泛碱的形成机理和预防措施

泛碱的形成机理和预防措施在干混砂浆工业中，泛碱造成水泥基材料褪色而影响美观性的现象是一个大家普遍关心 的问题。本文对泛碱现象进行了综合论述，详细描述了泛碱的机理和泛碱的影响因素，并重 点讨论了外墙彩色砂浆的泛碱问题。大部分泛碱的临界条件是低温和高湿，人们采用许多不 同的试验过程对泛碱进行模拟。我们开发了一种特殊的“双室气候箱”来评价泛碱现象。作 者对采用最新开发的一种抗泛碱产品改性的彩色抹灰砂浆所进行的试验证实了这一评价方 法的有效性。1. 引言泛碱是由于盐分沉积在矿物建筑材料如混凝土、砂浆或砖墙的表面引起的。在建筑行业这是 一个大家所熟知的问题，早在19世纪人们就已经大量描述了砌筑墙体的泛碱现象。目前， 泛碱对于装饰砂浆如彩色抹灰砂浆和瓷砖填缝剂而言依然是一个令人头痛的问题。泛碱通常不会造成砂浆明显的破坏，而主要是影响产品的感官质量。泛碱经常在建筑物投入 使用后的很短时间内产生，此时正是工人、建筑师和业主对新建筑物外观质量最关心的时候。 特别是当彩色砂浆的颜色较深时，表面形成的白斑会引起对比度强烈的不规则斑痕。泛碱在大部分情况下是由于多孔建筑材料中的水溶性组份随孔隙水迁移到表面引起的。当传 输媒质蒸发时，溶解在水中的组份沉淀后就会在材料表面形成盐的堆积物。泛碱的形成与环境有关，很难完全消除。一些处理方法如酸洗只能暂时解决问题，泛碱在经 过一段时间后常常再次出现。表1列出了矿物建筑材料最常见的泛碱形式。我们的研究集中在CaCO3形成方面，因为它是装饰砂浆表面如彩色抹灰、填缝剂或饰面层产 生泛碱最典型的原因。尽管大家对泛碱的主要担心来自于装饰表面的美观性，但其它类型的砂浆如瓷砖胶或自流平 垫层砂浆也会出现同样的问题，因为形成CaCO3薄壳即碳化的原理是一样的。如果碳化反应 发生在最初阶段，就会影响到硬化砂浆的表面性能以及最终的划伤硬度或粘结性能。表1：泛碱物质的化学组成和来源(Henning和Knofel 1997)化学组成来源Ca(OH)2从混凝土和砂浆中析出。CaSO4 . 2H2O碱性硫酸盐与石灰类物质反应；SO2 与空气中的湿气反应形成H2SO3。MgSO4 . nH2O如果使用海水作为拌合水。CaCl2. nH2O如果在混凝土或砂浆中作为抗冻剂使 用。MgCl2 . nH2O如果使用海水作为拌合水。CaCO3Ca（OH）2与空气中的CO2反应。KCl, NaCl来自除冰盐。Ca(NO3)2. nH2O如果含N的有机物分解并进一步与 Ca2+反应。图1:出现泛碱现象的水泥基抹灰砂浆2. 泛碱的典型形成机理当盐分溶解在孔隙水中并迁移到砂浆表面沉淀下来时，就会出现泛碱现象。砂浆中的孔隙一 定不会完全被水充满，即使附着在孔壁上的水膜层较薄也足以使图2所示的反应发生。在波特兰水泥基材料中CaCO3是形成泛碱的最典型相。波特兰水泥的水化产物氢氧化钙溶解 于附着在孔壁上的水膜层中形成Ca2 +和OH一。大气中的CO2气体扩散到孔隙中，并溶解在 上述同一水膜层中，部分形成碳酸（H2CO3）。随后发生的炭化即氢氧化钙和碳酸之间的中 和反应形成了几乎不溶解的CaCO3 （图2）沉淀。水泥基材料空气水膜层图2：水泥基系统中CaCO3的形成简图。