VINNAPAS 可再分散乳胶粉在水泥基自流平砂浆中的应用

一、概述
    建筑物的混凝土地面必须先用地坪砂浆进行找平，以消除不平整现象或缺陷，然后才能在上面继续进行木地板、地毯及瓷砖等常规地面装饰材料的铺设。这对具有表面光亮的薄层弹性地面尤为重要，例如乙烯基地板或油毡必须铺在绝对平整的表面上，因为任何不平整处都会非常明显。大规格的瓷砖、镶木地板和层压地板也要求底层地面表面有足够的平整度。
    传统的“无流动度”水泥基地面砂浆非常粘稠，需要经验丰富的重劳动力对其进行摊铺、多次抹平和打磨（如图1所示），这种传统方法不仅人力消耗大、施工时间长，而且质量还很难得到保证。对大面积的地面，如地下停车场、大型商场及车间等，用这种“无流动度”水泥基砂浆人工找平基本不可能保证整体如一的平整性、良好的耐磨性及抗开裂性。随着国外干混砂浆技术在中国的不断推广与应用，水泥基自流平砂浆产品的优越性已逐渐得到了国内相关生产企业、研究单位及业主的认同。自流平地面砂浆的优越性不仅体现在其现场施工的快捷（如图2）方面，还体现在最终产品的安全、稳定及可靠方面。
    尽管水泥基自流平砂浆有诸多显而易见的优点，但要达到良好的工作性能及稳定均匀的硬化后期性能，还需要对这种产品的技术性能要求、配方组成、施工技术及质量控制等进行更深入全面的了解与研究。不仅要在开发这类产品前需要进行充分全面的理论知识准备，而且在产品开发过程中还需要进行大量的实验探索与优化才能最终开发出满足要求的产品。
二、水泥基自流平地面砂浆的性能要求
    新拌的自流平砂浆不仅应该具有良好的流动性能，而且还应该具有良好的自愈合性能，自愈合性能反映的是两批浇筑的砂浆汇流到一起相互融合能力，它也可以反映出新拌砂浆经特殊带钉滚筒排气后砂浆表面再恢复到平整状态的能力。要实现这种自愈合性能除了采取特殊的超塑化剂（如干酪素）外，采用瓦克聚合物部分专门设计的L型及F型可再分散乳胶粉也可以达到这种效果。此外，无明显的离析泌水、较长的可操作时间、快干、便于机械化施工等也均是新拌自流平砂浆必须具备的性能。
    硬化后自流平砂浆的诸多性能中，无收缩开裂是其最重要的性能指标。因为一旦硬化后的自流平地面发生开裂，首先从感观上就不会被用户所接受；其次，要求自流平砂浆要与基底混凝土材料有较好的粘结性能，防止因各种原因引起的自流平层砂浆与混凝土基材间的剥离；由于自流平砂浆作为建筑物中的地面材料，它需要承受一定的压力并抵抗一定的冲击力，所以除了粘结强度外，对自流平砂浆还需要具有一定的抗压、抗折强度及一定的抗冲击韧性；如果自流平砂浆直接作为面层，那么还要求这种自流平砂浆硬化体有足够的耐磨性能及表面硬度。在环保要求较高的发达国家，还要求自流平砂浆要有低的可挥发物含量，如德国地坪产品排放物控制协会（GEV）要求硬化自流平砂浆应满足EMICODE EC1标准；美国[1]曾有多座大型办公场所的自流平地面砂浆，仅仅是因为检查发现其使用了不合适的超塑化剂而使其有机物排放量稍过排放要求，最终将完整地坪全部拆掉，而重新浇筑低排放的自流平砂浆。
    关于水泥基自流平砂浆的性能指标要求及相关测试方法，欧洲标准EN-13813及我国建材行业标准JC/T 985-2005均有一些较具体的描述。此处就不再具体一一列举。
三、水泥基自流平地面砂浆的配方组成特点
    3.1 硅酸盐水泥-高铝水泥-硫酸盐添加剂三元快凝快干体系
    普通硅酸盐水泥的水化总是伴随着一定的物理收缩与化学收缩，对于薄层大面积的自流平砂浆，如果采用普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，则不仅出现收缩开裂的机率会很高，而且由于底层混凝土对自流平砂浆收缩的限制作用产生砂浆“翘曲”的概率也很高。这种“翘曲”会引起自流平砂浆从混凝土基材上“剥离”，并可能在墙边产生较大的应力集中，并导致自流平地面的断裂及墙角底部墙体装饰材料的破坏[2]。
