・464・ 材料导报 2011年5月第25卷专辑17 胶凝材料影响水泥基饰面砂浆泛碱的研究进展 王培铭,张灵,朱绘美,张国防 (同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室,上海200092) 摘要 介绍了胶凝材料影响水泥基饰面砂浆泛碱性能的研究进展。研究主要针对水泥基饰面砂浆的泛碱成 因,从无机胶凝材料入手,探讨其对砂浆泛碱的影响和抑制泛碱的措施。涉及的无机胶凝材料主要集中在硅酸盐水 泥、铝酸盐水泥及其分别或共同与石膏组成的二元和三元体系。水泥基饰面砂浆的抗泛碱主要通过两条途径,一是 控制水化时Ca(0H)z的产生,二是提高砂浆的密实度。 关键词 水泥基饰面砂浆泛碱胶凝材料 Research Development of the Influence of Cementitious Materials on the Efflorescence of Cement-based Decorative Plasters WANG Peiming,ZHANG Ling,ZHU Huimei,ZHANG Guofang (Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials,Ministry of Education,TonNi University,Shanghai 200092) Abstract The research development of the influences of cementitious materials on the efflorescence of cement- based decorative plasters were introduced.According to the formation mechanism of efflorescence,the influence de~ grees and the curbing measured of efflorescence had been discussed.The inorganic gel materials involved mainly con— centrated on Portland cement,aluminate cement and binary or ternary systems composed by the two kinds of cement jointly or respectively with gypsum.There are two ways to reduce efflorescence:one is tO control the generation of Ca(OH)z in hydration;the other is to improve the surface density of the mortar. Key words cement-based decorative plasters,efflorescence,cementitious materials 0 引言 水泥基饰面砂浆由硅酸盐水泥、铝酸盐水泥或其它无机 钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙等晶体。 由于水化产物Ca(OH)。的存在,饰面砂浆不可避免存 在泛碱现象。实际上,使用硅酸盐水泥的砂浆有两种类型的 泛碱可能发生:第一种泛碱是由于水溶性钠、钾、硫酸钙等随 水分蒸发迁移至材料表面,并在干燥过程中结晶沉淀,形成 胶凝材料、级配骨料、矿物掺合料、化学外加剂及颜料组成, 具有良好的憎水性、透气性[1]及耐沾污性,装饰效果独特,经 济实用,是十分优越的外墙装饰材料,且应以集中生产的方 钾石膏和无水芒硝等;第二种泛碱才是由Ca(OH) 引起的, Ca(OH)。在砂浆干燥过程中随水渗出表面,并与空气中的二 式推广应用[2]。然而,用水泥基饰面砂浆涂覆的墙面常出现 泛碱,使装饰效果受到一定的影响。 砂浆泛碱主要是由于水泥水化产生的Ca(OH):随孔隙 水迁移到表面,与空气中c0z反应,在砂浆表面生成CaCO。 沉淀而引起的[3,43。 氧化碳反应生成不溶的碳酸钙,从而形成一层发白体 ]。在 使用硅酸盐水泥的饰面砂浆中,往往通过添加憎水剂 ]、泛 碱抑制剂_7]等措施来抑制泛碱。 1.2铝酸盐水泥体系 铝酸盐水泥[8-10]在干混砂浆行业中的用途越来越多,通 过与其它胶凝材料(硅酸盐水泥、硫酸钙等)混合可生产多种 针对水泥基饰面砂浆泛碱成因,国内许多研究从无机胶 凝材料入手,探讨其对泛碱的影响程度和抑制泛碱的措施。 涉及的无机胶凝材料主要集中在硅酸盐水泥、铝酸盐水泥及 其分别或共同与石膏组成的二元和三元体系。 专用砂浆。试验表明,这类砂浆的性能明显与铝酸盐水泥的 用量有关 。 