商品砂漿抗裂性能的理論分析.doc

文檔商品砂漿抗裂性能的理論分析 王愛勤 馬新芬 張承志 白憲臣 (1北京市建筑材料科學研究院，北京100041； 2河南大學土木建筑學院，開封475001)摘要：本文通過對商品砂漿產生開裂原因的分析，指出導致商品砂漿開裂的動力是砂漿與基層變形的不一致性，這種不一致性來源于自生體積變形、干縮變形和溫度變形，其中砂漿與基層干縮變形的不一致性尤為突出。干縮變形對砂漿開裂的影響不僅取決于失水量，也與失水時間和失水速度有著密切的關系。砂漿開裂的阻力是砂漿的彈性，而不是抗拉強度。解決砂漿開裂的根本途徑是提高硬化砂漿的彈性變形能力，控制失水。關鍵詞：商品砂漿；開裂；機理；措施1 引言 盡管商品砂漿品種繁多，但許多砂漿都是用于表面，如：抹灰砂漿、地面砂漿、防水砂漿、修補砂漿、裝飾砂漿等等。然而，在通常情況下，砂漿是一種脆性材料，在各種使用環(huán)境下極易產生開裂。事實上，普通砂漿的開裂已屢見不鮮。因此，如何提高砂漿的抗裂性能，避免砂漿開裂是許多商品砂漿研發(fā)人員所關心的問題。防止商品砂漿的開裂首先要明白砂漿開裂的原因，并在此基礎上尋找防止砂漿開裂的措施。本文將對這些問題進行理論上的分析，為廣大商品砂漿研發(fā)人員提供防止商品砂漿開裂的理論依據。2商品砂漿開裂原因分析 與混凝土不同，砂漿通常都是使用在一定的基材上。由于砂漿與基材在性能、初始狀態(tài)和所處環(huán)境等方面的不一致性，必然導致變形的不一致性，而這種變形的不一致性使得它們之間存在著相互作用。另一方面，硬化砂漿具有一定的強度，以及一定的彈性變形性能。因此，能夠松弛一部分應力，也具有一定的抵抗外應力的能力。砂漿在使用過程中是否開裂取決于砂漿和基材之間由于變形的不一致性而產生的相互作用與砂漿自身抵抗變形能力間的相互關系。如果前者大于后者，砂漿將開裂。反之則不會開裂。21砂漿與基材變形不一致性分析 砂漿與基材變形的不一致性表現(xiàn)在三個方面： (1)自生體積變形砂漿中的膠凝材料發(fā)生水化反應時通常伴隨著體積變化，特別是以水泥作為膠凝材料的商品砂漿，水泥水化時通常表現(xiàn)為收縮。而基材通常是一些成熟度較高的材料，在商品砂漿使用時，這些材料的反應已經基本結束，因而不再產生自生體積變形，或者說自生體積變形將是非常小的。因此，砂漿與基材的自生體積變形存在著較大的差異。 (2)干縮變形砂漿與基材干縮變形通常有非常大的差異，這種差異歸因于三個方面： 1)干縮變形率不同。由于砂漿與基材是不同的材料，因而它們的干縮變形性能通常是不一樣的。 2)初始狀態(tài)不同。所謂初始狀態(tài)不同，是指在商品砂漿使用時，砂漿與基材的含水狀態(tài)是不同的。在商品砂漿使用時，基層材料可能是干燥的，或者含有少量的水分。由于所能失去的水較少，因而也將產生較小的干縮變形。換句話說，在商品砂漿使用時，基層材料已經發(fā)生一定數(shù)量的干縮變形，剩余的干縮變形量與基層材料的剩余含水量有關。而砂漿處于完全飽水的狀態(tài)，因而有大量的水可能失去，也就可能產生較大的干縮變形。由于砂漿與基層含水量不同，基層材料還可能從砂漿吸取水分產生濕脹。而砂漿一方面由于水分的蒸發(fā)，另一方面由于基層材料的吸水，大量的水分失去。同時，由于膠凝材料水化，使得游離水轉變?yōu)榻Y晶水或結構水，產生白干燥作用。這些作用綜合的結果，砂漿層有可能產生較大的干縮變形。 