    根据瓦克聚合物部门的专家及其它国内外研究者多年的研究成果[3-6]，硅酸盐水泥-高铝水泥-硫酸盐添加剂三元快凝快干体系是解决水泥基自流平砂浆物理收缩与化学收缩问题的最佳方案。首先，三元体系可以实现砂浆体系的快速凝结及强度快速发展，从而可以提高砂浆早期抗开裂的能力；其次，引入的硫酸盐可以生成膨胀性水化产物钙矾石（图4）补偿体系的物理收缩与化学收缩；最后，由于生成钙矾石会在早期快速消耗大量的水使体系“快干”，从而可大幅降低砂浆早期的物理失水，即降低砂浆的早期塑性收缩。
    当然，为了获得满足自流平砂浆产品的现场施工性能的要求，还需适当引入促硬剂及缓凝剂对三元体系的凝结时间进行一定范围的调节。
    3.2 VINNAPAS 可再分散乳胶粉——可以满足自流平砂浆各种复杂的性能要求
    3.2.1 提高了自流平砂浆的柔韧性，降低了砂浆的开裂风险
    在聚合物改性干混砂浆产品中评价硬化砂浆柔韧性的指标主要有横向变形与压折比。一般对于瓷砖胶等产品多用横向变形评价砂浆的柔韧性，在JC/T 547-2005标准中规定横向变形是指硬化的条状干混砂浆试件承受三点弯曲，试件中心出现裂纹时产生的最大位移，位移越大则表明试件的柔韧性越好。压折比一般用于评价EIFS砂浆等产品的韧性，一般压折比越低，砂浆柔韧性越好。
    结果表明，随VINNAPAS 5023L胶粉掺量的提高，自流平砂浆的横向变形值明显提高；抗折强度明显提高，抗压强度略有下降，即自流平砂浆的压折比明显降低。即VINNAPAS 胶粉明显提高了自流平砂浆的柔韧性，也就是说掺VINNAPAS 胶粉后，自流平砂浆有更好的可变形性，可以在一定范围内适应混凝土基层的变形及砂浆自身的各种变形，释放一定的内部应力，降低自流平砂浆开裂的风险。
    3.2.2 提高了自流平砂浆的拉伸粘结强度，降低了砂浆“翘曲”及“剥离”的风险
    随VINNAPAS 胶粉掺量的增加，自流平砂浆与混凝土基面间的拉伸粘结强度有明显增加的趋势。如前述，自流平砂浆较大的收缩会导致两种结果，一是在地坪表面产生开裂，二是在受限条件下自流平砂浆发生“翘曲”变形或从混凝土基面上“剥离”，并最终导致自流平砂浆的失效。因而足够掺量的VINNAPAS 胶粉对于提高自流平砂浆与混凝土基面间的粘结力，降低自流平砂浆从混凝土基面上“翘曲”或“剥离”有十分明显的意义 。
    3.2.3 提高了自流平砂浆表面的耐磨性能，延长了自流平砂浆的使用寿命
对于面层自流平砂浆，除了要求要有足够的柔韧性及与基面的粘结力外，还要求自流平砂浆具有良好的耐磨性能，根据EN13892-5方法（实验测试装置如图 8），将自流平砂浆成型在混凝土板上，标养一定龄期后进行重载（200Kg）10000次的往复耐磨实验，然后用激光测距仪对耐磨后的自流平砂浆表面进行三维图像分析，并最终计算出磨损的体积。
    在水泥基自流平砂浆中引入4%的VINNAPAS 可再分散乳胶粉，砂浆的耐磨性能得到了十分明显的提高。这主要是因为可再分散胶粉在硬化砂浆的孔隙中成膜，强化了硬化砂浆的内部微结构，不仅提高了砂浆的韧性，而且还提高了砂浆的内聚力，进而最终提高了自流平砂浆的耐磨性能，并大幅提高面层自流平砂浆的服务寿命。
    3.2.4 L型及F型自流平砂浆专用可再分散乳胶粉，简化了自流平产品开发的流程
