可再分散膠粉在特種干砂漿產品中的作用

前言

建筑砂漿在工業與民用建筑中是一種用量大、用途廣的建筑材料。建筑砂漿有現場配制和商品化兩種形式，目前在歐美發達國家砂漿商品化的程度已很高，這是因為干拌的袋裝或散裝砂漿可以達到加快施工現場周轉時間、降低勞動力成本、適應基層和材料品種的變化、提高施工質量和保護環境的效果。與現場攪拌的砂漿相比，干拌砂漿是通過針對特定產品將所有必要的組份（如膠凝材料、骨料和化學添加劑）在嚴格控制的條件下在干拌砂漿工廠混合生產的。預裝袋的干拌砂漿會保證高品質的穩定的膠凝材料、骨料和添加劑始終以適當的比例進行混合，因此確保砂漿一貫的高品質。此外，在采用干拌砂漿時，可以針對某些類型的建筑或材料特殊要求而設計可以解決某些具體問題的產品。

從使用功能上看，干拌砂漿產品分為兩大類：普通干拌砂漿和特種干拌砂漿。普通干拌砂漿包括砌筑、抹灰和地面找平砂漿；特種干拌砂漿產品包括瓷磚膠、保溫系統粘結砂漿和抹面砂漿、自流平砂漿、膩子、裝飾抹灰和干粉涂料、瓷磚填縫劑、修補砂漿和防水密封砂漿等。在這些干砂漿產品中，除了出自自然界的骨料、石灰、水泥和石膏等材料，還要加入各種添加劑以獲得可以滿足用戶具體要求的特性。目前全球有超過600家的大型干混砂漿廠，每年大約有七千萬噸的產量，其中估計四分之三為普通干混砂漿產品，包括砌筑砂漿、抹灰/批蕩砂漿和找平砂漿，其余為特種干砂漿產品，估計年產量在一千五百萬到二千萬噸。在特種干砂漿產品中用量最大的三種產品為：1) 瓷磚膠，幾乎占了總產量的一半；2) 保溫系統的粘結和抹面砂漿；3)自流平砂漿。與普通干砂漿相比，特種干砂漿產品更多地依賴于兩種主要的添加劑 – 可再分散膠粉和纖維素醚進行改性。下面我們重點討論可再分散膠粉在特種干砂漿產品中的作用機理及應用。

可再分散膠粉的作用機理

圖1：可再分散膠粉的生產過程示意簡圖

表1：可再分散膠粉典型的物理性能

了解乳膠的成膜機理是對可再分散膠粉進行進一步討論的前提。圖2所示的簡化圖形說明了聚合物乳液成膜過程中的不同階段：

• 初始乳液 –  顆粒以布朗運動的形式自由移動；
• 第一階段 – 隨著水分的蒸發，顆粒的移動自然受到了越來越多的限制，水與空氣的界面張力促使它們逐漸排列在一起；
• 第二階段 – 顆粒開始相互接觸時，網絡狀的水分通過毛細管蒸發，施加于顆粒表面的高毛細張力引起乳膠球體的變形使它們熔合在一起，剩余的水分填充在孔隙中，膜大致形成；
• 第三階段 – 最后階段是聚合物分子的擴散(有時稱為自粘性)形成真正的連續膜。
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圖2：乳膠的成膜過程

可再分散膠粉在聚合物改性砂漿中的成膜過程示意圖如圖3所示：可再分散膠粉分布在攪拌均勻的干砂漿中，砂漿加水攪拌后聚合物粉末重新分散到新拌漿體內而再次乳化；由于水泥的水化、表面蒸發和/或基層的吸收造成內部孔隙自由水分不斷消耗，使乳膠顆粒干燥后在水中形成不溶于水的連續膜，這種連續膜是通過乳液中單一分散的顆粒融合成均質體而形成的。為了使可再分散膠粉能夠在硬化砂漿內成膜，必須保證其最低成膜溫度(MFFT)低于改性砂漿的養護溫度。

