商品砂浆抗裂性能的理论分析new

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文档商品砂浆抗裂性能的理论分析王爱勤马新芬张承志白宪臣(1．北京市建筑材料科学研究院，北京100041；2．河南大学土木建筑学院，开封475001)摘要：本文通过对商品砂浆产生开裂原因的分析，指出导致商品砂浆开裂的动力是砂浆与基层变形的不一致性，这种不一致性来源于自生体积变形、干缩变形和温度变形，其中砂浆与基层干缩变形的不一致性尤为突出。干缩变形对砂浆开裂的影响不仅取决于失水量，也与失水时间和失水速度有着密切的关系。砂浆开裂的阻力是砂浆的弹性，而不是抗拉强度。解决砂浆开裂的根本途径是提高硬化砂浆的弹性变形能力，控制失水。关键词：商品砂浆；开裂；机理；措施1引言尽管商品砂浆品种繁多，但许多砂浆都是用于表面，如：抹灰砂浆、地面砂浆、防水砂浆、修补砂浆、装饰砂浆等等。然而，在通常情况下，砂浆是一种脆性材料，在各种使用环境下极易产生开裂。事实上，普通砂浆的开裂已屡见不鲜。因此，如何提高砂浆的抗裂性能，避免砂浆开裂是许多商品砂浆研发人员所关心的问题。防止商品砂浆的开裂首先要明白砂浆开裂的原因，并在此基础上寻找防止砂浆开裂的措施。本文将对这些问题进行理论上的分析，为广大商品砂浆研发人员提供防止商品砂浆开裂的理论依据。2商品砂浆开裂原因分析与混凝土不同，砂浆通常都是使用在一定的基材上。由于砂浆与基材在性能、初始状态和所处环境等方面的不一致性，必然导致变形的不一致性，而这种变形的不一致性使得它们之间存在着相互作用。另一方面，硬化砂浆具有一定的强度，以及一定的弹性变形性能。因此，能够松弛一部分应力，也具有一定的抵抗外应力的能力。砂浆在使用过程中是否开裂取决于砂浆和基材之间由于变形的不一致性而产生的相互作用与砂浆自身抵抗变形能力间的相互关系。如果前者大于后者，砂浆将开裂。反之则不会开裂。2．1砂浆与基材变形不一致性分析砂浆与基材变形的不一致性表现在三个方面：(1)自生体积变形砂浆中的胶凝材料发生水化反应时通常伴随着体积变化，特别是以水泥作为胶凝材料的商品砂浆，水泥水化时通常表现为收缩。而基材通常是一些成熟度较高的材料，在商品砂浆使用时，这些材料的反应已经基本结束，因而不再产生自生体积变形，或者说自生体积变形将是非常小的。因此，砂浆与基材的自生体积变形存在着较大的差异。(2)干缩变形砂浆与基材干缩变形通常有非常大的差异，这种差异归因于三个方面：1)干缩变形率不同。由于砂浆与基材是不同的材料，因而它们的干缩变形性能通常是不一样的。2)初始状态不同。所谓初始状态不同，是指在商品砂浆使用时，砂浆与基材的含水状态是不同的。在商品砂浆使用时，基层材料可能是干燥的，或者含有少量的水分。由于所能失去的水较少，因而也将产生较小的干缩变形。换句话说，在商品砂浆使用时，基层材料已经发生一定数量的干缩变形，剩余的干缩变形量与基层材料的剩余含水量有关。而砂浆处于完全饱水的状态，因而有大量的水可能失去，也就可能产生较大的干缩变形。由于砂浆与基层含水量不同，基层材料还可能从砂浆吸取水分产生湿胀。而砂浆一方面由于水分的蒸发，另一方面由于基层材料的吸水，大量的水分失去。同时，由于胶凝材料水化，使得游离水转变为结晶水或结构水，产生白干燥作用。这些作用综合的结果，砂浆层有可能产生较大的干缩变形。3)环境不同。一般来说，基层是处于内部，而砂浆层是处于外部。即便砂浆层与基层可能的失水量和干缩变形是相同的，但由于所处的位置不同，其干燥过程也是不同。