    由于水泥基自流平砂浆的性能要求较高，为达到相关的工作性要求及硬化后期性能要求，一般自流平地坪砂浆涉及的原材料较多，有时多达15种，而且配方中各种胶凝材料、填料及化学外加剂还存在一些最佳匹配的关系，部分外加剂在满足一方面性能时却会引起其它性能的劣化，要找到各种化学外加剂间的最佳匹配，往往需要较长的开发时间。
    针对以上这种情况，瓦克聚合物部门的专家们根据多年研究与应用的经验积累，专门为自流平砂浆开发了L型VINNAPAS 可再分散乳胶粉，这种胶粉不仅可以增强体系的机械性能和流动性能，而且当它与干酪素以及各种合成超塑化剂（如聚竣酸酯、三聚氰胺或萘磺酸浓缩物、以及木质素磺酸酯）配合使用时，均能表现出良好的适应性，获得非常平滑、无缺陷的表面。此外，这种专用胶粉还可以适当减小自流平砂浆表面的沉降和砂浆的分层离析；适当提高砂浆的自愈合性，确保砂浆在流动接合处的整体表面效果；适当的减少砂浆表面的气泡，获得平整光滑的表面。由于L胶粉与各类超塑化剂良好的相容性及其独特的流平效果，它可以在一定程度上缩短自流平砂浆的配方开发周期。
    最新一代用于自流平砂浆中的F型VINNAPAS 可再分散乳胶粉，既是粘结剂又是超塑化剂，它集合了自流平砂浆中两种重要组份的功能，减少了自流平砂浆配方中的组份数量，因而可以使自流平砂浆的开发流程与开发周期大大缩短。当然，这种新型胶粉的挥发量也很低，不含甲醛与氨，因而适于配制符合EMICODE EC1的产品。新型F型胶粉之所以可以表现出超塑化剂的效果，主要是因为它将不同性能的官能团及基础聚合物以独特的方式结合在一起。瓦克聚合物部门的大量实验结果表明，新型F型胶粉除了表现出良好的促流性能外，而且也有非常好的机械强度（抗压强度与抗压强度）及较高的耐磨性能。
    3.3自流平砂浆中的填料与化学外加剂
    除了无机胶凝材料（三元复合体系）及有机胶凝材料（可再分散胶粉）外，填料与化学外加剂对自流平砂浆的性能也有重要影响。如砂子及碳酸钙的粒形、吸水率、级配、最大颗粒粒径等均会明显影响自流平砂浆的工作性能与后期物理力学性能。目前在自流平砂浆中使用的超塑化剂主要有干酪素（具有优异的自愈合性能）、聚羧酸系列、聚丙烯酸系列、三聚腈胺磺酸盐甲醛聚合物系列，萘磺酸盐甲醛聚合物系列等，从减水效率及环保要求考察，聚羧酸系列减水剂已成为自流平砂浆配方的首选。当然，如前述如果直接采用F型VINNAPAS 可再分散乳胶粉，就可以不必再使用超塑化剂了。
    为了满足自流平砂浆要求的“快干”及一定的可操作时间，还需要对三元胶凝材料的早期水化凝结进行合理控制，由于自流平砂浆无机胶凝材料的复杂性，一般需要同时采用几种缓凝剂及促凝剂才能满足要求；另外适当的消泡剂及增稠剂或稳定剂也是自流平砂浆必不可少的重要组成；在开发彩色面层自流平砂浆时，还需采用专用的无机颜料。在各种化学外加剂选用时，应时刻关注各种化学外加剂间的相容性，尽量降低不同化学外加剂间的交互作用，并通过大量的流动性能及凝结性能实验，确定各种化学外加剂间的最优匹配关系。
四、水泥基自流平地面砂浆的施工方法
    正确的施工方法是保证自流平砂浆优异性能的前提条件之一，对于自流平砂浆，其施工主要可分成三个阶段，主要包括自流平砂浆基面的处理，基面界面剂的涂刷，自流平砂浆的浇筑。
    并非在所有的基面上均可以进行自流平砂浆的施工，如果自流平砂浆的基材混凝土还处于较大的收缩期，那么如果基材混凝土发生收缩开裂就会必然引起上面自流平砂浆的开裂。除了基材的体积稳定性要达到一定要求外，进行自流平施工前还要对自流平基面进行一定的前期处理，如对基面表面的浮灰及松动部分进行清理、对明显的不平处进行初步的凿平或补平，对基材存在的裂缝进行适当的聚合物砂浆修补，完成这些工作后还应该用高压水枪对地面进行全面清洗。
