干拌砂浆的发展及其技术优势

　　在最近150年的历史中，波特兰水泥基砂浆广泛用于建筑物的施工。一直到1960年前后，砂浆依然是在现场进行拌制。做法是将无机胶凝材料（主要是波特兰水泥）和骨料（常采用硅砂）分别运送至工地，然后以适当的比例在现场加水拌和制备砂浆。60年代中叶，对高性能砂浆的需求开始增加。原因在于熟练工人的缺乏、对加快施工现场周转时间的需要、劳动力成本的增加、基层和材料品种的变化以及不断加强的对施工质量的更高要求。在施工现场拌和的简单砂浆无法满足上述所有的要求。因此，从60年代开始，西方国家在现代建筑施工和建筑化学工业的发展主要受到了两个重要趋势的影响：

1. 预拌及预装袋干拌砂浆对工地现场搅拌砂浆的替代，前者经常采用机械施工；
2. 采用聚合物对砂浆进行改性以提高产品的质量，满足现代建筑工业的要求。

　　大部分现场拌和的砂浆采用水泥作为无机胶凝材料，硅砂或石灰石作为骨料（填料）。针对不同的用途将不同比例的水泥、骨料和水拌和在一起获得新拌砂浆。砂浆的质量取决于原材料的质量、适宜的配比和配料的计量、拌合物的均匀性及砂浆的和易性或流变性。考虑到这些问题，在工地现场搅拌生产的砂浆质量易出现波动，工人也容易犯错误，因此质量无法得到保证。

　　合成聚合物乳液自三十年代起就用于砂浆的改性。以这种方式改性的砂浆称为双组份系统 (袋装的矿物胶粘剂粉料 + 容器包装的第二组份液态聚合物胶粘剂)。但是在实际应用中，施工现场使用这些双组份系统时出现了很多问题。最主要的困难就是准确控制聚合物乳液的掺加量。出现这种错误的原因可能是由于缺乏知识和经验以及针对某一特殊应用对工人的培训。掺量上的错误也可能偶然发生，甚至是故意这样作以在短期内省钱。过高特别是过低的聚合物乳液掺量会显著改变砂浆的特点和技术性能，从而由于粘结性、柔性和/或耐久性不符合要求引起各种建筑材料的严重破坏。其它不使用双组份产品的原因除了搬运上的困难和风险，还有费用和物流方面的问题（例如需要容器进行包装，存在如何安全处理方面的问题；液态乳液的储存和运输可能会出现受冻或微生物侵蚀变质的问题；双组份体系在现场的施工操作要消耗更多的时间，工作条件也更艰苦）。

　　与现场搅拌的砂浆相比，干拌砂浆是通过针对特定产品将所有必要的组份（如胶凝材料、骨料和化学添加剂）在严格控制的条件下在干拌砂浆工厂混合生产的。预装袋的干拌砂浆会保证高品质的稳定的胶凝材料、骨料和添加剂始终以适当的比例进行混合，因此确保砂浆一贯的高品质。此外，在采用干拌砂浆时，可以针对某些类型的建筑或材料特殊要求而设计可以解决某些具体问题的产品。

　　下述技术上的进展使得干砂浆的使用很快被接受，需求不断增长：

• 可再分散胶粉的生产
• 散装运输储罐（筒仓运输系统）的使用以及
• 开发了可对砂浆加水多少进行计量和将湿砂浆泵送至现场进行施工（如喷射施工）的机械系统。

　　与装在包装袋内运送至现场进行人工计量的干拌砂浆相比，用于砂浆机械施工的自动计量和泵送设备大幅度提高了了生产力。对于大宗用户，可以将干砂浆装在筒仓内（有从1到20 m3不同大小的仓供选择）运送至工地，从而省去袋装干拌砂浆的装卸。干砂浆通过适宜的传送系统从筒仓直接移至附带的搅拌和泵送单元自动加水进行搅拌并泵送至施工机具。

