纖維素醚、淀粉醚等外加劑在干混砂漿中的作用

 

　　纖維素醚、淀粉醚等外加劑對建筑干混砂漿性能的改善具有關鍵性作用，在干混砂漿中占材料成本40%以上。目前，國內市場外加劑主要由國產外加劑以及一部分國外制造產品供應，干混砂漿產品成本浮動較大，量大面廣的普通砌筑和抹灰砂漿推廣困難。高端市場產品由國外公司控制，干混砂漿生產廠商利潤低，價格承受能力差;外加劑的應用缺乏系統性、針對性研究，。

　　基于以上原因，本文對常用外加劑的一些基本性能進行分析與比較，并在此基礎上對應用外加劑的干混砂漿產品性能進行研究。

　　一、保水劑

　　保水劑是改善干混砂漿保水性能的關鍵外加劑，也是決定干混砂漿材料成本的關鍵外加劑之一。

　　1.纖維素醚

　　纖維素醚是堿纖維素與醚化劑在一定條件下反應生成一系列產物的總稱。堿纖維素被不同的醚化劑取代而得到不同的纖維素醚。按取代基的電離性能，纖維素醚可分為離子型(如羧甲基纖維素)和非離子型(如甲基纖維素)兩大類。按取代基的種類，纖維素醚可分為單醚(如甲基纖維素)和混合醚(如羥丙基甲基纖維素)。按可溶解性不同，可分為水溶性(如羥乙基纖維素)和有機溶劑溶解性(如乙基纖維素)等。干混砂漿主要用水溶性纖維素，水溶性纖維素又分為速溶型和經過表面處理的延遲溶解型。

　　纖維素醚在砂漿中的作用機理如下：

　　(1)砂漿內的纖維素醚在水中溶解后，由于表面活性作用保證了膠凝材料在體系中有效地均勻分布，而纖維素醚作為一種保護膠體，“包裹”住固體顆粒，并在其外表面形成一層潤滑膜，使砂漿體系更穩定，也提高了砂漿在攪拌過程的流動性和施工的滑爽性。

　　(2)纖維素醚溶液由于自身分子結構特點，使砂漿中的水分不易失去，并在較長的一段時間內逐步釋放，賦予砂漿良好的保水性和工作性。

　　甲基纖維素

　　將精制棉經堿處理后，以氯化甲烷作為醚化劑，經過一系列反應而制成纖維素醚。一般取代度為1.6~2.0，取代度不同溶解性也有不同。屬于非離子型纖維素醚。

　　(1)甲基纖維素可溶于冷水，熱水溶解會遇到困難，其水溶液在pH=3~12范圍內非常穩定。與淀粉、胍爾膠等以及許多表面活性劑相容性較好。當溫度達到凝膠化溫度時，會出現凝膠現象。

　　(2)甲基纖維素的保水性取決于其添加量、黏度、顆粒細度及溶解速度。一般添加量大，細度小，黏度大，則保水率高。其中添加量對保水率影響最大，黏度的高低與保水率的高低不成正比關系。溶解速度主要取決于纖維素顆粒表面改性程度和顆粒細度。在以上幾種纖維素醚中，甲基纖維素和羥丙基甲基纖維素保水率較高。

　　(3)溫度的變化會嚴重影響甲基纖維素的保水率。一般溫度越高，保水性越差。如果砂漿溫度超過40℃，甲基纖維素的保水性會明顯變差，嚴重影響砂漿的施工性。

　　(4)甲基纖維素對砂漿的施工性和黏結性有明顯影響。這里的“黏結性”是指工人涂抹工具與墻體基材之間感到的黏結力，即砂漿的剪切阻力。黏著性大，砂漿的剪切阻力大，工人在使用過程中所需要的力量也大，砂漿的施工性就差。在纖維素醚產品中甲基纖維素黏結力處于中等水平。

　　羥丙基甲基纖維素

　　羥丙基甲基纖維素是近年來產量、用量都在迅速增加的纖維素品種。是由精制棉經堿化處理后，用環氧丙烷和氯甲烷作為醚化劑，通過一系列反應而制成的非離子型纖維素混合醚。取代度一般為1.2~2.0.其性質受甲氧基含量和羥丙基含量的比例不同而有差別。

