段鹏选 苗元超 刘波沣 陈卓 贾宝生
中国干混砂浆专业委员会技术推广中心
北京市建筑材料科学研究院
摘要： 本文介绍了建筑干混砂浆中常用外加剂的种类、性能特点、作用机理、以及对干混砂浆产品性能的影响关系。重点探讨了纤维素醚、淀粉醚等保水剂，可再分散乳胶粉以及纤维材料对干混砂浆性能的改善作用。
关键词：干混砂浆 保水剂 外加剂 可再分散乳胶粉 纤维 基本性能
The Basic Capability of General Admixtures
in Building Dry Mix Mortar
Duan Pengxuan ,Miao Yuanchao , Liu Bofeng , Chen Zhuo, Jia Baosheng
Technical Popularization Center of China Dry Mix Mortar Council
Beijing Building Materials Academy of Sciences Research
Abstract: This text introduced general admixtures’ kinds , capability characteristics, function mechanisms and influence relations of dry mix mortar production capability with the general admixtures of building dry mix mortar .It emphatically discussed improvement effect of dry mix mortar with cellulose aether, starch aether,redisperable power and fibre materials .
Keyword: dry mix mortar water-retention polymers admixtures redisperable power fibre basic capability
外加剂对建筑干混砂浆性能的改善具有关键性作用，但外加剂的加入使干混砂浆产品的材料成本明显高于传统砂浆，其在干混砂浆中占材料成本40%以上。目前，相当一部分外加剂由国外制造商供应，产品的参考用量也由供应商提供。由此导致了干混砂浆产品成本居高不下，量大面广的普通砌筑和抹灰砂浆推广困难；高端市场产品由国外公司控制，干混砂浆生产厂商利润低，价格承受能力差；外加剂的应用缺乏系统性、针对性研究，盲从国外配方。
基于以上原因，本文对常用外加剂的一些基本性能进行分析与比较，并在此基础上对应用外加剂的干混砂浆产品性能进行研究。
段鹏选 男 1963年9月出生 教授级高工 石景山区金顶街西福村1号 100041 联系电话:010-88715356
1. 保水剂
保水剂是改善干混砂浆保水性能的关键外加剂，也是决定干混砂浆材料成本的关键外加剂之一。
1.1 纤维素醚
纤维素醚是碱纤维素与醚化剂在一定条件下反应生成一系列产物的总称。碱纤维素被不同的醚化剂取代而得到不同的纤维素醚。按取代基的电离性能，纤维素醚可分为离子型（如羧甲基纤维素）和非离子型（如甲基纤维素）两大类。按取代基的种类，纤维素醚可分为单醚（如甲基纤维素）和混合醚（如羟丙基甲基纤维素）。按可溶解性不同，可分为水溶性（如羟乙基纤维素）和有机溶剂溶解性（如乙基纤维素）等，干混砂浆主要用水溶性纤维素,水溶性纤维素又分为速溶型和经过表面处理的延迟溶解型。
纤维素醚在砂浆中的作用机理如下：
（1）砂浆内的纤维素醚在水中溶解后，由于表面活性作用保证了胶凝材料在体系中有效地均匀分布，而纤维素醚作为一种保护胶体，“包裹”住固体颗粒，并在其外表面形成一层润滑膜，使砂浆体系更稳定，也提高了砂浆在搅拌过程的流动性和施工的滑爽性。