圖4為掃描電子顯微鏡下在聚合物改性水泥砂漿中在不同位置包括砂漿-基層界面區、砂漿-集料界面區和砂漿內部觀察到的乳膠膜。從這些顯微結構照片可以發現乳膠所形成的薄膜分布在砂漿中不同的位置，包括基層-砂漿界面、孔隙之間、孔壁周圍、水泥水化產物之間、水泥顆粒周圍、集料周圍和集料-砂漿界面，如圖5所示。正是這些分布在聚合物改性砂漿中的乳膠膜使其獲得了剛性水泥砂漿無法具備的特性。由于乳膠膜具有自拉伸機制，可對其與基層或砂漿錨接之處施加拉力。在聚合物改性砂漿與基層的界面，這種作用可以改善砂漿與不同基層的粘結性能，如高?；纱u和聚苯板等。在砂漿的內部這樣的作用可以將其保持為一個整體，換言之，砂漿的內聚強度提高了。高柔性和高彈性聚合物區域的存在對砂漿粘結性能和柔性的改善可以從圖6和圖7的試驗結果得到證明：隨著可再分散膠粉摻量的增加，砂漿與混凝土基層的粘結強度獲得顯著提高；而砂漿本身的彈性模量明顯下降，說明其柔性獲得了改善。

可再分散膠粉的顆粒形態（見表1）及其再分散后的成膜特性使其對砂漿在新拌和硬化狀態下的性能產生了如下作用效果：

1．在新拌砂漿中的作用

• 顆粒的“潤滑作用”使砂漿拌和物具有良好的流動性，從而獲得更佳的施工性能。引氣效果使砂漿變得可壓縮，因而更容易進行鏝抹作業。
• 摻加不同類型的可再分散膠粉可以獲得塑性更好或更粘稠的改性砂漿。

2．在硬化砂漿中的作用

• 乳膠膜可對基層-砂漿界面的收縮裂縫進行橋連并使收縮裂縫得以愈合。
• 提高砂漿的封閉性。
• 提高砂漿的內聚強度：高柔性和高彈性聚合物區域的存在改善了砂漿的柔性和彈性，為剛性的骨架提供了內聚性和動態行為。當施加作用力時，由于柔性和彈性的改善會使微裂縫推遲，直到達到更高的應力時才形成。
• 互相交織的聚合物區域對微裂縫合并為貫穿裂縫也有阻礙作用。因此，可再分散膠粉提升了材料的破壞應力和破壞應變。

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圖3：可再分散膠粉在聚合物改性砂漿中的成膜過程示意圖
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圖4：聚合物改性砂漿在掃描電鏡下的微結構
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圖5：乳膠膜在聚合物改性砂漿中的分布示意圖（以瓷磚膠為例）
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 圖6：可再分散膠粉的摻量對砂漿粘結強度的影響
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圖7：可再分散膠粉的摻量對砂漿彈性模量的影響

可再分散膠粉在典型的特種干砂漿產品中的應用

聚合物對水泥砂漿的改性使二者獲得了互補的作用效果，從而使得聚合物改性砂漿可以用于許多特殊的場合。另外，由于干拌砂漿在質量控制、施工操作、儲存和環保方面的優勢，可再分散膠粉為特種干砂漿產品的生產提供了有效的技術手段。如前所述，特種干砂漿產品中用量最大的三個品種是瓷磚膠、外墻外保溫系統中的粘結和抹面砂漿以及自流平砂漿，結合上面對可再分散膠粉作用機理的分析，我們討論一下它在這三種典型特種干砂漿產品中的作用。

1) 瓷磚膠

由于瓷磚具有良好的裝飾性和功能性如耐久、防水和易清潔等特點，它的應用非常普遍：包括墻面、地板、天花板、壁爐、壁畫和游泳池等，而且室內外均可使用。瓷磚傳統的粘貼方法是厚層施工法，即先將普通砂漿涂抹在瓷磚背面，然后將瓷磚貼壓到基層上，砂漿層的厚度約為10到30 mm。盡管這種方法非常適合于在不平整基層上進行施工，但缺點是貼磚效率低、對工人技術熟練程度要求高、由于砂漿柔性差增大了脫落的危險性以及施工現場難以對砂漿的質量進行嚴格控制。這種方法僅適用于高吸水率瓷磚，粘貼瓷磚之前需要將瓷磚在水中浸泡以期達到足夠的粘結強度。

目前在歐洲大量采用的貼磚方法是所謂的薄層粘法，即使用齒形抹刀預先將經聚合物改性的瓷磚膠批刮到待貼磚的基層表面上使其形成有凸起條紋且厚度均勻的砂漿層，然后將瓷磚按壓在它的上面并略加扭轉，砂漿層的厚度大約在2到4 mm（見圖8）。由于纖維素醚和可再分散膠粉等的改性作用，使用這種瓷磚膠對不同類型的基層以及包括吸水率極低的全?；u等面層均具有良好的粘結性能，并具有良好的柔性從而吸收由于溫差等因素引起的應力，以及極佳的抗垂流性、足夠長的開放時間進行薄層施工時可以大大加快施工速度、易于操作而且無需在水中預濕瓷磚。這種施工方法操作簡便，也容易進行現場施工質量控制。

