可再分散胶粉在特种干砂浆产品中的作用

前言

建筑砂浆在工业与民用建筑中是一种用量大、用途广的建筑材料。建筑砂浆有现场配制和商品化两种形式，目前在欧美发达国家砂浆商品化的程度已很高，这是因为干拌的袋装或散装砂浆可以达到加快施工现场周转时间、降低劳动力成本、适应基层和材料品种的变化、提高施工质量和保护环境的效果。与现场搅拌的砂浆相比，干拌砂浆是通过针对特定产品将所有必要的组份（如胶凝材料、骨料和化学添加剂）在严格控制的条件下在干拌砂浆工厂混合生产的。预装袋的干拌砂浆会保证高品质的稳定的胶凝材料、骨料和添加剂始终以适当的比例进行混合，因此确保砂浆一贯的高品质。此外，在采用干拌砂浆时，可以针对某些类型的建筑或材料特殊要求而设计可以解决某些具体问题的产品。

从使用功能上看，干拌砂浆产品分为两大类：普通干拌砂浆和特种干拌砂浆。普通干拌砂浆包括砌筑、抹灰和地面找平砂浆；特种干拌砂浆产品包括瓷砖胶、保温系统粘结砂浆和抹面砂浆、自流平砂浆、腻子、装饰抹灰和干粉涂料、瓷砖填缝剂、修补砂浆和防水密封砂浆等。在这些干砂浆产品中，除了出自自然界的骨料、石灰、水泥和石膏等材料，还要加入各种添加剂以获得可以满足用户具体要求的特性。目前全球有超过600家的大型干混砂浆厂，每年大约有七千万吨的产量，其中估计四分之三为普通干混砂浆产品，包括砌筑砂浆、抹灰/批荡砂浆和找平砂浆，其余为特种干砂浆产品，估计年产量在一千五百万到二千万吨。在特种干砂浆产品中用量最大的三种产品为：1) 瓷砖胶，几乎占了总产量的一半；2) 保温系统的粘结和抹面砂浆；3)自流平砂浆。与普通干砂浆相比，特种干砂浆产品更多地依赖于两种主要的添加剂 – 可再分散胶粉和纤维素醚进行改性。下面我们重点讨论可再分散胶粉在特种干砂浆产品中的作用机理及应用。

可再分散胶粉的作用机理

图1：可再分散胶粉的生产过程示意简图

表1：可再分散胶粉典型的物理性能

了解乳胶的成膜机理是对可再分散胶粉进行进一步讨论的前提。图2所示的简化图形说明了聚合物乳液成膜过程中的不同阶段：

• 初始乳液 –  颗粒以布朗运动的形式自由移动；
• 第一阶段 – 随着水分的蒸发，颗粒的移动自然受到了越来越多的限制，水与空气的界面张力促使它们逐渐排列在一起；
• 第二阶段 – 颗粒开始相互接触时，网络状的水分通过毛细管蒸发，施加于颗粒表面的高毛细张力引起乳胶球体的变形使它们熔合在一起，剩余的水分填充在孔隙中，膜大致形成；
• 第三阶段 – 最后阶段是聚合物分子的扩散(有时称为自粘性)形成真正的连续膜。
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图2：乳胶的成膜过程

可再分散胶粉在聚合物改性砂浆中的成膜过程示意图如图3所示：可再分散胶粉分布在搅拌均匀的干砂浆中，砂浆加水搅拌后聚合物粉末重新分散到新拌浆体内而再次乳化；由于水泥的水化、表面蒸发和/或基层的吸收造成内部孔隙自由水分不断消耗，使乳胶颗粒干燥后在水中形成不溶于水的连续膜，这种连续膜是通过乳液中单一分散的颗粒融合成均质体而形成的。为了使可再分散胶粉能够在硬化砂浆内成膜，必须保证其最低成膜温度(MFFT)低于改性砂浆的养护温度。