（2）纤维素醚溶液由于自身分子结构特点，使砂浆中的水份不易失去，并在较长的一段时间内逐步释放，赋予砂浆良好的保水剂和工作性。
纤维素醚包括：甲基纤维素（MC）、羟丙基甲基纤维素（HPMC）、羟乙基纤维素（HEC）、羧甲基纤维素（CMC）等。
1.1.1 甲基纤维素（MC）分子式[C6H7O2(OH)3-h(OCH3)n]x
将精制棉经碱处理后，以氯化甲烷作为醚化剂，经过一系列反应而制成纤维素醚。一般取代度为1.6-2.0，取代度不同溶解性也有不同。属于非离子型纤维素醚。
（1）甲基纤维素可溶于冷水，热水溶解会遇到困难，其水溶液在PH=3-12范围内非常稳定。与淀粉、胍尔胶等以及许多表面活性剂相容性较好。当温度达到凝胶化温度时，会出现凝胶现象。
（2）甲基纤维素的保水性取决于其添加量、粘度、颗粒细度及溶解速度。一般添加量大，细度小,粘度大，则保水率高。其中添加量对保水率影响最大，粘度的最低与保水率的高低不成正比关系。溶解速度主要取决于纤维素颗粒表面改性程度和颗粒细度。在以上几种纤维素醚中，甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素保水率较高。
③温度的变化会严重影响甲基纤维素的保水率。一般温度越高，保水性越差。如果砂浆温度超过40℃，甲基纤维素的保水性会明显变差，严重影响砂浆的施工性。
④甲基纤维素对砂浆的施工性和粘着性有明显影响。这里的“粘着性”是指工人涂抹工具与墙体基材之间感到的粘着力，即砂浆的剪切阻力。粘着性大，砂浆的剪切阻力大，工人在使用过程中所需要的力量也大，砂浆的施工性就差。在纤维素醚产品中甲基纤维素粘着力处于中等水平。
1.1.2 羟丙基甲基纤维素（HPMC）分子式为[C6H7O2(OH)3-m-n(OCH3)m, OCH2CH(OH)CH3]n]x
羟丙基甲基纤维素是近年来产量、用量都在迅速增加的纤维素品种。是由精制棉经碱化处理后，用环氧丙烷和氯甲烷作为醚化剂，通过一系列反应而制成的非离子型纤维素混合醚。取代度一般为1.5－2.0。其性质受甲氧基含量和羟丙基含量的比例不同，而有差别。
（1）羟丙基甲基纤维素易溶于冷水，热水溶解会遇到困难。但它在热水中的凝胶化温度要明显高于甲基纤维素。在冷水中的溶解情况，较甲基纤维素也有大的改善。
（2）羟丙基甲基纤维素的粘度与其分子量的大小有关，分子量大则粘度高。温度同样会影响其粘度，温度升高，粘度下降。但其粘度受温度的影响比甲基纤维素低。其溶液在室温下储存是稳定的。
（3）羟丙基甲基纤维素的保水性取决于其添加量、粘度等，其相同添量下的保水率高于甲基纤维素。
（4）羟丙基甲基纤维素对酸、碱具有稳定性，其水溶液在PH＝2-12范围内非常稳定。苛性钠和石灰水，对其性能也没有太大影响，但碱能加快其溶解速度，并对粘度稍有提高。羟丙基甲基纤素对一般盐类具有稳定性，但盐溶液浓度高时，羟丙基甲基纤维素溶液粘度有增高的倾向。
（5）羟丙基甲基纤维素可与水溶性高分子化合物混用而成为均匀、粘度更高的溶液。如聚乙烯醇、淀粉醚、植物胶等。
（6）羟丙基甲基纤维比甲基纤维素具有更好的抗酶性，其溶液酶降解的可能性低于甲基纤维素。
（7）羟丙基甲基纤维素对砂浆施工的粘着性要高于甲基纤维素。
1.1.3 羟乙基纤维素（HEC）
由精制棉经碱处理后，在丙酮的存在下，用环氧乙烷作醚化剂进行反应而制成。其取代度一般为1.5-2.0。具有较强的亲水性，易于吸潮。
（1）羟乙基纤维素可溶于冷水中，热水溶解较为困难。其溶液在高温下稳定，不具有凝胶性。在砂浆中高温下可使用时间较长，但保水性较甲基纤维素低。