由于砂浆处于面层，直接与周围环境接触，因而对环境的变化更为敏感。当环境比较干燥时，砂浆层首先失去水分产生干缩变形，而基层由于有砂浆层的保护，因而失水较迟。环境越干燥，砂浆层越致密，基层材料的初始含水量越少，砂浆层与基层失水速率的差别也就越大，因而所产生的干缩变形差别也就可能越大。从砂浆与基材的接触面来看，砂浆层的外侧是一个含水率低于它的材料，因而砂浆层有失去水分的趋势。而基层材料的外侧则是一个含水率高于它的材料，因而有从外部得到水分的趋势。由于上述这些原因，砂浆层与基层所产生的干缩变形是不一致的，而且砂浆层的干缩变文档 文档形通常比基层的干缩变形大得多。(3)温度变形温度变化也会导致硬化砂浆和基层材料的变形。材料的温度变形取决于材料的热膨胀系数和温度差。由于砂浆层和基层通常都是较薄的，它们的温度一般不会有较大的差别。但是，由于它们是不同的材料，因而热膨胀系数往往是不同的。砂浆层和基层材料热膨胀系数的差异也会引起温度变形的不一致性。如果基层材料的热膨胀系数大于硬化砂浆的热膨胀系数时，在温度升高过程中，基层所产生的自由膨胀大于砂浆层所产生的自由膨胀。由于两者相互作用下，基层处于受压状态，砂浆层处于受拉状态。当砂浆与基层材料热膨胀系数的差异较大，或者温度变化较大，有可能导致硬化砂浆的开裂。如果基层热膨胀系数小于硬化砂浆的热膨胀系数时，在温度升高过程中，基层所产生的自由膨胀小于砂浆层所产生的自由膨胀。由于两者相互作用下，基层处于受拉状态，砂浆层处于受压状态。在这种情况下，硬化砂浆不会出现温度开裂。但是，在温度降低过程中，基层所产生的自由收缩也小于砂浆层所产生的自由收缩。由于两者相互作用下，基层则处于受压状态，而砂浆层处于受拉状态，这种情况则有可能导致砂浆的温度开裂。由此可以看出，在正常使用环境下，砂浆与基层之间不可避免地存在着变形差。而这种变形差正是导致砂浆开裂的动力。2．2砂浆与基材相互作用分析由上述分析已知在自然环境下，砂浆与基层的变形总是不一致的。如果它们之间没有相互作用，这时砂浆的变形为e。，而基层的变形为￡b。尽管存在着变形差，但没有相互作用力。但是，砂浆是与基层材料共同工作的，共同工作的基本条件是两者产生相同的变形。变形由不一致到一致，它们之间必然存在着相互作用。由力学分析可得砂浆层中的应力为：Es(εs-εb)бs=---------------(1)1+EsEb------Eshs基层中的应力为：бb=Eb(εb-εs)-------------(2)1+Ebhb------Eshs式中бS和бb——分别为砂浆层和基层中的应力；εs和εb——分别为砂浆层和基层由于某种原因所产生的自由应变；Es和Eb——分别为砂浆层和基层材料的弹性模量；hs和hb——分别为砂浆层和基层的厚度。在通常情况下，砂浆层是很薄的，一般只有1cm左右，甚至更薄。而基层则比砂浆层厚得多，可达十几cm，甚至几十cm。因此，可以认为hs---→0.式(1)和式(2)可变为：hbбs≈Es(εs-εb)(3)бb≈0(4)由此可以看出，砂浆与基材变形的不一致性在基层中产生的应力是很小的，而在砂浆层文档 文档中产生的应力正比于两者之间的变形差及砂浆的弹性模量。砂浆层出现开裂的判据是：бs>Rpl，即：Es(εs-εb)>Rpl(5)3防止商品砂浆开裂的技术措施分析3．1防止商品砂浆开裂技术措施的理论分析商品砂浆在使用过程中是否出现开裂取决于砂浆自身的抵抗外应力的能力与由于砂浆与基层材料变形不一致性所产生的应力之间的平衡。