　　(1)羥丙基甲基纖維素易溶于冷水，熱水溶解會遇到困難。但它在熱水中的凝膠化溫度要明顯高于甲基纖維素。在冷水中的溶解情況，較甲基纖維素也有大的改善。

　　(2)羥丙基甲基纖維素的黏度與其分子量的大小有關，分子量大則黏度高。溫度同樣會影響其黏度，溫度升高，黏度下降。但其黏度高溫度的影響比甲基纖維素低。其溶液在室溫下儲存是穩定的。

　　(3)羥丙基甲基纖維素的保水性取決于其添加量、黏度等，其相同添量下的保水率高于甲基纖維素。

　　(4)羥丙基甲基纖維素對酸、堿具有穩定性，其水溶液在pH=2~12范圍內非常穩定?？列遭c和石灰水，對其性能也沒有太大影響，但堿能加快其溶解速度，并對黏度稍有提高。羥丙基甲基纖維素對一般鹽類具有穩定性，但鹽溶液濃度高時，羥丙基甲基纖維素溶液黏度有增高的傾向。

　　(5)羥丙基甲基纖維素可與水溶性高分子化合物混用而成為均勻、黏度更高的溶液。如聚乙烯醇、淀粉醚、植物膠等。

　　(6)羥丙基甲基纖維素比甲基纖維素具有更好的抗酶性，其溶液酶降解的可能性低于甲基纖維素。

　　(7)羥丙基甲基纖維素對砂漿施工的黏結性要高于甲基纖維素。

　　羥丙基纖維素

　　由精制棉經堿處理后，在丙酮的存在下，用環氧乙烷作醚化劑進行反應而制成。其取代度一般為1.5~2.0.具有較強的親水性，易于吸潮。

　　(1)羥乙基纖維素可溶于冷水中，熱水溶解較為困難。其溶液在高溫下穩定，不具有凝膠性。在砂漿中高溫下可使用時間較長，但保水性較甲基纖維素低。

　　(2)羥乙基纖維素對一般酸堿都具有穩定性，堿能加快其溶解，并對黏度略有提高，其在水中分散性比甲基纖維素和羥丙基甲基纖維素略差。

　　(3)羥乙基纖維素對砂漿抗垂掛有好的性能，但對水泥的緩凝時間較長。

　　(4)國內一些企業生產的羥乙基纖維素，因含水量大，灰分高而導致其性能明顯低于甲基纖維素。

　　羧甲基纖維素

　　由天然纖維(棉、等)經過堿處理后，用一氯醋酸鈉作為醚化劑，經過一系列反應處理而制成離子型纖維素醚。其取代度一般為0.4~1.4，其性能受取代度影響較大。

　　(1)羧甲基纖維素吸濕性較大，一般條件儲存會含有較大水分。

　　(2)羧甲基纖維素水溶液不會產生凝膠，隨溫度升高而黏度下降，溫度超過50℃時，黏度不可逆。

　　(3)其穩定性受pH影響較大。一般可用于石膏基砂漿中，不能用于水泥基砂漿中。在高堿性時，會失去黏度。

　　(4)其保水性遠遠低于甲基纖維素。對石膏基砂漿有緩凝作用，并降低其強度。但羧甲基纖維素價格明顯低于甲基纖維素。

　　2.羥丙基淀粉醚

　　用于砂漿中的淀粉醚是由一些多糖類的天然聚合物經改性而成。如用馬鈴薯、玉米、木薯、瓜耳豆等。

　　變性淀粉

　　由馬鈴薯、玉米、木薯等改性而成的淀粉醚，保水性明顯低于纖維素醚。因改性程度不同表現出對酸堿穩定性不同。有些產品適用于石膏基砂漿中，又有些產品能用于水泥基砂漿中。砂漿中應用淀粉醚主要是作為增稠劑，提高砂漿的抗流掛性，降低濕砂漿的黏結性，延長開放時間等。