（2）羟乙基纤维素对一般酸碱都具有稳定性，碱能加快其溶解，并对粘度略有提高，其在水中分散性比甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素略差。
（3）羟乙基纤维素对砂浆抗垂挂有好的性能，但对水泥的缓凝时间较长。
（4）国内一些企业生产的羟乙基纤维素，因含水量大，灰份高而导致其性能明显低于甲基纤维素。
1.1.4 羧甲基纤维素（CMC）[C6H7O2(OH)2och2COONa]n,
由天然纤维（棉、麻等）经过碱处理后，用一氯醋酸钠作为醚化剂，经过一系列反应处理而制成离子型纤维素醚。其取代度一般为0.4-1.4，其性能受取代度影响较大。
（1）羧甲基纤维素吸湿性较大，一般条件储存会含有较大水份。
（2）羟甲基纤维素水溶液不会产生凝胶，随温度升高而粘度下降，温度超过50℃时，粘度不可逆。
（3）其稳定性受PH影响较大。一般可用于石膏基砂浆中，不能用于水泥基砂浆中。在高碱性时，会失去粘度。
（4）其保水性远远低于甲基纤维素。对石膏基砂浆有缓凝作用，并降低其强度。但羧甲基纤维素价格明显低于甲基纤维素。
1.2 淀粉醚
用于砂浆中的淀粉醚是由一些多糖类的天然聚合物经改性而成。如用马铃薯、玉米、木薯、瓜耳豆等改性而成各种淀粉醚。砂浆中常用的淀粉醚有羟丙基淀粉醚、羟甲基淀粉醚等。
1.2.1 变性淀粉
由马铃薯、玉米、木薯等改性而成的淀粉醚，保水性明显低于纤维素醚。因改性程度不同表现出对酸碱稳定性不同。有些产品适用于石膏基砂浆中，又有些产品能用于水泥基砂浆中。砂浆中应用淀粉醚主要是作为增稠剂，提高砂浆的抗流挂性，降低湿砂浆的粘着性，延长开放时间等。
淀粉醚经常与纤维素一起使用，使这两种产品性能与优势互补。由于淀粉醚产品比纤维素醚便宜许多，在砂浆中应用淀粉醚，会带来砂浆配方成本的明显降低。
1.2.2 瓜耳胶醚
瓜耳胶醚是由天然瓜耳豆经改性而成的一种性能较为特殊的淀粉醚。主要由瓜耳胶与丙烯酸基官能团发生醚化反应，生成含有2-羟丙基官能团结构，是一种多聚半乳甘露糖结构。
（1）与纤维素醚相比，瓜耳胶醚更容易溶于水。PH对瓜耳胶醚的性能基本上没有影响。
（2）在低粘度、少掺量的条件下，瓜耳胶可以等量取代纤维素醚，而具有相近的保水性。但稠度、抗垂挂性、触变性等明显改善。
（3）在高粘度、大掺量条件下，瓜耳胶不能代替纤维素醚，二者混合使用会产生更优异的性能。
（4）瓜耳胶应用于石膏基砂浆中可明显降低施工时的粘着性，使施工更滑爽。对石膏砂浆的凝结时间和强度，无不利影响。
（5）瓜耳胶应用于水泥基砌筑和抹灰砂浆中可等量替代纤维素醚，并赋予砂浆更好的抗垂挂性、触变性和施工的滑爽性。
（6）瓜耳胶还可用于瓷砖粘结剂、地面自流平剂、耐水腻子、墙体保温用聚合物砂浆等产品中。
（7）由于瓜耳胶价格明显低于纤维素醚，砂浆中使用瓜耳胶会带来产品配方成本的明显降低。
1.2.3 改性矿物保水稠化剂
用天然矿物经过改性和复配制成的保水稠化剂，在国内已得到了应用。用于配制保水稠化剂的主要矿物有：海泡石、膨润土、蒙脱石、高岭土等，这些矿物通过偶联剂等改性处理而具有一定的保水增稠性能。这类保水增稠剂应用于砂浆具有以下几个特点。
（1）可明显改善普通砂浆性能，解决了水泥砂浆操作性差，混合砂浆强度低，耐水性差的问题。
（2）可配制出用于一般工业与民用建筑不同强度等级的砂浆产品。
（3）材料成本明显低于纤维素醚和淀粉醚。
④保水性低于有机保水剂，所配制砂浆的干燥收缩值较大，粘结性降低。
2. 可再分散型聚合物胶粉
可再分散胶粉由特制聚合物乳液经过喷雾干燥加工而成。在加工过程中，保护胶体、抗结硬剂等成为不可缺少的助剂。经过干燥后的胶粉是一些聚集在一起的80-100mm的球形颗粒。这些颗粒可溶于水，并形成比原来乳液颗粒略大的稳定分散液，这种分散液失水干燥后会成膜，这种膜和一般乳液成膜一样不可逆，遇水不会再分散成为分散液。