　　采用可搬运的装有干砂浆的筒仓再配以砂浆的自动计量、泵送和机械施工设备可以进一步提高生产率。采用机械搅拌和施工预装袋干拌砂浆时，与传统的现场搅拌而后手工施工方法相比，采用机械施工抹灰材料或砂浆每个工人（或一组工人）的施工面积可以提高3-6倍。此外，干拌砂浆的自动计量和泵送装置事实上可以保证砂浆得以正确地配制和施工，从而避免一些可能发生的错误如加水过量或不足。这一点对于那些在施工现场雇用的缺少经验或不熟练的工人显得特别重要。因此采用干粉聚合物改性的预拌和预装袋干混砂浆一直就有替代所谓的双组份（乳液+干混料）的趋势。另外一个可以看到的趋势是高质量的聚合物改性干拌砂浆产品对膏状和液体产品的替代。从生产率和质量两方面得到的好处使得干砂浆的生产和应用在整个西欧获得了十分迅速的增长，目前在东欧、美洲和亚洲的用量也在持续扩大。

　　现代干拌砂浆产品的生产

　　现代干拌砂浆工厂的生产能力可达每年2万到15万吨。它们可以处理数量相差悬殊的多种不同原材料。这些原材料包括：

　　·　无机胶凝材料，包括波特兰水泥、高铝水泥、特种水泥、熟石灰和石膏；

　　·　聚合物胶粘剂即可再分散聚合物粉末；

　　·　骨料和填料，包括石英砂、不同粒径或细度的碳酸钙质骨料或粉料、轻质填料和特殊的功能性填料；

　　·　其它添加剂，包括纤维素醚、颜料、消泡剂、引气剂、缓凝剂、促凝剂、增稠剂、憎水剂和减水剂等。

　　在这些现代化的工厂中，全自动的电子程序控制着上料、称重和原材料的混拌。这种控制系统将原材料按照某一特定干砂浆产品的配方以十分精确的剂量喂送到混拌单元。这样一些混拌单元（如螺旋混料机）有各种不同的尺寸和设计类型供选择，可以在较短的批量混拌时间里得到非常均匀的搅拌效果。在整个混拌过程中干拌材料的温度不得超过50°C以防止热塑性添加剂出现问题。经3-10分钟短时间混拌后，均匀的干拌砂浆即可卸入中间成品储料仓。经质量检验后，将干砂浆卸入散装储仓或转送至包装和托盘单元，然后运送至工地。

　　从使用功能上看，干拌砂浆产品分为两大类：普通干拌砂浆和特种干拌砂浆。普通干拌砂浆包括砌筑、抹灰和地面找平砂浆；特种干拌砂浆产品包括瓷砖胶、保温系统粘结砂浆和抹面砂浆、自流平砂浆、腻子、装饰抹灰和干粉涂料、瓷砖填缝剂、修补砂浆和防水密封砂浆等。

　　用于干拌砂浆产品的添加剂

　　在干拌砂浆产品中除了矿物胶凝材料之外，还加入骨料以及聚合物胶黏剂和多种有机或无机添加剂。这些添加剂的掺量典型的在0.01到10%的范围内，它们可以改善以下性能：

• 干砂浆与水的拌合性能；
• 新拌砂浆的可工作性和流变性；　　
• 砂浆硬化后的性能。

　　下面简要归纳了这些添加剂的性能特点。

　　纤维素醚

　　作为保水和增稠剂，纤维素醚几乎用于每一种干砂浆产品。常用的纤维素醚有羟甲基乙基纤维素醚 (MHEC)和羟甲基丙基纤维素醚(MHPC)。根据不同的用途纤维素醚的掺量亦不相同，低的从0.02%如砌筑砂浆或自流平砂浆到0.1%如抹灰和批荡砂浆；高的可以从0.3到0.7%，如瓷砖胶。

　　纤维素醚也称为流变改性剂，一种用来调节新拌砂浆流变性能的添加剂。纤维素醚基本上讲有以下三个功能：

• 它可以使新拌砂浆增稠从而防止离析并获得均匀一致的可塑体；
• 本身具有引气作用，还可以稳定砂浆中引入的均匀细小气泡；
• 作为保水剂，有助于保持薄层砂浆中的水份（自由水），从而在砂浆施工后使水泥可以有更多的时间水化。cement hydration.