　　淀粉醚經常與纖維素一起使用，使這兩種產品性能與優勢互補。由于淀粉醚產品比纖維素醚便宜許多，在砂漿中應用淀粉醚，會帶來砂漿配方成本的明顯降低。

　　瓜耳膠醚

　　瓜耳膠醚是由天然瓜耳豆經改性而成的一種性能較為特殊的淀粉醚。主要由瓜耳膠與丙烯酸基官能團發生醚化反應，生成含有2-羥丙基官能團結構，是一種多聚半乳甘露糖結構。

　　(1)與纖維素醚相比，瓜耳膠醚更容易溶于水。pH瓜耳膠醚的性能基本上沒有影響。

　　(2)在低黏度、少摻量的條件下，瓜耳膠可以等量取代纖維素醚，而具有相近的保水性。但稠度、抗垂掛性、觸變性等明顯改善。

　　(3)在高黏度、大摻量條件下，瓜耳膠不能代替纖維素醚，二者混合使用會產生更優異的性能。

　　(4)瓜耳膠應用于石膏基砂漿中可明顯降低施工時的黏結性，使施工更滑爽。對石膏砂漿的凝結時間和強度，無不利影響。

　　(5)瓜耳膠應用于水泥基砌筑和抹灰砂漿中可等量替代纖維素醚，并賦予砂漿更好的抗垂掛性、觸變性和施工的滑爽性。

　　(6)瓜耳膠還可用于瓷磚黏結劑、地面自流平劑、耐水膩子、墻體保溫用聚合物砂漿等產品中。

　　(7)由于瓜耳膠價格明顯低于纖維素醚，砂漿中使用瓜耳膠會帶來產品配方成本的明顯降低。

　　改性礦物保水稠化劑

　　用天然礦物經過改性和復配制成的保水稠化劑，在國內已得到了應用。用于配制保水稠化劑的主要礦物有海泡石、膨潤土、蒙脫石、高嶺土等，這些礦物通過偶聯劑等改性處理而具有一定的保水增稠性能。這類保水增稠劑應用于砂漿具有以下幾個特點。

　　(1)可明顯改善普通砂漿性能，解決了水泥砂漿操作性差，混合砂漿強度低，耐水性差的問題。

　　(2)可配制出用于一般工業與民用建筑不同強度等級的砂漿產品。

　　(3)材料成本明顯低于纖維素醚和淀粉醚。

　　(4)保水性低于有機保水劑，所配制砂漿的干燥收縮值較大，黏結性降低。

　　二、纖維材料

　　1.木纖維

　　木纖維是以植物為主要原料，采用一系列技術加工而成，其性能不同于纖維素醚。主要性能有：

　　(1)不溶于水和溶劑，也不溶于弱酸和弱堿溶液

　　(2)應用于砂漿中，在靜止狀態下會搭接成三維立體結構，增加砂漿觸變性和抗垂性，改善施工性。

　　(3)由于木纖維所具有的三維立體結構，在所拌砂漿中具有“鎖水”性能，砂漿中水分不會輕易被吸收或移走。但其不具有纖維素醚的高保水性。

　　(4)木纖維所具有的良好毛細管效應，在砂漿中具有“導水”功能，使砂漿表面和內部水分含量趨于一致，從而減少因不均勻收縮而產生的裂縫。

　　(5)木纖維能減小砂漿硬化體的變形應力，減輕砂漿收縮開裂的發生。

　　(6)木纖維在砂漿中長期性能變化規律，尚不清楚。

　　2.聚丙烯纖維

　　聚丙烯纖維是以聚丙烯為原料加適入適量改性劑制成。纖維直徑一般為40微米左右，抗拉強度300mpa~400mpa，彈性模量≥3500mpa，極限延伸率15%~18%，其性能特點如下：

　　(1)聚丙烯纖維在砂漿中呈均勻三維亂向分布，形成網絡加強體系。若每噸砂漿中摻入1kg重的聚丙烯纖維，則可得到3000萬根以上的單絲纖維。

　　(2)砂漿中加入聚丙烯纖維，可以有效減少砂漿在塑性狀態的收縮裂縫。不論這些裂縫是可見的還是不可見的。并能明顯減少新拌砂漿的表面泌水與集料沉降。

　　(3)對于砂漿硬化體，聚丙烯纖維可以顯著降低變形裂縫的數量。即當砂漿硬化體因變形產生應力時能夠抵抗和傳遞應力，當砂漿硬化體產生裂縫時，能夠鈍化裂縫尖端的應力集中，約束裂縫擴展。