3)環(huán)境不同。一般來說，基層是處于內部，而砂漿層是處于外部。即便砂漿層與基層可能的失水量和干縮變形是相同的，但由于所處的位置不同，其干燥過程也是不同。由于砂漿處于面層，直接與周圍環(huán)境接觸，因而對環(huán)境的變化更為敏感。當環(huán)境比較干燥時，砂漿層首先失去水分產生干縮變形，而基層由于有砂漿層的保護，因而失水較遲。環(huán)境越干燥，砂漿層越致密，基層材料的初始含水量越少，砂漿層與基層失水速率的差別也就越大，因而所產生的干縮變形差別也就可能越大。從砂漿與基材的接觸面來看，砂漿層的外側是一個含水率低于它的材料，因而砂漿層有失去水分的趨勢。而基層材料的外側則是一個含水率高于它的材料，因而有從外部得到水分的趨勢。 由于上述這些原因，砂漿層與基層所產生的干縮變形是不一致的，而且砂漿層的干縮變形通常比基層的干縮變形大得多。 (3)溫度變形溫度變化也會導致硬化砂漿和基層材料的變形。材料的溫度變形取決于材料的熱膨脹系數(shù)和溫度差。由于砂漿層和基層通常都是較薄的，它們的溫度一般不會有較大的差別。但是，由于它們是不同的材料，因而熱膨脹系數(shù)往往是不同的。砂漿層和基層材料熱膨脹系數(shù)的差異也會引起溫度變形的不一致性。 如果基層材料的熱膨脹系數(shù)大于硬化砂漿的熱膨脹系數(shù)時，在溫度升高過程中，基層所產生的自由膨脹大于砂漿層所產生的自由膨脹。由于兩者相互作用下，基層處于受壓狀態(tài)，砂漿層處于受拉狀態(tài)。當砂漿與基層材料熱膨脹系數(shù)的差異較大，或者溫度變化較大，有可能導致硬化砂漿的開裂。 如果基層熱膨脹系數(shù)小于硬化砂漿的熱膨脹系數(shù)時，在溫度升高過程中，基層所產生的自由膨脹小于砂漿層所產生的自由膨脹。由于兩者相互作用下，基層處于受拉狀態(tài)，砂漿層處于受壓狀態(tài)。在這種情況下，硬化砂漿不會出現(xiàn)溫度開裂。但是，在溫度降低過程中，基層所產生的自由收縮也小于砂漿層所產生的自由收縮。由于兩者相互作用下，基層則處于受壓狀態(tài)，而砂漿層處于受拉狀態(tài)，這種情況則有可能導致砂漿的溫度開裂。 由此可以看出，在正常使用環(huán)境下，砂漿與基層之間不可避免地存在著變形差。而這種變形差正是導致砂漿開裂的動力。22砂漿與基材相互作用分析由上述分析已知在自然環(huán)境下，砂漿與基層的變形總是不一致的。如果它們之間沒有相互作用，這時砂漿的變形為e。，而基層的變形為b。盡管存在著變形差，但沒有相互作用力。 但是，砂漿是與基層材料共同工作的，共同工作的基本條件是兩者產生相同的變形。變形由不一致到一致，它們之間必然存在著相互作用。由力學分析可得砂漿層中的應力為： Es(s-b)s = - (1) 1 + Es Eb - Es hs基層中的應力為： b = Eb(b-s)- (2)1 + Eb hb - Es hs 式中 S和b分別為砂漿層和基層中的應力； s和b分別為砂漿層和基層由于某種原因所產生的自由應變； Es 和Eb分別為砂漿層和基層材料的彈性模量； hs 和hb分別為砂漿層和基層的厚度。 在通常情況下，砂漿層是很薄的，一般只有1cm左右，甚至更薄。而基層則比砂漿層厚得多，可達十幾cm，甚至幾十cm。因此，可以認為hs- 0. 式(1)和式(2)可變?yōu)椋?hb sEs(s-b) (3) b0 (4) 由此可以看出，砂漿與基材變形的不一致性在基層中產生的應力是很小的，而在砂漿層中產生的應力正比于兩者之間的變形差及砂漿的彈性模量。 