　　纤维素醚的生产商有赫克力士、拜耳、陶氏和三星等公司。

　　淀粉醚

　　淀粉醚在干砂浆中的典型掺量为0.01到0.05%。尽管掺量低，它仍可以使砂浆的稠度显著增加。需水量和屈服值也因此而略有增加，新拌砂浆的垂流程度会降低。这样使得批荡砂浆可以批得更厚，瓷砖胶能够粘附更重的瓷砖而不产生下垂。特殊类型的淀粉醚可以降低砂浆对镘刀的粘附或延长开放时间。

　　淀粉醚的生产厂商有赫克力士和国民淀粉化学有限公司(ELOSET牌号)等。

　　憎水添加剂

　　憎水添加剂或斥水剂可以防止水份进入砂浆，同时还可以保持砂浆处于开放状态从而允许水蒸气的扩散。这种添加剂的性能可以通过毛细吸水试验方法如EN1015-18进行评价。

　　市场上大致有三个产品系列：

　　·　脂肪酸金属盐。这些产品的单位成本相对较低，但主要的缺点是搅拌砂浆时需要较长的时间才能与水拌和均匀。典型的掺量为0.2%到1%。

　　·　硅烷。特殊的粉末状硅烷如国民淀粉化学公司的Elotex SEAL80不仅表现出高憎水效能，而且具有与砂浆快速拌和均匀的能力。硅烷在碱性环境下与水泥的水化产物形成高度持久的结合。典型的掺量为0.1到0.5%。

　　·　特殊的憎水性可再分散聚合物粉末确实可以提供良好的憎水性，但需要的掺加量较高，典型掺量为1到3%。这些聚合物还可以改善砂浆的粘结性、内聚性和柔性。

　　憎水添加剂和憎水性可再分散胶粉的主要用途如下：

　　·　防水抹灰和批荡砂浆；

　　·　防水浆料；

　　·　薄抹灰外墙保温系统的抹面砂浆；

　　·　瓷砖添缝剂。

　　超塑化剂

　　水泥超塑化剂的基本功能是减少砂浆的需水量。在获得相同合易性的情况下，掺加超塑化剂砂浆所需的加水量显著减少。超塑化剂常用于需要有良好自流平性能的砂浆中，如自流平垫层、面层砂浆或找平砂浆。

　　干砂浆主要使用下述三种化学外加剂：

　　·　干酪素。性能优异的超塑化剂，特别是对于薄层砂浆。但由于是天然产品，因此质量和价格常有波动。市场上有许多生产商。

　　·　三聚氰胺甲醛缩合物。性能良好的超塑化剂，但对薄层砂浆效果有限。有甲醛释放。生产商如Perstorp和SKW。

　　·　聚羧酸。最新开发的技术，具有高效能而且无甲醛排放。生产商如SKW。Elotex FLOWKIT产品系列是附加了超塑化功能的可再分散胶粉，它也是基于聚羧酸技术。　