图4为扫描电子显微镜下在聚合物改性水泥砂浆中在不同位置包括砂浆-基层界面区、砂浆-集料界面区和砂浆内部观察到的乳胶膜。从这些显微结构照片可以发现乳胶所形成的薄膜分布在砂浆中不同的位置，包括基层-砂浆界面、孔隙之间、孔壁周围、水泥水化产物之间、水泥颗粒周围、集料周围和集料-砂浆界面，如图5所示。正是这些分布在聚合物改性砂浆中的乳胶膜使其获得了刚性水泥砂浆无法具备的特性。由于乳胶膜具有自拉伸机制，可对其与基层或砂浆锚接之处施加拉力。在聚合物改性砂浆与基层的界面，这种作用可以改善砂浆与不同基层的粘结性能，如高玻化瓷砖和聚苯板等。在砂浆的内部这样的作用可以将其保持为一个整体，换言之，砂浆的内聚强度提高了。高柔性和高弹性聚合物区域的存在对砂浆粘结性能和柔性的改善可以从图6和图7的试验结果得到证明：随着可再分散胶粉掺量的增加，砂浆与混凝土基层的粘结强度获得显著提高；而砂浆本身的弹性模量明显下降，说明其柔性获得了改善。

可再分散胶粉的颗粒形态（见表1）及其再分散后的成膜特性使其对砂浆在新拌和硬化状态下的性能产生了如下作用效果：

1．在新拌砂浆中的作用

• 颗粒的“润滑作用”使砂浆拌和物具有良好的流动性，从而获得更佳的施工性能。引气效果使砂浆变得可压缩，因而更容易进行镘抹作业。
• 掺加不同类型的可再分散胶粉可以获得塑性更好或更粘稠的改性砂浆。

2．在硬化砂浆中的作用

• 乳胶膜可对基层-砂浆界面的收缩裂缝进行桥连并使收缩裂缝得以愈合。
• 提高砂浆的封闭性。
• 提高砂浆的内聚强度：高柔性和高弹性聚合物区域的存在改善了砂浆的柔性和弹性，为刚性的骨架提供了内聚性和动态行为。当施加作用力时，由于柔性和弹性的改善会使微裂缝推迟，直到达到更高的应力时才形成。
• 互相交织的聚合物区域对微裂缝合并为贯穿裂缝也有阻碍作用。因此，可再分散胶粉提升了材料的破坏应力和破坏应变。

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图3：可再分散胶粉在聚合物改性砂浆中的成膜过程示意图
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图4：聚合物改性砂浆在扫描电镜下的微结构
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图5：乳胶膜在聚合物改性砂浆中的分布示意图（以瓷砖胶为例）
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 图6：可再分散胶粉的掺量对砂浆粘结强度的影响
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图7：可再分散胶粉的掺量对砂浆弹性模量的影响

可再分散胶粉在典型的特种干砂浆产品中的应用

聚合物对水泥砂浆的改性使二者获得了互补的作用效果，从而使得聚合物改性砂浆可以用于许多特殊的场合。另外，由于干拌砂浆在质量控制、施工操作、储存和环保方面的优势，可再分散胶粉为特种干砂浆产品的生产提供了有效的技术手段。如前所述，特种干砂浆产品中用量最大的三个品种是瓷砖胶、外墙外保温系统中的粘结和抹面砂浆以及自流平砂浆，结合上面对可再分散胶粉作用机理的分析，我们讨论一下它在这三种典型特种干砂浆产品中的作用。

1) 瓷砖胶

由于瓷砖具有良好的装饰性和功能性如耐久、防水和易清洁等特点，它的应用非常普遍：包括墙面、地板、天花板、壁炉、壁画和游泳池等，而且室内外均可使用。瓷砖传统的粘贴方法是厚层施工法，即先将普通砂浆涂抹在瓷砖背面，然后将瓷砖贴压到基层上，砂浆层的厚度约为10到30 mm。尽管这种方法非常适合于在不平整基层上进行施工，但缺点是贴砖效率低、对工人技术熟练程度要求高、由于砂浆柔性差增大了脱落的危险性以及施工现场难以对砂浆的质量进行严格控制。这种方法仅适用于高吸水率瓷砖，粘贴瓷砖之前需要将瓷砖在水中浸泡以期达到足够的粘结强度。

目前在欧洲大量采用的贴砖方法是所谓的薄层粘法，即使用齿形抹刀预先将经聚合物改性的瓷砖胶批刮到待贴砖的基层表面上使其形成有凸起条纹且厚度均匀的砂浆层，然后将瓷砖按压在它的上面并略加扭转，砂浆层的厚度大约在2到4 mm（见图8）。由于纤维素醚和可再分散胶粉等的改性作用，使用这种瓷砖胶对不同类型的基层以及包括吸水率极低的全玻化砖等面层均具有良好的粘结性能，并具有良好的柔性从而吸收由于温差等因素引起的应力，以及极佳的抗垂流性、足够长的开放时间进行薄层施工时可以大大加快施工速度、易于操作而且无需在水中预湿瓷砖。这种施工方法操作简便，也容易进行现场施工质量控制。