砂漿層出現(xiàn)開裂的判據是：s Rpl，即： Es(s-b) Rpl (5)3 防止商品砂漿開裂的技術措施分析31 防止商品砂漿開裂技術措施的理論分析 商品砂漿在使用過程中是否出現(xiàn)開裂取決于砂漿自身的抵抗外應力的能力與由于砂漿與基層材料變形不一致性所產生的應力之間的平衡。因此，防止商品砂漿開裂也必須從這兩個方面綜合考慮。 (1)砂漿的抵抗能力從式(5)的判據看，砂漿對外應力的抵抗能力表現(xiàn)為抗拉強度。也就是說，硬化砂漿的抗拉強度越高，它的抵抗能力越強。但是，隨著硬化砂漿抗拉強度的提高，彈性模量也增大，因而由變形不一致性而在硬化砂漿中產生的應力也將增大。如果由此而引起的應力增長幅度大于硬化砂漿抗拉強度提高的幅度，硬化砂漿則更容易開裂。因此，提高抗拉強度不一定能夠提高商品砂漿的抵抗外應力能力。事實上，對于普通砂漿，無論強度多高，開裂總是不可避免的。式(5)判據可以轉變?yōu)椋篟pls-b - =sb (6) Es式中se硬化砂漿的極限彈性變形。 這一判據表明，只有硬化砂漿的極限彈性變形大于硬化砂漿與基層材料體積變形的差，砂漿就不會開裂。由此可見，提高商品砂漿抵抗外應力能力的關鍵不在于提高其抗拉強度，而在于提高硬化砂漿的極限彈性變形。也就是說，應盡可能地減小硬化砂漿的脆性，提高硬化砂漿的彈性。 (2)砂漿的變形性能防止硬化砂漿開裂的另一個方面是減小硬化砂漿與基層材料體積變形的差?；鶎硬牧系捏w積變形是由材料性能決定的，通常是不可改變的，所能改變僅僅是硬化砂漿的體積變形性能。因此，盡可能地減小硬化砂漿的體積變形是防止硬化砂漿開裂的一個重要的技術途徑。 上述提到了硬化砂漿的三種體積變形形式。從上述分析可以看到，在這三種體積變形形式中，硬化砂漿與基層之間差異最大的是干縮變形。而且商品砂漿的使用特點決定了砂漿很容易產生干縮變形，其原因是： 1)商品砂漿的使用形式通常是薄層形式，與周圍環(huán)境有非常大的接觸面積，使得砂漿中的水分很容易失去。 2)在實際工程中，商品砂漿的使用部位通常不易養(yǎng)護。因此，應該特別注意商品砂漿的干縮變形性能。 砂漿的干縮變形歸因于砂漿中水分的失去。在使用環(huán)境中，砂漿的失水一般有三個途徑： 1)膠凝材料水化反應的消耗。砂漿中的膠凝材料將與水反應而形成水化產物，這一反應將消耗一部分水。由于由此而產生的體積變化與水化產物有關，通常將它稱為自生體積變形，而不作為干燥收縮。 2)蒸發(fā)。許多砂漿在使用狀態(tài)下直接與大氣接觸，當環(huán)境的濕度較小時，砂漿中的水分可以向環(huán)境中蒸發(fā)而失去。這一部分水分的失去將產生體積收縮，這種收縮稱為干燥收縮。 3)基層材料吸水。砂漿在使用時通常是附在基層材料的表面上的，大部分基層材料都具有一定的吸水能力，而且在商品砂漿使用時這些基層材料一般處于干燥狀態(tài)，有從砂漿中吸取水分的趨勢。砂漿由此而失水所產生的收縮也是干燥收縮的一部分。 既然干縮變形是由砂漿的失水引起的，砂漿的失水過程就會對砂漿的開裂產生顯著的影響。這里需要特別指出的是影響硬化砂漿開裂的不僅僅是失水的數(shù)量，還有失水的時間和失水的速度。 失水的數(shù)量直接影響到砂漿干縮變形的大小。顯然，硬化砂漿失水越多，干縮變形越大。 失水的時間影響到砂漿體積變形所產生的應力與砂漿自身抵抗能力之間的平衡。