　　其它添加剂

　　·　促凝剂用于调整砂浆的凝结硬化性能。广泛使用甲酸钙和碳酸锂。甲酸钙的典型掺量为1%；碳酸锂为0.2%。

　　·　与促凝剂一样，缓凝剂也用于调整砂浆的凝结硬化性能。酒石酸、柠檬酸及其盐以及葡萄糖酸盐已被成功使用。典型的掺量为0.05到0.2%。

　　·　粉状消泡剂减少新拌砂浆的含气量。粉状消泡剂基于不同的化学基团，如吸附在无机载体上的碳氢化合物、聚乙二醇或聚硅氧烷。

　　聚合物改性干拌砂浆的技术性能

　　可再分散胶粉的生产及成膜过程

　　可再分散胶粉为热塑性聚合物粉末，它们是采用乳液喷雾干燥技术生产的，乳液是以乙烯，醋酸乙烯叔碳酸乙烯酯和丙烯酸酯单体为基础的聚合物。生产可再分散聚合物胶粉的第一步是生产聚合物分散体，也称为乳液或乳胶。在这一过程中，水乳化的单体(由乳化剂或大分子保护胶体进行稳定)与引发剂反应开始进行乳液聚合，通过这种反应使单体连接起来形成长链分子(宏观大分子)，即聚合物。最终砂浆产品的性能可以通过聚合物的设计和乳液加工处理过程中有选择地加入特殊的添加剂进行量身定制。另外，通过特殊的产品设计，可以确保聚合物粉末在干砂浆加水搅拌后迅速分散。可再分散胶粉在某些聚合物改性材料中起着重要的作用：它干燥后在水中形成不溶于水的连续膜将颗粒粘结在一起，所以它也被称为是有机胶黏剂。这种连续膜是通过乳液中单一分散的颗粒融合成均质体而形成的。聚合物成膜的过程分为三个阶段：第一阶段 ― 在初始乳液中聚合物颗粒以布朗运动的形式自由移动。随着水分的蒸发，颗粒的移动自然受到了越来越多的限制，水与空气的界面张力促使他们逐渐排列在一起；第二阶段 ― 颗粒开始相互接触时，网络状的水分通过毛细管蒸发，施加于颗粒表面的高毛细张力引起乳胶球体的变形使它们熔合在一起，剩余的水分填充在孔隙中，膜大致形成；第三阶段 ― 最后阶段是聚合物分子的扩散(有时称为自粘性)形成真正的连续膜。

　　在成膜过程中，孤立的可移动的乳胶颗粒固结为新的薄膜相，该薄膜具有较高的拉应力。显然，为了使可再分散胶粉能够在硬化砂浆内成膜，必须保证最低成膜温度（MFFT）低于砂浆的养护温度。图1为可再分散胶粉生产，再分散和成膜过程的示意简图。

　　聚合物改性砂浆的微结构

　　聚合物改性砂浆中的聚合物膜在硬化砂浆具有十分重要的作用效果。图2为在扫描电子显微镜下拍摄到的粉末聚合物改性瓷砖粘结砂浆与瓷砖界面区的微结构。可以清楚地观察到聚合物形成的膜在吸水率极低的玻化瓷砖与水泥砂浆基体之间形成了桥连。两种不同材料之间的接触区是收缩裂缝形成并导致粘结力损失的特殊高危区域。所以，乳胶膜使收缩裂缝得以愈合的能力对于瓷砖胶粘剂具有重要的作用。图2中的SEM显微照片清楚地表明为什么可再分散胶粉能够提高粘结强度。

　　说明： 在乳胶中，颗粒表面的稳定剂必须防止乳胶在任何情况下发生凝聚并由此出现不稳定状态。添加保护胶体和抗结块剂在喷雾干燥后可以获得能够在水中再分散的自由流动的粉末。乳胶或再分散物的缓慢干燥会形成薄膜。砂浆内部孔隙自由水分消耗过程中会出现同样的情况。