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2) 外墙外保温系统

外墙保温和装饰系统 (EIFS) 是多层外墙体系，能够防止潮气侵入内墙，可用于商业建筑和民用住宅，可以提供优异的能源利用效率和高得多的设计灵活性和创意性。这一系统目前在中国的建筑物外墙复合保温系统中也获得了越来越多的应用。该系统是将保温隔热板如膨胀聚苯板粘结在基层上，然后在表面覆盖嵌有玻璃纤维网的砂浆保护层，最后做装饰面层。

对外保温系统中的聚合物改性粘结砂浆而言最重要的性能是与基材或聚苯板的粘结强度；对抹面砂浆而言最重要的是与聚苯板良好的粘结强度、复合网格布后优异的抗冲击强度和低吸水量。在外保温系统中最薄弱的环节是聚苯板与砂浆的粘结界面；而在实际工程中最容易出现的问题是面层的开裂。而通过聚合物对砂浆的改性，可以使其与聚苯板的粘结强度、耐水粘结强度以及与系统抗开裂性能密切相关的系统抗冲击性能和系统吸水量满足相关标准的要求。图9所示的一个简单试验可以充分说明聚合物改性后砂浆对聚苯板粘结强度的显著改善：从未改性砂浆在拉拔破坏时由界面脱落到添加2.5%的ELOTEX可再分散胶粉（VA/E）进行改性后在拉拔破坏时聚苯板本身破坏。

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图9：可再分散胶粉改性后砂浆对聚苯板粘结强度的改善

3) 自流平砂浆

在欧洲大体上有两种不同的地面构造，即浮动式（中欧）和复合式（斯堪的那维亚国家）地面构造。浮动式地面铺设在隔音层上面，与建筑物的承重底板或墙壁没有任何接触，在终饰地板面层(如地毯，PVC或木地板)下面，常使用薄层自流平地面材料进行找平。在复合式地面构造中一般不使用隔音层，而是在承重地板上面铺设一层较厚的可泵自流平地面找平层，地板面层直接铺设在该找平层上。

对自流平砂浆性能的要求是比较高的，在新拌状态下应具有极佳的流动特性并尽可能少用拌和水，无泌水或沉降现象，极佳的自愈性，较长的开放时间和工作时间，而且在足够的开放时间过后强度应快速增长；在硬化状态下对基层具有良好的粘结性，良好的内聚性，高抗折强度，高耐磨性和低收缩性或膨胀性。自流平砂浆的配方在干粉砂浆产品中是比较复杂的，常采用干酪素或合成减水剂使砂浆达到所需要的流动度。此外，自流平砂浆中还必需添加聚合物改性才能达到上述要求。ELOTEX为自流平砂浆特别设计的可再分散粉末聚合物产品也具有改善流动性的作用，因此可以与系统中的超塑化剂共同使用，如FL1212、50V909和50E100S等。另外，ELOTEX还专门开发了具有超塑化功能的可再分散胶粉，并能够满足严格的环保规定，可以以最简化的配方获得具有优异的流动性、施工性和极低挥发性的自流平砂浆。

结语

聚合物改性的水泥基材料已广泛应用于现代建筑业。通过添加聚合物，可以将水泥基材料的性能进一步延伸从而适用于不同的用途。可再分散粉末形式的聚合物产品的出现使我们可以生产出质量更容易控制、更容易运输和储存、更环保和施工效率更高的单组份干拌砂浆。可再分散胶粉在三个典型的特种干砂浆产品中的应用充分反映了粉末状聚合物材料对砂浆新拌和硬化状态下物理力学性能的改变，从而使得这些砂浆可以在十分特殊的场合使用。聚合物和水泥性能之间的互补效果让我们得以制备具有极佳性能的复合材料。可再分散胶粉改性特种干砂浆具有极大的市场潜力。

参考文献

Roger Zubringgen，ELOTEX可再分散胶粉对瓷砖粘结砂浆性能的影响，新型建筑材料，2003年第8期。

Jakob Wolfisberg，张量，欧洲地面构造及FLOWKIT系列产品，新型建筑材料，2003年第6期。

史淑兰，Jakob Wolfisberg，夏烨煦，可再分散胶粉及憎水性添加剂在薄抹灰外墙外保温系统中的应用，新型建筑材料，2004年第3期。