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2) 外墻外保溫系統

外墻保溫和裝飾系統 (EIFS) 是多層外墻體系，能夠防止潮氣侵入內墻，可用于商業建筑和民用住宅，可以提供優異的能源利用效率和高得多的設計靈活性和創意性。這一系統目前在中國的建筑物外墻復合保溫系統中也獲得了越來越多的應用。該系統是將保溫隔熱板如膨脹聚苯板粘結在基層上，然后在表面覆蓋嵌有玻璃纖維網的砂漿保護層，最后做裝飾面層。

對外保溫系統中的聚合物改性粘結砂漿而言最重要的性能是與基材或聚苯板的粘結強度；對抹面砂漿而言最重要的是與聚苯板良好的粘結強度、復合網格布后優異的抗沖擊強度和低吸水量。在外保溫系統中最薄弱的環節是聚苯板與砂漿的粘結界面；而在實際工程中最容易出現的問題是面層的開裂。而通過聚合物對砂漿的改性，可以使其與聚苯板的粘結強度、耐水粘結強度以及與系統抗開裂性能密切相關的系統抗沖擊性能和系統吸水量滿足相關標準的要求。圖9所示的一個簡單試驗可以充分說明聚合物改性后砂漿對聚苯板粘結強度的顯著改善：從未改性砂漿在拉拔破壞時由界面脫落到添加2.5%的ELOTEX可再分散膠粉（VA/E）進行改性后在拉拔破壞時聚苯板本身破壞。

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圖9：可再分散膠粉改性后砂漿對聚苯板粘結強度的改善

3) 自流平砂漿

在歐洲大體上有兩種不同的地面構造，即浮動式（中歐）和復合式（斯堪的那維亞國家）地面構造。浮動式地面鋪設在隔音層上面，與建筑物的承重底板或墻壁沒有任何接觸，在終飾地板面層(如地毯，PVC或木地板)下面，常使用薄層自流平地面材料進行找平。在復合式地面構造中一般不使用隔音層，而是在承重地板上面鋪設一層較厚的可泵自流平地面找平層，地板面層直接鋪設在該找平層上。

對自流平砂漿性能的要求是比較高的，在新拌狀態下應具有極佳的流動特性并盡可能少用拌和水，無泌水或沉降現象，極佳的自愈性，較長的開放時間和工作時間，而且在足夠的開放時間過后強度應快速增長；在硬化狀態下對基層具有良好的粘結性，良好的內聚性，高抗折強度，高耐磨性和低收縮性或膨脹性。自流平砂漿的配方在干粉砂漿產品中是比較復雜的，常采用干酪素或合成減水劑使砂漿達到所需要的流動度。此外，自流平砂漿中還必需添加聚合物改性才能達到上述要求。ELOTEX為自流平砂漿特別設計的可再分散粉末聚合物產品也具有改善流動性的作用，因此可以與系統中的超塑化劑共同使用，如FL1212、50V909和50E100S等。另外，ELOTEX還專門開發了具有超塑化功能的可再分散膠粉，并能夠滿足嚴格的環保規定，可以以最簡化的配方獲得具有優異的流動性、施工性和極低揮發性的自流平砂漿。

結語

聚合物改性的水泥基材料已廣泛應用于現代建筑業。通過添加聚合物，可以將水泥基材料的性能進一步延伸從而適用于不同的用途?？稍俜稚⒎勰┬问降木酆衔锂a品的出現使我們可以生產出質量更容易控制、更容易運輸和儲存、更環保和施工效率更高的單組份干拌砂漿?？稍俜稚⒛z粉在三個典型的特種干砂漿產品中的應用充分反映了粉末狀聚合物材料對砂漿新拌和硬化狀態下物理力學性能的改變，從而使得這些砂漿可以在十分特殊的場合使用。聚合物和水泥性能之間的互補效果讓我們得以制備具有極佳性能的復合材料?？稍俜稚⒛z粉改性特種干砂漿具有極大的市場潛力。

參考文獻

Roger Zubringgen，ELOTEX可再分散膠粉對瓷磚粘結砂漿性能的影響，新型建筑材料，2003年第8期。

Jakob Wolfisberg，張量，歐洲地面構造及FLOWKIT系列產品，新型建筑材料，2003年第6期。

史淑蘭，Jakob Wolfisberg，夏燁煦，可再分散膠粉及憎水性添加劑在薄抹灰外墻外保溫系統中的應用，新型建筑材料，2004年第3期。