　　 大量文献资料（如Ohama, 1995）均已证明采用可再分散胶粉改性后砂浆的抗拉强度、弹性、柔性和封闭性均有提高。因此，我们来直接聚焦这种聚合物-水泥复合材料的微结构。图3为该复合材料的SEM图像。掺加可再分散胶粉可使聚合物膜(乳胶膜)形成并构成孔壁的一部分，从而对砂浆的高孔隙构造起到了封闭的作用。乳胶膜具有自拉伸机制，可对其与砂浆锚接之处施加拉力。通过这些内部作用力，将砂浆保持为一个整体，换言之，砂浆的内聚强度提高了。高柔性和高弹性聚合物区域的存在改善了砂浆的柔性和弹性。观察到屈服应力和破坏强度较素砂浆提高的现象可解释如下。当施加作用力时，由于柔性和弹性的改善会使微裂缝推迟，直到达到更高的应力时才形成。此外，互相交织的聚合物区域对微裂缝合并为贯穿裂缝也有阻碍作用。因此，可再分散胶粉提升了材料的破坏应力和破坏应变。

　　可再分散胶粉在干拌砂浆产品中的应用

　　 在干拌砂浆中使用可再分散胶粉作为粉末形式的聚合物胶黏剂为建筑化学开创了新纪元。高质量、现代化的建筑材料和施工方法需要聚合物改性砂浆，如粘贴全玻化的瓷砖或固定保温用的聚苯板。因此，建筑化学工业的一个重要发展就是使用添加剂和聚合物胶粘剂来改善砂浆（主要是水泥基砂浆）的性能。采用可再分散胶粉改性的干拌砂浆产品与水拌和后，会形成一个高质量的、具有鲜明一致特性的聚合物改性水泥基砂浆。使用预装袋干拌砂浆能够对水泥、骨料、添加剂和可再分散胶粉进行精确计量，从而避免了在施工现场配料和搅拌过程中可能出现的错误，保证产品的使用具有高度的安全性。与液体和膏状产品相比，聚合物改性干拌砂浆没有受冻或微生物污染的风险，容易运输和储存，产品包装和容器的处理也十分简单。

　　在干拌砂浆中，两种胶结材料体系即水泥和可再分散胶粉之间的搭配是十分理想的。在某种干砂浆产品中二者的组合形成了极佳的性能互补，这是一种胶结材料无法单独完成的。

　　根据掺量的不同，添加可再分散胶粉的聚合物改性干拌砂浆会改善以下性能：

　　 ·　新拌砂浆的保水性和可工作性；

　　·　对不同基层的粘结性能；

　　·　砂浆的柔性和变形性能；

　　·　抗折强度和内聚性；

　　·　耐磨性；

　　·　韧性；

　　·　密实度 (抗渗性)。

　　 此外，特殊的可再分散胶粉还具有疏水效果，可以赋予砂浆较强的憎水性。

　　聚合物改性干拌砂浆的典型应用为瓷砖和建筑粘结剂，瓷砖钩缝剂，保温板的粘结砂浆，自流平地面找平层，混凝土修补和修复砂浆，不同类型的抹灰砂浆、批荡砂浆和矿物饰面层，石灰水泥和非水泥基粉末涂料，密封浆料，填缝剂，镘抹平滑砂浆。只有较为简单的产品如砌筑砂浆、厚找平层和底批抹灰或批荡材料以及混凝土通常不采用可再分散胶粉进行改性。

　　新的施工方法和建筑材料的出现以及对其安全、可靠、有效和经济使用性的要求使得可以生产高质量砂浆的现代化方法如干拌砂浆技术能够得到实施。因此，在世界范围内施工现场搅拌技术和现场采用液体聚合物改性砂浆的技术正在逐渐被特别为现代建筑技术、材料和环境设计且具有不同特性的聚合物改性干拌砂浆产品所替代。

　　在应用可再分散胶粉过程中应该注意的是，可再分散胶粉和水泥是砂浆中两个最主要的活性组份。一般来说，它们的功能互补，因此两个组份必须起到不同的作用，但同时工作。正因为如此，低质量的水泥和错误使用的可再分散胶粉是不能简单地通过优化配方中的其它参数而获得补偿的。每一种组份应根据其质量和对整个配方性能的总体影响来进行选择。