因此，防止商品砂浆开裂也必须从这两个方面综合考虑。(1)砂浆的抵抗能力从式(5)的判据看，砂浆对外应力的抵抗能力表现为抗拉强度。也就是说，硬化砂浆的抗拉强度越高，它的抵抗能力越强。但是，随着硬化砂浆抗拉强度的提高，弹性模量也增大，因而由变形不一致性而在硬化砂浆中产生的应力也将增大。如果由此而引起的应力增长幅度大于硬化砂浆抗拉强度提高的幅度，硬化砂浆则更容易开裂。因此，提高抗拉强度不一定能够提高商品砂浆的抵抗外应力能力。事实上，对于普通砂浆，无论强度多高，开裂总是不可避免的。式(5)判据可以转变为：Rplεs-εb>------=εsb(6)Es式中——εse硬化砂浆的极限弹性变形。这一判据表明，只有硬化砂浆的极限弹性变形大于硬化砂浆与基层材料体积变形的差，砂浆就不会开裂。由此可见，提高商品砂浆抵抗外应力能力的关键不在于提高其抗拉强度，而在于提高硬化砂浆的极限弹性变形。也就是说，应尽可能地减小硬化砂浆的脆性，提高硬化砂浆的弹性。(2)砂浆的变形性能防止硬化砂浆开裂的另一个方面是减小硬化砂浆与基层材料体积变形的差。基层材料的体积变形是由材料性能决定的，通常是不可改变的，所能改变仅仅是硬化砂浆的体积变形性能。因此，尽可能地减小硬化砂浆的体积变形是防止硬化砂浆开裂的一个重要的技术途径。上述提到了硬化砂浆的三种体积变形形式。从上述分析可以看到，在这三种体积变形形式中，硬化砂浆与基层之间差异最大的是干缩变形。而且商品砂浆的使用特点决定了砂浆很容易产生干缩变形，其原因是：1)商品砂浆的使用形式通常是薄层形式，与周围环境有非常大的接触面积，使得砂浆中的水分很容易失去。．2)在实际工程中，商品砂浆的使用部位通常不易养护。因此，应该特别注意商品砂浆的干缩变形性能。砂浆的干缩变形归因于砂浆中水分的失去。在使用环境中，砂浆的失水一般有三个途径：1)胶凝材料水化反应的消耗。砂浆中的胶凝材料将与水反应而形成水化产物，这一反应将消耗一部分水。由于由此而产生的体积变化与水化产物有关，通常将它称为自生体积变形，而不作为干燥收缩。2)蒸发。许多砂浆在使用状态下直接与大气接触，当环境的湿度较小时，砂浆中的水分可以向环境中蒸发而失去。这一部分水分的失去将产生体积收缩，这种收缩称为干燥收缩。3)基层材料吸水。砂浆在使用时通常是附在基层材料的表面上的，大部分基层材料都具有一定的吸水能力，而且在商品砂浆使用时这些基层材料一般处于干燥状态，有从砂浆中吸取水分的趋势。砂浆由此而失水所产生的收缩也是干燥收缩的一部分。既然干缩变形是由砂浆的失水引起的，砂浆的失水过程就会对砂浆的开裂产生显著的影响。这里需要特别指出的是影响硬化砂浆开裂的不仅仅是失水的数量，还有失水的时间和失水的速度。失水的数量直接影响到砂浆干缩变形的大小。显然，硬化砂浆失水越多，干缩变形越文档 文档大。失水的时间影响到砂浆体积变形所产生的应力与砂浆自身抵抗能力之间的平衡。在使用环境下，砂浆的失水是砂浆中自由水分的失去，砂浆中自由水分的数量与胶凝材料的水化过程有关，随着胶凝材料的水化，砂浆中的自由水向水化产物中转移，使得自由水分减少。同时，硬化砂浆的强度和极限弹性变形也随着胶凝材料的水化而增强。由此可见，随着时间的推移，砂浆的干缩变形减小，表明导致开裂的动力减弱；硬化砂浆的强度和极限延伸率提高，表明砂浆的抵抗能力增强。平衡向不利于开裂的方向发展。因此，在较晚的龄期失水，砂浆不容易开裂。反之则容易开裂。失水的速度影响到砂浆中应力的松弛。