻量、重鈣摻量輕質聚合物干粉抹面砂漿28 d抗壓強度與28 d強度損失率,取其平均值分別為PT1=1.35、PT2=1.43、PT3=1.26。結合實際需求,用于外墻抹面砂漿的抗凍性能重要程度要遠大于抗壓強度,所以取μ=0.3。按照上述表達式,解得:x1=0.37、x2=0.28、x3=0.39。因此綜合性能優(yōu)良的因素組合為水灰比0.37、VAE摻量2.8%、重鈣摻量3.9%。此外,可結合具體工作環(huán)境與工程要求,適當調整二者重要性,設計不同組合。

3 結論

通過對輕質聚合物干粉抹面砂漿的抗壓強度與抗凍性能劣化機理的研究和分析,可以得到以下結論。

(1)水灰比和VAE摻量對輕質聚合物干粉抹面砂漿的7 d、28 d抗壓強度影響顯著,而重鈣摻量對抗壓強度影響較小。隨著齡期的增加,水灰比增大使抗壓強度下降幅度減小,VAE與重鈣摻量使抗壓強度下降幅度增大。

(2)對輕質聚合物干粉抹面砂漿抗凍性能影響最顯著的因素是VAE摻量,隨VAE摻量的增加,7 d、28 d強度損失率呈先減小后增大趨勢,將VAE摻量控制在3%以內,可以發(fā)揮出材料最優(yōu)異的抗凍性能,此外養(yǎng)護齡期對抗凍性能影響較小。

(3)重鈣的摻入雖然會引起砂漿抗壓強度與強度損失率下降,但下降幅度均很小,可以將重鈣摻量控制在3%以內,節(jié)約工程成本。

(4)綜合考慮28 d抗壓強度和強度損失率,將水灰比控制在0.37附近,VAE摻量2.8%附近、重鈣摻量3.9%附近,不僅對抗壓強度影響較小,且有很好的抗凍性能,試驗結果為輕質聚合物干粉抹面砂漿的進一步研究提供理論參考。