在使用環(huán)境下，砂漿的失水是砂漿中自由水分的失去，砂漿中自由水分的數(shù)量與膠凝材料的水化過程有關，隨著膠凝材料的水化，砂漿中的自由水向水化產物中轉移，使得自由水分減少。同時，硬化砂漿的強度和極限彈性變形也隨著膠凝材料的水化而增強。由此可見，隨著時間的推移，砂漿的干縮變形減小，表明導致開裂的動力減弱；硬化砂漿的強度和極限延伸率提高，表明砂漿的抵抗能力增強。平衡向不利于開裂的方向發(fā)展。因此，在較晚的齡期失水，砂漿不容易開裂。反之則容易開裂。 失水的速度影響到砂漿中應力的松弛。在應力作用下，砂漿將發(fā)生徐變變形，徐變變形將使得砂漿中的應力松弛。但是，徐變變形是一種依時性變形，需要時間。如果砂漿中的水分慢慢地失去，體積變形所產生的應力慢慢地施加，在施加應力的同時發(fā)生徐變變形，使得應力部分地得以松弛。當砂漿完全干燥時，盡管砂漿的干縮變形并不小，但砂漿中的應力不大，因而不容易開裂。如果砂漿的失水速度很快，砂漿中的應力來不及松弛，即便砂漿干縮變形不十分大，也有可能開裂。在正常情況下，溫度變化是緩慢的，因而溫度應力是慢慢施加的，容易得到松弛，因此，不是引起砂漿開裂的主要原因。 由上述分析可以看出，防止砂漿的開裂就是要提高砂漿的彈性變形能力，減少失水，推遲失水和減小失水速度。在這些方面，普通砂漿是不可能做到的。32粘結劑和保水劑對提高砂漿抗裂能力的作用 從組成上說，現(xiàn)代商品砂漿與普通砂漿的區(qū)別在于大量化學添加劑的使用，其中最重要的是粘結劑和保水劑。這些組分在提高水平砂漿抗裂能力方面發(fā)揮了巨大的作用。這種作用表現(xiàn)在以下幾個方面： (1)提高硬化砂漿的彈性粘結劑對硬化砂漿彈性變形能力的影響來源于兩個方面：一是聚合物乳膠液的凝聚體具有較好的彈性；二是聚合物凝聚體硬化水泥石與集料之間形成了一個緩沖墊層，這一緩沖墊層緩解了由于變形不一致性所產生的相互作用，減少了形成微裂紋的可能性。由于這兩個作用，使得硬化砂漿的變形能力增強。 (2)減慢砂漿的失水速度砂漿的失水包括兩個過程：一是砂漿內部的水向表面擴散；二是砂漿表面的水蒸發(fā)或者向基層材料中擴散。只有砂漿內部的水源源不斷地向表面擴散，才有可能在表面蒸發(fā)或向基層材料中擴散。也只有砂漿表面的水大量地蒸發(fā)或向基層材料中擴散，才能在砂漿中形成較大的濕度梯度，推動砂漿內部的水向表面擴散。這兩個過程是相互影響的。然而，一些保水劑具有吸附水分子的作用，甚至通過分子間作用力牽制著水分子向表面擴散，從而使砂漿失水速度減慢。對于環(huán)境條件比較惡劣的施工場合，這種保水作用不僅可以贏得應力松弛的時間，也為膠凝材料的水化反應截留了水，從而保證砂漿性能的正常發(fā)展，、提高了砂漿的抵抗能力。 (3)減少砂漿的失水率粘結劑在水中溶解后形成的乳膠液分散在砂漿中，乳膠液凝固后在砂漿中形成連續(xù)的有機膜，這種有機膜可以阻止水的遷移，從而減少砂漿的失水。實際上，粘結劑也是一種保水劑，與通常所說的保水劑的區(qū)別在于通常的保水劑是通過吸附作用或分子間作用力來牽制水分子的運動，粘結劑是通過所形成的有機膜來阻止水的運動，而有機膜是在乳膠液凝固后才形成的。因此，在漿體階段或砂漿硬化的初期，保水劑的保水作用占主要地位，而砂漿硬化后，粘結劑的保水作用逐步表現(xiàn)出來，甚至比保水劑的保水作用更強。這種保水作用以目前測定砂漿保水率方