在应力作用下，砂浆将发生徐变变形，徐变变形将使得砂浆中的应力松弛。但是，徐变变形是一种依时性变形，需要时间。如果砂浆中的水分慢慢地失去，体积变形所产生的应力慢慢地施加，在施加应力的同时发生徐变变形，使得应力部分地得以松弛。当砂浆完全干燥时，尽管砂浆的干缩变形并不小，但砂浆中的应力不大，因而不容易开裂。如果砂浆的失水速度很快，砂浆中的应力来不及松弛，即便砂浆干缩变形不十分大，也有可能开裂。在正常情况下，温度变化是缓慢的，因而温度应力是慢慢施加的，容易得到松弛，因此，不是引起砂浆开裂的主要原因。由上述分析可以看出，防止砂浆的开裂就是要提高砂浆的弹性变形能力，减少失水，推迟失水和减小失水速度。在这些方面，普通砂浆是不可能做到的。3．2粘结剂和保水剂对提高砂浆抗裂能力的作用从组成上说，现代商品砂浆与普通砂浆的区别在于大量化学添加剂的使用，其中最重要的是粘结剂和保水剂。这些组分在提高水平砂浆抗裂能力方面发挥了巨大的作用。这种作用表现在以下几个方面：(1)提高硬化砂浆的弹性粘结剂对硬化砂浆弹性变形能力的影响来源于两个方面：一是聚合物乳胶液的凝聚体具有较好的弹性；二是聚合物凝聚体硬化水泥石与集料之间形成了一个缓冲垫层，这一缓冲垫层缓解了由于变形不一致性所产生的相互作用，减少了形成微裂纹的可能性。由于这两个作用，使得硬化砂浆的变形能力增强。(2)减慢砂浆的失水速度砂浆的失水包括两个过程：一是砂浆内部的水向表面扩散；二是砂浆表面的水蒸发或者向基层材料中扩散。只有砂浆内部的水源源不断地向表面扩散，才有可能在表面蒸发或向基层材料中扩散。也只有砂浆表面的水大量地蒸发或向基层材料中扩散，才能在砂浆中形成较大的湿度梯度，推动砂浆内部的水向表面扩散。这两个过程是相互影响的。然而，一些保水剂具有吸附水分子的作用，甚至通过分子间作用力牵制着水分子向表面扩散，从而使砂浆失水速度减慢。对于环境条件比较恶劣的施工场合，这种保水作用不仅可以赢得应力松弛的时间，也为胶凝材料的水化反应截留了水，从而保证砂浆性能的正常发展，、提高了砂浆的抵抗能力。(3)减少砂浆的失水率粘结剂在水中溶解后形成的乳胶液分散在砂浆中，乳胶液凝固后在砂浆中形成连续的有机膜，这种有机膜可以阻止水的迁移，从而减少砂浆的失水。实际上，粘结剂也是一种保水剂，与通常所说的保水剂的区别在于通常的保水剂是通过吸附作用或分子间作用力来牵制水分子的运动，粘结剂是通过所形成的有机膜来阻止水的运动，而有机膜是在乳胶液凝固后才形成的。因此，在浆体阶段或砂浆硬化的初期，保水剂的保水作用占主要地位，而砂浆硬化后，粘结剂的保水作用逐步表现出来，甚至比保水剂的保水作用更强。这种保水作用以目前测定砂浆保水率方法是测不出的。根据上述分析，可以得出如下一些结论：1)商品砂浆在使用过程中是否开裂取决于砂浆与基层变形的不一致性与砂浆的抵抗能4结论力两个方面。砂浆的对外应力的抵抗能力表现为砂浆的极限变形能力，而不是抗拉强度。砂浆与基层变形的不一致性表现在自生体积变形的不一致性、干缩变形的不一致性和温度变形的不一致性，其中干缩变形的不一致性尤为突出。2)砂浆的干缩变形是由失水引起的。防止砂浆的开裂不仅要考虑失水的数量，还应考虑失水的时间和失水速度。3)粘结剂和保水剂可提高砂浆的弹性，减少失水的数量，减慢失水的速度。因此，在商品砂浆中掺用粘结剂和保水剂有利于防止砂浆的开裂。文档 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