　　 美国国民淀粉化学公司生产的粉末聚合物产品及用途

　　美国国民淀粉公司旗下的ELOTEX是一家以其高性能粉末聚合物产品赢得了广泛赞誉的公司，是居世界领先水平的水泥或石膏基干拌砂浆产品添加剂的供应商。在过去的35年中，ELOTEX一直为全球干拌砂浆行业生产和供应用途广泛的聚合物粉末产品，以进步和创新而蜚声内外。国民淀粉化学公司ELOTEX生产的产品主要包括以下四种类型：

　　 1.　　可再分散聚合物粉末——产品种类较多，适用于外保温系统、柔性腻子、瓷砖粘结剂、界面剂、防水砂浆及修补砂浆等不同的场合；

　　2.　　具有憎水功能的添加剂——可再分散硅烷基粉末SEAL80，适用于有憎水性或低吸水率要求的水泥基干粉砂浆；

　　3.　　Flowkit系列产品——专为配制自流平砂浆开发的产品FL31、FL51、FL32和FL52，它们是具有可大幅度提高砂浆流动性功能的可再分散聚合物粉末，可用于自流平砂浆和灌浆材料等；

　　4.　　流变改性剂——Eloset 5410和5420淀粉醚，经过淀粉化工技术改性处理，具有溶解迅速和高增稠性的特点，可赋予砂浆良好的抗垂流性能和镘抹滑爽性。可用于外保温系统的抹面砂浆、瓷砖胶、腻子和墙面抹灰砂浆等。

　　 ELOTEX可再分散聚合物粉末及其它添加剂为水泥基和石膏基干拌砂浆产品进一步提高质量和环保水平提供了有效的技术手段。为了进一步开拓亚太地区特别是中国市场，国民淀粉化学公司ELOTEX于2002年9月在中国上海成立了亚太区技术中心，并建立了以欧洲技术人员和中国本地技术人员相结合的专业技术队伍。由此为客户提供最佳的技术服务，并协助客户开发满足市场需求且具有特殊性能的产品。

　　 结语

　　 干拌砂浆的应用在欧洲很普遍。德国、奥地利、芬兰等国家早已采用干拌砂浆作为主要的砂浆类建筑材料。目前世界上大约有600多家大型干拌砂浆工厂，而且数量还在不断发展，估计年生产量为7500万吨。在德国，平均每50万人口就有一个干粉料生产厂。在中国，大力发展新型建材、绿色建材已纳入国家规划，近年来干拌砂浆的生产应用也获得了迅速的发展。具2002的统计，中国大约有300多家干拌砂浆生产厂，年产量约1200万吨。这些干拌砂浆厂主要集中在上海、北京和广州等经济发达地区。随着人民生活水平的不断提高，住宅私有化的不断发展，购房者对建筑物的质量将会有更高的要求。提高建筑的质量与水平，采用高质量的建材是前提。如同商品混凝土的推广与发展一样，相信干拌砂浆在中国的建筑行业也将迅速地发展。作为干拌砂浆产品的主要原材料供应商，国民淀粉化学公司的用户包括许多知名的当地公司和全球享有盛誉的跨国企业，国民淀粉化学公司也是他们可靠的合作伙伴。在您的新产品开发之前、过程当中和之后的每一个阶段，我们都会为您提供必要的建议和技术支持。为满足客户提出的更高要求，ELOTEX将不断改进生产工艺和产品性能，并致力于为客户提供创新的解决方案。我们深知客户的成功是我们自身发展的前提，这也正是我们不断前进的动力！

　　参考文献

　　 1. Ohama Y. (1995)

　　Handbook of polymer-modified concrete and mortars. Properties and process technology. Noyes Publications.

　　2. Winnik M. A. (1997)

　　The formation and properties of latex films. In: P. A. Lovell and M. S. El-Aasser (eds), Emulsion polymerization and emulsion polymers, John Wiley & Sons Ltd.

　　3．王培铭 (2002)

　　商品砂浆在中国的发展，《上海建材》2002年第5期。