　　(4)聚丙烯纖維在砂漿生產中的高效分散，會成為一個難題?；旌显O備、纖維品種與摻量，砂漿配比以及其工藝參數都將成為影響分散性的重要因素。

　　三、 可再分散型聚合物膠粉

　　可再分散型膠粉由特制聚合物乳液經過噴霧干燥加工而成。在加工過程中，保護膠體、抗結硬劑等成為不可缺少的助劑。經過干燥后的膠粉是一些聚集在一起的80mm~100mm的球形顆粒。這些顆?？扇苡谒?，并形成比原來乳液顆粒略大的穩定分散液，這種分散液失水干燥后會成膜，這種膜和一般乳液成膜一樣不可逆，遇水不會再分散成為分散液。

　　可再分散型膠粉可分為：苯乙烯一丁二烯共聚物、叔碳酸乙烯共聚物、乙烯一醋酸乙酸共聚物等，并以此為基礎接枝有機硅、月桂酸乙烯等改善性能。不同的改性措施使可再分散膠粉具有耐水、耐堿、耐候以及柔性等不同的性能。含有月桂酸乙烯和有機硅，可使膠粉具有良好的疏水性。高度支鏈化的叔碳酸乙烯酯，具有較低的Tg值，很好的柔性。

　　這幾種膠粉應用于砂漿中，均對水泥的凝結時間有延緩作用，但比直接應用同類乳液的延緩作用小。相比而言，苯乙烯一丁二烯的延緩作用最大，乙烯—醋酸乙烯的延緩作用最小。若摻量太小對砂漿性能的改善作用不明顯。

　　四、塑性減水劑

　　塑性減水劑是水泥混凝土中用量最大的外加劑。幾乎所有的減水劑都是由表面活性物質組成，減水劑的性能由其所采用的表面活性物質的分子結構與水泥顆粒之間產生的界面作用決定。由于水泥顆粒在水化過程中帶有不同極性而相互吸引，包裹了許多拌和水而產生絮凝結構。使用中為了達到滿意的施工性能往往需要加入更多的水，使硬化體強度等性能降低。減水劑加入水泥漿后，其疏水基團定向吸附在水泥顆粒表面帶有同號電性，增大了水泥顆粒表面的ζ電位，使顆粒之間因同性靜電而 相斥，破壞了水泥顆粒的絮凝結構，使水泥顆粒得到了有效分散，釋放出絮凝結構中的游離水，達到減水的目的。

　　1.木質素減水劑

　　木質素減水劑通常由亞硫酸法生產紙漿的副產品制得。一般包括木鈣、木鈉與木鎂三種，常用木鈣和木鈉即木質素磺酸鈣和木質素磺酸鈉，通常呈粉末狀。

　　木質素減水劑一般減水率為10%~15%，摻量為0.2%~0.3%.對水泥有緩凝作用，若摻量過大會引起水泥不凝固，對水泥砂漿有引氣作用。

　　木質素減水劑摻量小，價格低，適用于減水率要求低的砂漿。與高效減水劑配合使用會取得更好的效果。

　　2.萘系減水劑

　　萘系減水劑是采用工業萘、甲醛和濃硫酸和液堿為主要原料在一定反應條件下制備而成，主要成分為萘磺酸甲醛縮合物。通常以液態或粉狀形式作為最終產品，是目前應用量最大的減水劑之一。粉狀產品摻量一般為水泥重量0.5%~1.0%，減水率可達20%左右。

　　砂漿中摻入該堿水劑可明顯提高強度，對凝結時間略有延長，并能改善水泥及其他外加劑在砂漿中分散性，明顯提高砂漿的施工性、抗滲性、抗凍性、抗化學侵蝕性、減少收縮率。在水泥砂漿中，因減水率高、價格適中而廣泛應用。但該減水劑用于石膏基砂漿中，減水效果不明顯。

