可再分散乳胶粉在自流平中的应用研究

2022-08-10孙义牛陈方博

盐城工学院学报（自然科学版） 2022年2期

孙义牛，陈方博，吴霞，刘锦

（沙索（中国）化学有限公司，江苏南京 210047）

可再分散乳胶粉是特种砂浆中常用的有机外加剂，是合成树脂乳液加入其他物质改性后，经喷雾干燥得到的具有可再分散性的聚合物粉末。赵海鑫等［1］研究发现胶粉对新拌砂浆的物理性能和硬化砂浆的力学性能有很大影响；胶粉掺量较低时，修补砂浆工作性能显著改善，抗压强度明显增大，抗折强度和拉伸粘接强度也有不同程度提高。滕朝晖［2］探讨了胶粉的作用机理，同时研究了胶粉掺量对砂浆粘接强度、抗压强度、抗折强度和抗冻融能力等影响。朱瑶宏等［3］研究发现PVA 可再分散乳胶粉对混凝土的电阻率和抗渗性有明显改善作用。Mansur等［4］发现用EVA胶粉改性砂浆，可以使砂浆和瓷砖的界面粘结强度提升40%。Medeiros 等［5］发现修补砂浆中加入EVA 胶粉和丙烯酸酯类聚合物，可以大幅度改善修补砂浆与基面的拉伸粘结强度。迄今为止，国内外对胶粉的研究多集中在不同种类和不同掺量下胶粉对特种砂浆各方面性能的影响，而对于胶粉分子基团与特种砂浆工作性能和力学性能关系的研究还基本空白，这给特种砂浆产品开发和调试过程中胶粉的选用带来了困难。

面层自流平砂浆是一种比较高端的特种砂浆，由水泥、石英砂、无机填料及外加剂组成，广泛应用于家装及商业地坪。面层自流平通常大面积施工，施工厚度仅为6 mm 左右，故材料要具有优异的工作性能、抗折抗压强度和低收缩性。可再分散乳胶粉在面层自流平材料中至关重要。李文杰等［6］发现掺入一定量可再分散乳胶粉有助于提高自流平砂浆的稳定性、抗折强度，起到增强增韧效果。戴浩等［7］发现可再分散乳胶粉可提高自流平砂浆的耐磨性。刘德春等［8］发现掺入可再分散乳胶粉后，自流平砂浆的抗压强度略微降低，初凝时间增加，压折比、收缩率降低。本文将5 种市售可再分散乳胶粉应用于自流平砂浆中，表征分析其分子基团和分子量，研究其分子基团对面层自流平砂浆工作性能、力学性能和限制膨胀率的影响，为特种砂浆研究人员根据分子基团选用合适的胶粉产品提供便利。

1 试验过程

1.1 试验材料

试验用原材料如表1所示。其中，P·O 42.5R普通硅酸盐水泥的物性参数如表2所示。

表1 试验用原材料Table 1 Raw materials for test

表2 P·O 42.5R水泥的物性参数Table 2 Physical property of P·O 42.5 cement

1.2 试验方法

1.2.1 可再分散性乳胶粉分子基团分析

用三氯甲烷分别将5种胶粉溶解后，用ECX-400 核磁共振谱仪（日本电子制）依次对5 种胶粉进行1H-NMR（核磁共振氢谱）和13C-NMR（核磁共振碳谱）表征，分析其分子基团。NMR 表征仪器试验参数如表3所示。

表3 NMR表征仪器试验参数Table 3 Test parameter of NMR characterization instrument

1.2.2 可再分散乳胶粉分子量分析

用取样器取20 mg 试样，加入20 mL THF（四氢呋喃）搅拌溶解后过滤，用HLC-8220 凝胶液相色谱仪（东曹达制）对可溶成分进行GPC 表征。GPC试验参数如表4所示。

表4 GPC试验参数Table 4 Test parameter of GPC

1.2.3 配料与搅拌

按照表5 与表6 所列配方配制自流平砂浆No.1~No.5，搅拌2 min，测量容重和初始流动度、20 min 流动度，然后分别浇筑40 mm×40 mm×160 mm抗折抗压强度试块和限制膨胀率试块。1 d后脱模，放入养护箱养护（温度20 ℃，湿度60%）。

表5 基础材料配方Table 5 Formulation of basic materials

表6 试验配方Table 6 Formulation of test

1.2.4 物性测试

（1）流动度测试

根据JC/T 985—2017《地面用水泥基自流平砂浆》［9］，在有机玻璃板上分别测定自流平砂浆的初始流动度和20 min流动度。

（2）容重、初凝时间测定

根据JGJ 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》［10］，分别测定自流平砂浆的容重和初凝时间。

（3）抗折强度和抗压强度测试

根据GB 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》［11］，用最大量程300 kN的抗折抗压试验机测量1、3、7、14、28 d 的自流平砂浆抗折强度和抗压强度。

（4）限制膨胀率测试

根据GB 23439—2009《混凝土膨胀剂》［12］，测定纵向限制器的长度L0，然后将纵向限制器放入模具中，浇筑40 mm×40 mm×160 mm 的自流平砂浆试块；1 d 后脱模，用数显比长计分别测定1、3、7、14、21、28 d 的试件长度Lt，根据公式（1）计算相应的限制膨胀率ε。