可再分散胶粉可分为：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，并以此为基础接枝有机硅、月桂酸乙烯等改善性能。不同的改性措施使可再分散胶粉具有耐水、耐碱、耐候以及柔性等不同的性能。含有月桂酸乙烯和有机硅，可使胶粉具有良好的疏水性。高度支链化的叔碳酸乙烯酯，具有较低的Tg值，很好的柔性。
这几种胶粉应用于砂浆中，均对水泥的凝结时间有延缓作用，但比直接应用同类乳液的延缓作用小。相比而言，苯乙烯—丁二烯的延缓作用最大，乙烯—醋酸乙烯的延缓作用最小。若掺量太小对砂浆性能的改善作用不明显。
3. 纤维材料
3.1 木纤维
木纤维是以植物为主要原料，采用一系列技术加工而成，其性能不同于纤维素醚。主要性能有：
（1）不溶于水和溶剂，也不溶于弱酸和弱碱溶液
（2）应用于砂浆中，在静止状态下会搭接成三维立体结构，增加砂浆触变性和抗垂性，改善施工性。
（3）由于木纤维所具有的三维立体结构，在所拌砂浆中具有“锁水”性能，砂浆中水份不会轻易被吸收或移走。但其不具有纤维素醚的高保水性。
（4）木纤维所具有的良好毛细管效应，在砂浆中具有“导水”功能，使砂浆表面和内部水份含量趋于一致，从而减少因不均匀收缩而产生的裂缝。
（5）木纤维能减小砂浆硬化体的变形应力，减轻砂浆收缩开裂的发生。
（6）木纤维在砂浆中长期性能变化规律，尚不清楚。
3.1 聚丙烯纤维
聚丙烯纤维是以聚丙烯为原料加适入适量改性剂制成。纤维直径一般为40微米左右，抗拉强度300-400mpa，弹性模量≥3500mpa，极限延伸率15-18%,其性能特点：
（1）聚丙烯纤维在砂浆中呈均匀三维乱向分布，形成网络加强体系。若每吨砂浆中掺入1kg重的聚丙烯纤维，则可得到3000万根以上的单丝纤维。
（2）砂浆中加入聚丙烯纤维，可以有效减少砂浆在塑性状态的收缩裂缝。不论这些裂缝是可见的还是不可见的。并能明显减少新拌砂浆的表面泌水与集料沉降。
（3）对于砂浆硬化体，聚丙烯纤维可以显著降低变形裂缝的数量。即当砂浆硬化体因变形产生应力时能够抵抗和传递应力，当砂浆硬化体产生裂缝时，能够钝化裂缝尖端的应力集中，约束裂缝扩展。
（4）聚丙烯纤维在砂浆生产中的高效分散，会成为一个难题。混合设备、纤维品种与掺量，砂浆配比以及其工艺参数都将成为影响分散性的重要因素。
4. 塑化减水剂
塑化减水剂是水泥混凝土中用量最大的外加剂。几乎所有的减水剂都是由表面活性物质组成，减水剂的性能由其所采用的表面活性物质的分子结构与水泥颗粒之间产生的界面作用决定。由于水泥颗粒在水化过程中带有不同极性而相互吸引，包裹了许多拌合水而产生絮凝结构。使用中为了达到满意的施工性能往往需要加入更多的水，使硬化体强度等性能降低。减水剂加入水泥浆后，其疏水基团定向吸附在水泥颗粒表面带有同号电性，增大了水泥颗粒表面的ζ电位，使颗粒之间因同性静电而相斥，破坏了水泥颗粒的絮凝结构，使水泥颗粒得到了有效分散，释放出絮凝结构中的游离水，达到减水的目的。
4.1 木质素减水剂
木质素减水剂通常由亚硫酸法生产纸浆的付产品制得。一般包括木钙、木钠与木镁三种，常用木钙和木钠即木质素磺酸钙和木质素磺酸钠，通常呈粉末状。
木质素减水剂一般减水率为10-15%，掺量为0.2-0.3%。对水泥有缓凝作用，若掺量过大会引起水泥不凝固，对水泥砂浆有引气作用。
木质素减水剂掺量小，价格低，适用于减水率要求低的砂浆。与高效减水剂配合使用会取得更好的效果。
4.2 萘系减水剂
萘系减水剂是采用工业萘、甲醛和浓硫酸和液碱为主要原料在一定反应条件下制备而成，主要成份为萘磺酸甲醛缩合物。通常以液态或粉状形式作为最终产品，是目前应用量最大的减水剂之一。粉状产品掺量一般为水泥重量0.5-1.0%，减水率可达20%左右。