　　3.超塑化劑

　　超塑化劑即高效減水劑，減水率一般可達到30%以上。粉狀超塑化劑一般用于特種干混砂漿，如地面自流平劑、灌漿料以及耐火澆注料等產品。

　　五、引氣劑

　　引氣劑是一種通過物理方法使新拌砼或砂漿中形成穩定氣泡的表面活性劑。主要有松香及其熱聚物類、非離子型表面活性劑類、烷基苯磺酸鹽類、木質素磺酸鹽類、羧酸及其鹽類等幾種。

　　引氣劑常被用來配制抹灰砂漿與砌筑砂漿。由于引氣劑的加入，會帶來砂漿性能一些變化。

　　(1)由于氣泡引入增加新拌砂漿的合易性和施工性，減少泌水。

　　(2)單純用引氣劑會降低砂漿中的強度和彈性模具。若引氣劑與減水劑共同使用，且適當配比，強度值可不降低。

　　(3)能顯著提高砂漿硬化體的抗凍性并改善砂漿的抗滲性，提高砂漿硬化體的抗侵蝕性。

　　(4)引氣劑帶來砂漿含氣量的增加會增加砂漿的收縮，通過減水劑的加入可使收縮值得適當降低。

　　由于引氣劑加入量非常少，一般僅占膠凝材料總量萬分之幾，必須保證在砂漿生產時精確計量和均勻摻入;攪拌方式和攪拌時間等因素會嚴重影響引氣量。因此，在目前國內的生產與施工條件下，砂漿中加入引氣劑一定要進行大量的試驗工作。

　　六、早強劑

　　用于提高砼和砂漿的早期強度，常用硫酸鹽類早強劑，主要有硫酸鈉、硫代硫酸鈉、硫酸鋁及硫酸鉀鋁等。

　　一般無水硫酸鈉的應用較多，其摻量較低早強效果好，但摻量太大時會引起后期膨脹開裂，同時會產生返堿，影響外觀和表面裝飾層效果。

　　甲酸鈣也是一種很好的防凍劑，其早強效果好，副作用少，與其他外加劑相容性好，許多性能優于硫酸鹽類早強劑，但價格較高。

　　七、防凍劑

　　如果在負溫下使用砂漿，若不采取防凍措施將會發生凍害，破壞硬化體的強度。防凍劑從防止結凍和提高砂漿早期強度兩個途徑防止凍害的發生。

　　在常用的防凍劑中，在亞硝酸鈣和亞硝酸鈉的防凍效果最好。亞硝酸鈣由于不含鉀、鈉離子用于混凝土可減少堿骨料的發生，但用于砂漿時工作性略差，亞硝酸鈉則具有較好的工作性。防凍劑與早強劑和減水劑復合使用，可得到滿意的使用效果。應用防凍劑的干混砂漿在超低負溫下使用時，應適當提高拌和物溫度，比如用溫水拌和。

　　防凍劑用量過大會降低砂漿后期強度，砂漿硬化體表面會出現返堿等問題，影響外觀和表面裝飾層效果。

　　結 語

　　隨著我國建筑干混砂漿行業的快速發展，外加劑對干混砂漿成本的制約作用會逐漸降低。纖維素醚供應的國產化、使纖維素醚價格連續走低。淀粉醚、稠化粉等低價格保水增稠材料的成功應用，顯著降低了普通干混砂漿的材料成本?？稍俜稚⒛z粉國產化進程的加快，可能打破由國外供應商控制我國膠粉市場的局面。這些都預示著外加劑對干混砂漿材料成本的制約瓶頸會很快突破。國產外加劑也在隨著建筑行業的發展而日益顯示出其不可或缺的地位，質量穩定，成本降低，是外加劑未來很長一段時間內的主要課題。不同種類的外加劑對不同干混砂漿產品的針對性不強，一些外加劑(如纖維素醚)沒有針對在干混砂漿中的應用特點提出自身性能指標，而是輕工、化工行業的標準。對外加劑在干混砂漿硬化體的作用機理研究較少。這無疑會影響外加劑在干混砂漿中的合理、高效使用。因此，應根據我國建筑結構特點、墻體材料特點、氣候特點、施工水平等系統研究外加劑在干混砂漿產品中的應用技術。國產外加劑也在隨著建筑行業的發展而日益顯示出其不可或缺的地位，質量穩定，成本降低，是外加劑未來很長一段時間內的主要課題。