1胶凝材料体系 1.1硅酸盐水泥体系 硅酸盐水泥是水泥基饰面砂浆中最常见的胶凝材料,其 主要水化产物为水化硅酸钙和水化铁酸钙等凝胶及氢氧化 铝酸盐水泥含有钙和铝的氧化物,其组成成分与硅酸盐 水泥完全不同,目前在饰面砂浆中用得比较多的是白色铝酸 钙水泥[5]。铝酸盐水泥与白色硅酸盐水泥相比表现出优异 的特性,如不含杂质和可溶性碱、水化时不产生Ca(0H) (如 式(1)、(2)所示)等,从而显著降低泛碱产生的风险。 *“十一五”国家科技支撑计划(2006BM051303)(0500233009);“十一五”国家科技支撑计划(2006BM01A02)(0500238O48) 王培铭:男,1952年生,教授,博士生导师,博士 E-mail:tjwpm@126.com 胶凝材料影响水泥基饰面砂浆泛碱的研究进展/王培铭等 6(CaO・Al203)+6(CaSO4・1/2H2O)+73HzO=2(3CaO・Al203・3CASO4・32H20)+8Al(0H)3 6(CaO・2A1203)+6(CaSO4・1/2H20)+91H2O--2(3CAO・A12O3・3CASO4・32H2O)+20Al(OH)3 ・465・ (1) (2) 另外,铝酸盐水泥在水化时,其液相中CaO浓度低, Al o3浓度高,铝酸盐矿物能比较充分地通过溶解、扩散和析 水与CaO反应形成氢氧化钙饱和溶液的几率,进而抑制泛 碱[】 。 晶过程来完成水化。再者,钙矾石析晶时的过饱和度较小, 水化生成的钙矾石柱状结晶就能分散于整个充水空间,钙矾 石分布较均匀,而水化生成的另一产物——铝胶又具有填充 因此,仅采用铝酸盐水泥作为胶凝材料的砂浆或者以铝 酸盐水泥为主的二元胶凝材料系统,理论上可以避免泛碱发 生,但实际应用中不一定能完全避免发白现象。要达到此目 密实作用,因此采用铝酸盐水泥作胶凝材料的饰面砂浆孔隙 的,必须很好地设计配比,控制好砂浆的水化过程。 率低、孔径小,显著减少盐溶液迁移的途径。基于这两点,泛 碱的条件就能得到抑制,即使经过长时间的日晒雨淋,饰面 砂浆也不易出现泛碱[1 。 1.3铝酸盐水泥/硅酸盐水泥体系 铝酸盐水泥与硅酸盐水泥混合后,在水化过程中会生成 水化钙黄长石,避免了铝酸盐水泥单独水化时水化铝酸钙的 如此看来,使用铝酸盐水泥就可以完全解决泛碱问题, 但根据试验结果,一些全部使用铝酸盐水泥的砂浆依然有泛 白现象[1 。 这里泛白的原因应该不是通常的泛碱,而是砂浆表面水 泥水化程度太低。在配制这些砂浆时,用水量都较小(约 8.5 ),砂浆表面在有效凝结前就干燥了,导致有些水泥只 能部分水化甚至不能水化,因此砂浆表层较脆弱。在水淋的 相转变引起的危害。两大系列水泥的混合一定程度上可以 在改善硅酸盐水泥早期力学性能的基础上,弥补铝酸盐水泥 后期强度低的缺陷口 。 以硅酸盐水泥为主的二元胶凝材料系统中,因为Ca一 (OH)z的生成不可避免,所以不能完全避免泛碱或发白现象 的发生L1幻;以硅酸盐水泥为主时,钙钒石形成的数量较少。 另外,这类体系铝酸盐量不足以与所有硅酸盐水泥和石膏反 作用下,表层未水化的水泥或没有很好结合的水化物就会裸 露出来,出现泛白的现象。 应生成钙钒石,一般都会有剩余的硅酸盐水泥水化生成Ca- (0H)z,因此抗泛碱发白效果不够理想。 此外,尽管铝酸盐水泥本身水化不产生Ca(OH) ,但在 生产过程中难免有少量游离CaO产生,而这些游离CaO仍 1.4铝酸盐水泥/石膏体系 铝酸盐水泥/石膏体系水化生成的主要产物是钙矾石, 然能够通过少量的孔隙迁移到砂浆表面造成泛碱。铝酸盐 水泥中经常加入憎水型乳胶粉和纳米级憎水剂。这样的憎 水剂沿毛细孔壁成膜后,大大减小水与材料表面的接触面 积,使饰面层上的水珠不易通过毛细孔渗入孔隙内部,减少 且具有自动均衡的结构,能快速干燥,强度增长速度快,其收 缩可以被抵消,这类干混砂浆可以作为精密几何尺寸的装饰 板块的粘结砂浆口 。铝酸盐水泥一石膏胶凝材料形成的水化 严物如表l 不。 表1混合胶凝材料形成的水化产物[8 Table 1 The hydration products of mix cementitious materials[sl Aluminate cement—Portland cement Aluminate cement-plaster CA+C+H2 0一CAH1。 C2A+3Ca804+32H2o—CA3・3Ca804・32H2O 3CA+3CS+35H20+C3A・3CS・32H2O・2AH3 3CA+9CS+6CH+9OH20—3 A・3CS・32H2O CA+1OH20+C4AH 。 C3S+H20一CSH 专利[-14]介绍了一种铝酸盐水泥/石膏体系的饰面砂 发。以铝酸盐水泥为主时,钙钒石形成更多,而且此时硅酸 浆,其主要组成为20 ~3O 铝酸盐水泥、8 ~12 模型石 膏、50 ~6O 砂、3 ~6 添加剂。