式中：Lt为第t天的试件实测长度，mm；L0为自流平砂浆浇筑前纵向限制器的长度，即初始长度，mm。

2 试验结果与分析

2.1 可再分散性乳胶粉的分子基团表征

NMR 表征5 种胶粉分子基团的结果如表7 所示。从表7中可以看出：

表7 NMR表征分析结果Table 7 NMR characterization analysis results

（1）胶粉1、胶粉2、胶粉3 为EVA 系胶粉，胶粉1 仅含有EVA 基团，胶粉2 与胶粉3 含有EVA和聚氧化乙烯（PEO）基团。

（2）胶粉4 与胶粉5 为聚丙烯酸丁酯系胶粉。胶粉4 含有聚丙烯酸丁酯与叔碳酸树脂基团，胶粉5 含有聚丙烯酸丁酯与甲基丙烯酸甲酯基团（MMA）基团。

2.2 分子量的测定

5 种胶粉的数均分子量Mn、重均分子量Mw和重均数均比Mw/Mn分别如图1~图3所示。从图1~图3中可以看出：

（1）胶粉1、胶粉2、胶粉3 的数均分子量超过10万，重均分子量超过50万；

（2）胶粉4、胶粉5 的数均分子量小于10 万，重均分子量小于30万；

（3）胶粉1~胶粉3 的重均数均比明显大于胶粉4、胶粉5。

EVA 系胶粉的分子量大于聚丙烯酸丁酯系胶粉的分子量。

2.3 工作性能结果分析

添加5 种不同胶粉的自流平砂浆（试验编号No.1~No.5）的流动度、容重和初凝时间分别如图4~图6所示。从图4~图6中可以看出：

（1）胶粉的分子基团组成和分子量对自流平砂浆的流动度有明显影响。与EVA 系胶粉（No.1、No.2、No.3）相比，使用聚丙烯酸丁酯体系胶粉（No.4、No.5）的自流平砂浆流动性更优。使用EVA 系胶粉的自流平砂浆，No.2 与No.3 的流动性明显比No.1更优；使用聚丙烯酸丁酯体系胶粉的自流平砂浆，No.5 的流动度比No.4 的流动度更优。

（2）No.1~No.5的容重相差不大，说明相同掺量下，胶粉的分子基团对自流平砂浆的容重几乎无影响。

（3）添加EVA 系胶粉的自流平砂浆，No.2 与No.3 的初凝时间大于No.1；添加聚丙烯酸丁酯体系胶粉的自流平砂浆，No.4 的初凝时间少于No.5。

相同掺量下，不同分子基团构成的胶粉对自流平砂浆容重无明显影响。胶粉的分子量越低，自流平砂浆的流动性越好。EVA 系胶粉的分子基团中含有PEO 基团，胶粉的缓凝作用更强，砂浆的流动度更好。这是因为在EVA 主链上接枝PEO 基团，可以使EVA 胶粉在湿拌砂浆中保持较高的分散性和分散保持性，同时赋予胶粉一定的缓凝性能［13］。对于聚丙烯酸丁酯体系胶粉，与叔碳酸乙烯基团相比，分子基团中含有MMA 基团，胶粉的缓凝作用更强，砂浆的流动度更好。这是因为在湿拌砂浆中，胶粉溶解，在砂浆表面形成一层乳胶膜，叔碳酸乙烯基团提高了乳胶膜的疏水性能和即粘强度、初粘强度，加快了乳胶膜的固化。而MMA 基团则改善了乳胶膜的冻融稳定性，延长了乳胶膜的固化时间，但是对其即粘强度、初粘强度则没有影响［14］。

2.4 力学性能分析

5 种自流平砂浆的抗折强度和抗压强度如图7、图8所示。

从图7、图8中可以看出，No.1、No.2、No.3的抗折抗压强度几乎相同，No.5的抗折抗压强度比No.4高。

EVA 系胶粉中，PEO 基团对自流平砂浆的抗折抗压强度几乎无影响。聚丙烯酸丁酯系胶粉中，与叔碳酸乙烯基团相比，使用含MMA 基团的胶粉的自流平砂浆抗折抗压性能更优。这是因为含有MMA 基团的胶粉使自流平砂浆具有更优的流动度和更强的缓凝性。

2.5 限制膨胀率性能

一般来说，自流平砂浆中添加胶粉后，可以大大增大限制膨胀率，防止收缩开裂。5 种自流平砂浆的限制膨胀率如图9所示。

从图9中可以看出：

（1）No.1~No.5 的限制膨胀率均为先增大后减小；

（2）使用EVA 系胶粉时，与No.1、No.3 相比，No.2 的限制膨胀率最大，其抗收缩开裂性能最优；

（3）使用聚丙烯酸丁酯系胶粉时，No.5 的限制膨胀率比No.4稍大，其抗收缩开裂性能较优。

综上所述，EVA 系胶粉中，含有PEO 基团的胶粉有利于增大自流平砂浆的限制膨胀率。这是因为含有PEO 基团的胶粉使自流平初凝时间延长，抗收缩开裂性能增强。聚丙烯酸丁酯体系胶粉中，与叔碳酸乙烯基团相比，含有MMA 基团的胶粉有利于增大自流平的限制膨胀率。这同样因为含有MMA 基团的胶粉使自流平初凝时间延长，限制膨胀率增大。