    基面处理完毕后，在自流平砂浆浇筑之前还需要用界面剂对基面进行封闭。涂刷界面剂不仅是为了提高基面与自流平砂浆的粘结力，更重要的是封闭基面的气孔，减少基材的吸水率，保证自流平砂浆不会因失水过快而导致可操作时间过短；另外封闭气孔还会减少由基面引入的气泡，改善自流平砂浆的表面状态。
    自流平砂浆的浇筑可根据浇筑面积的大小选择机械方法或手工方法。浇筑完后需立即用设定高度的专用工具进行刮平，控制自流平砂浆的浇筑高度，并且马上用专用的带钉滚筒对砂浆进行排气，加速消泡，整个浇筑过程中施工人员必须穿带专用的钉鞋，整个浇筑过程必须在规定时间内完成。一般自流平砂浆均具有一定的保水功能，而且基本均属于快凝快干系统，因而正确配方的自流平砂浆不需要进行特殊的养护措施。
    值得注意的是由于水泥基自流平砂浆配方体系的复杂性，它的凝结及“快干”会受环境温、湿度的影响，因而在进行特殊环境下的自流平施工时，还应该对配方进行适当的调整，然后才能进行施工。
五、水泥基自流平砂浆产品的质量控制
    5.1 稳定高品质的原材料是配方设计优化的前提条件，也是自流平砂浆产品质量控制的基石。
    5.2 自流平砂浆体系的快凝与“快干”是保证其早期体积稳定性能的质量控制关键。
    5.3 自流平砂浆硬化体系的长期低收缩率是保证其长期体积稳定性能的质量控制关键。
    5.4 自流平砂浆良好的工作性，包括流动性、自愈合性、稳定性及表面平整性等，是其满足施工要求的质量控制关键。
    5.5 自流平硬化砂浆的物理力学性能是其满足应用要求质量控制的关键。
    5.6 正确的施工方法是保证自流平砂浆产品最终性能的关键因素。

参考文献：
[1] Chiara F.Ferraris. Testing of selected self-leveling compounds for floors. Building and Fire Research Laboratory, National Institute of Standards and Technology. 1995.Jan
[2]Plank, J. 欧洲干混砂浆技术发展趋势. 2005年全国商品砂浆及其应用技术学术交流会. 上海同济大学. 2005.11.10-12. 会议主题报告
[3] 自流平地坪砂浆造就光滑地坪，瓦克内部资料，2007
[4] Tomohiro Emoto and Thomas A. Bier. Rheological behavior as influenced by plasticizers and hydration kinetics. Cement and Concrete Research, Volume 37, Issue 5, May 2007, Pages 647-654
[5] Jeongyun Do and Yangseob Soh. Performance of polymer-modified self-leveling mortars with high polymer–cement ratio for floor finishing. Cement and Concrete Research, Volume 33, Issue 10, October 2003, Pages 1497-1505
[6]刁桂芝,刘光华,张进生. 铝酸钙水泥在自流平砂浆和填缝剂中的应用. 第二届全国商品砂浆学术交流会，2007.11.4-7，河南开封. 会议论文集《商品砂浆的研究进展》：315-319

作者简介：
李永鑫，男，博士，1975.11生，湖北武汉人，2003年毕业于中国建筑材料科学研究总院，现任职于瓦克聚合物（上海）有限公司北京分公司，技术经理，主要负责北方地区的技术服务与技术支持