这种外墙饰面砂浆通 过对水泥的选择,在抑制水溶性盐产生的同时也减少了盐溶 液迁移的途径,从而实现对泛碱的控制。 盐水泥的硅酸钙相也不会生成Ca(0H) 。此外,殷庆立 等[1 ]发现以铝酸盐为主的砂浆的吸水量比以硅酸盐为主的 砂浆低得多,低吸水量从另一个角度反映出这种饰面砂浆的 微观结构也较密实。 殷庆立等[1。]总结了几种胶凝材料体系的主要水化产物 的明显区别,如表2所示。 1.5铝酸盐水泥/硅酸盐水泥/石膏体系 铝酸盐水泥一硅酸盐水泥一石膏3组分混合物能较快形成 钙矾石而获得早期强度,可以用于需要快凝的场合(如紧急 抢修、堵漏等),如为了封住泄漏,有时就使用铝酸盐水泥与 硅酸盐水泥混合物的砂浆 引。 胡冲等[1 ]以铝酸盐水泥为主、硅酸盐水泥和石膏为辅的 三元胶凝材料系统与其它二元胶凝材料系统的抗泛碱发白 从这些体系的水化产物中能明显看出Ca(OH) 是硅酸 盐水泥基胶凝材料不可避免的水化产物,这必然导致砂浆的 效果作对比,发现三元胶凝材料系统的抗泛碱效果最好。在 凝结时间控制适当的情况下,由其配制的装饰砂浆,无论是 用于垂直墙面还是水平台面,均能避免泛碱发白。这是由于 三元系统水化时钙钒石迅速形成,有助于避免水分过分挥 泛碱。而通过不同胶凝材料的使用,能达到水化不产生Ca- (0H)。的目的,从而有效抑制泛碱的产生。利用铝酸盐水 泥/硅酸盐水泥/石膏三元胶凝体系来抑制泛碱,可以达到较 好的效果。其中,三元胶凝体系中硅酸盐水泥的量要控制 好,以避免水化产物Ca(OH)。的产生。 蔡鲁宏等口’ 采用铝酸盐水泥一硅酸盐水泥一硬石膏的复 合体系制备的砂浆抗初次泛碱和二次泛碱性能都非常好,砂 ・466・ 材料导报 2011年5月第25卷专辑17 参考文献 浆表面无可见泛碱。该混合体系与硅酸盐水泥体系的区别 在于改变了水化产物成分,能通过三者组分调节控制Ca- (0H) 的生成(在三者比例控制得当时,水化产物主要为 AFt和A_H)。但是如果体系中三者比例控制不当,在泛碱 性能变差的同时还会出现假凝、瞬凝、强度低等现象。 表2几种胶凝材料体系形成的水化产物[1 Table 2 The hydration products of different cementitious 2003,33(4):53 1张杰.可再分散胶粉改性的憎水性装饰砂浆EJ].涂料工业, 2王培铭.外墙商品抹灰砂浆[J].上海建材,1999(2):37 3张量译.外墙彩色砂浆的泛碱问题[J-1.建设科技,2oo7(10): 59 4 Betonwerk,FertigteibTechnik.Efflorescence-Mechanism of materials systemsh67 Cementitious materials The hydration systems products Aluminate cement/Portland cement C—S-H,GA_H, (Aluminate Cement content<40 ) Ca(OH)2 Aluminate cement/Portland cement/ C-S-H,AFt, Plaster(Aluminate Cement content<40 ) Ca(OH)2 A1umi“ 。 men /P0rt1a“d。。m m/, AFt,AH Plaster(Aluminate Cement content>60 ) Pure aluminate cement C-A_H,AH Write portland cement C_S-H,Ca(OH)2 1.6硫铝酸盐水泥体系 硫铝酸盐水泥可用来配制具有特种性能和专门用途的 干混砂浆口 ,在饰面砂浆泛碱方面的研究比较少。硫铝酸盐 水泥制备的饰面砂浆在不加入特殊外加剂时无论初次泛碱 还是二次泛碱都存在轻微“泛白”现象[1 。采用硫铝酸盐水 泥制备饰面砂浆的初衷是为了从水化产物上减少可溶性盐 的存在,在硫铝酸盐水泥熟料的水化产物中虽然不存在Ca- (OH) 类可溶性盐,但国内硫铝酸盐水泥中除硫铝酸盐水泥 熟料和石膏外,还有一部分石灰石等其它物质,因此也会析 出可溶盐。 1.7低水泥基体系 徐龙贵等l1 提出了一种基于丙烯酸乳胶粉技术和低普 硅水泥掺量的饰面砂浆,实验表明,丙烯酸类乳胶粉大于6 和水泥掺量为5 ~10 的饰面砂浆具有极低的泛碱可能 性。 2结语 从胶凝材料的角度来说,提高水泥基饰面砂浆的抗泛碱 性主要有两条途径:一是控制水化时Ca(OH) 的产生,二是 提高砂浆的密实度。这两条途径可通过选用适当的胶凝材 料来实现,当然还要通过其它环节来加以保障,如选用适当 的骨料和纳米材料、控制杂质(防止生产过程中带人游离 CaO)和养护条件(使饰面砂浆水化充分),从而才能从根本上 消除泛碱。 occurrence and possibilities of 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