砂浆中掺入该减水剂可明显提高强度，对凝结时间略有延长，并能改善水泥及其他外加剂在砂浆中分散性，明显提高砂浆的施工性、抗渗性、抗冻性、抗化学侵蚀性、减少收缩率。在水泥砂浆中，因减水率高、价格适中而广泛应用。但该减水剂用于石膏基砂浆中，减水效果不明显。
4.3 超塑化剂
超塑化剂即高效减水剂，减水率一般可达到30%以上。粉状超塑化剂一般用于特种干混砂浆，如地面自流平剂、灌浆料以及耐火浇注料等产品。
5. 引气剂
引气剂是一种通过物理方法使新拌砼或砂浆中形成稳定气泡的表面活性剂。主要有：松香及其热聚物类、非离子型表面活性剂类、烷基苯磺酸盐类、木质素磺酸盐类、羧酸及其盐类等几种。
引气剂常被用来配制抹灰砂浆与砌筑砂浆。由于引气剂的加入，会带来砂浆性能一些变化。
（1）由于气泡引入增加新拌砂浆的合易性和施工性，减少泌水。
（2）单纯用引气剂会降低砂浆中的强度和弹性模量。若引气剂与减水剂共同使用，且适当配比，强度值可不降低。
（3）能显著提高砂浆硬化体的抗冻性并改善砂浆的抗渗性，提高砂浆硬化体的抗侵蚀性。
（4）引气剂带来砂浆含气量的增加会增加砂浆的收缩，通过减水剂的加入可使收缩值得到适当降低。
由于引气剂加入量非常少，一般仅占胶凝材料总量万分之几，必须保证在砂浆生产时精确计量、均匀掺入；搅拌方式、搅拌时间等因素会严重影响引气量。因此，在目前国内的生产与施工条件下，砂浆中加入引气剂一定要进行大量的试验工作。
6. 早强剂
用于提高砼和砂浆的早期强度，常用硫酸盐类早强剂，主要有硫酸钠、硫代硫酸钠、硫酸铝及硫酸钾铝等。
一般无水硫酸钠的应用较多，其掺量较低早强效果好，但掺量太大时会引起后期膨胀开裂，同时会产生返碱，影响外观和表面装饰层效果。
甲酸钙也是一种很好的防冻剂，其早强效果好，付作用少，与其他外加剂相容性好，许多性能优于硫酸盐类早强剂，但价格较高。
7. 防冻剂
如果在负温下使用砂浆，若不采取防冻措施将会发生冻害，破坏硬化体的强度。防冻剂从防止结冻和提高砂浆早期强度二个途径防止冻害的发生。
在常用的防冻剂中，以亚销酸钙和亚硝酸钠的防冻效果最好。亚硝酸钙由于不含钾、钠离子用于混凝土可减少碱骨料的发生，但用于砂浆时工作性略差，亚硝酸钠则具有较好的工作性。防冻剂与早强剂和减水剂复合使用，可得到满意的使用效果。应用防冻剂的干混砂浆在超低负温下使用时，应适当提高拌和物温度，比如用温水拌和。
防冻剂用量过大会降低砂浆后期强度，砂浆硬化体表面会出现返碱等问题，影响外观和表面装饰层效果。
8. 结语
随着我国建筑干混砂浆行业的快速发展，外加剂对干混砂浆成本的制约作用会逐渐降低。纤维素醚供应的国产化，使纤维素醚价格连续走低。淀粉醚、稠化粉等低价格保水增稠材料的成功应用，显著降低了普通干混砂浆的材料成本。可再分散胶粉国产化进程的加快，可能打破由国外供应商控制我国胶粉市场的局面。这些都预示着外加剂对干混砂浆材料成本的制约瓶颈会很快突破。但是，目前对外加剂在干混砂浆中的应用缺乏系统性研究。不同种类的外加剂对不同干混砂浆产品的针对性不强，一些外加剂（如纤维素醚）没有针对在干混砂浆中的应用特点提出自身性能指标，而是轻工、化工行业的标准。对外加剂在干混砂浆硬化体的作用机理研究较少。这无疑会影响外加剂在干混砂浆中的合理、高效使用。因此，应根据我国建筑结构特点、墙体材料特点、气候特点、施工水平等系统研究外加剂在干混砂浆产品中的应用技术。
参考文献
[1] 中国干混砂浆委员会，2004年中国国际建筑干混砂浆生产应用技术研讨会论文集。
[2] 北京市建筑材料科学研究院，建筑粉体材料新产品与应用技术研究，2002。
[3] 北京市建筑材料科学研究院，北京市建筑干混砂浆综合技术及质量控制体系的研究，2004。
[4] 张雄，建筑功能外加剂，化学工业出版社。