温度、湿度和风对泛碱有显著影响。一般来说泛碱是季节性问题，大部分情况下在冬季出现， 因为在此季节（i）水的蒸发速度变慢使盐分可以迁移到砂浆的表面以及（ii）低温使水在 砂浆表面产生冷凝。泛碱基本上可以分为两种类型即初次泛碱和二次泛碱。初次泛碱施工数天或数周后在砂浆的凝结和硬化过程中发生，原因或者是由于砂浆中多余水分向外面 的迁移或者是由于苛刻的气候条件（低温、高湿）引起了如上所述的碳化反应（图2）。二次泛碱 可以在施工数年后发生，原因是由于砂浆与水接触如湿气冷凝或者水的渗透，处于干湿循环 状态下的砂浆就是一个例子。二次泛碱所发生的反应与初次泛碱是一样的，但它所产生的斑 痕常常比后者更加不均匀（Bensted，2000）。3. 实验室测试泛碱的方法可以找到测试砖类材料泛碱危险性的工业标准（ASTM C 67或CSA A82.2），但对彩色砂浆 还没有类似的标准。这说明泛碱试验在建筑工业中很难有统一的方法。笔者所知的所有关于 泛碱的测试基本上采用以下三个方法进行：（1）将砂浆表面润湿（如喷水）然后干燥来模拟室外雨水、飞溅水或雾的冷凝水的影响。试 验过程可以在水箱或室外通过多次干湿循环重复进行。图3：产生CaCO3泛碱的彩色砂浆表面的反射光显微照片。注意在图中大孔隙的边缘形成了大量的CaCO3沉淀物。在该孔隙的外缘没有 出现泛碱。从该孔隙进一步向外观察（照片左侧），泛碱产物形成小的团块（小于100 mm）堆积在小孔隙的出口位置。菱形矿物为典型的方解石晶体，是最常见的CaCO3（Cc）。（2）将砂浆样品的下半部分浸入到水中（参见Ritchie, I960）或放置在吸了水的海绵上（参 见Constantinou等，2001）使毛细水透过多孔的砂浆。当孔隙水到达砂浆表面时会蒸发并 产生溶解组份的沉淀。（3）将砂浆样品置于一个“双室气候箱”内。样品两侧不同的气候条件（温度和湿度）会引 起冷凝、毛细水流动和蒸发。Elotex易来泰实验室泛碱试验就是基于这一原理设计的（见 图5）。本测试是将镘抹好的新鲜砂浆置于试验设备上来检验其初次泛碱行为（详情见第四 节）。从出现泛碱问题的报告中可以了解到施工期间和施工之后的低温和高湿度是形成初次 泛碱的临界气候条件。因此，我们在实验室对泛碱的测试就是在这样的条件下进行的。4. 实验室泛碱试验结果试验时将干砂浆与水拌和，将其镘抹在多孔瓷砖上，然后立即放置在试验装置上。试验装置 内部的气候条件是温暖和潮湿的，整个装置存放在低温室内。通过这样的试验，可以在几天 内检测到泛碱形成的可能性。试验结果是可重复的。将按表2所示配方制备的彩色砂浆在多孔瓷砖上批涂2 mm后，然后立即放置在试验装置上， 7天后用肉眼和光学显微镜检查试件）。空白砂浆（未掺添加剂）出现了明显的泛碱；而掺 加了 0.2% Elotex ERA100的彩色砂浆没有出现泛碱。表2：彩色砂浆的测试配方，配比为占干砂浆的比例。彩色砂浆参数配方白色波特兰水泥27.95石英砂70.00铁红（颜料）2.00纤维素醚0.05水（每100份十砂浆）18.00图5： Elotex检测初次泛碱可能性的试验装置。图中所示有四个试验箱，每一个可放置10件样品。掺加ERA100的彩色砂浆空白砂浆未掺添加剂图6：根据Elotex易来泰实验室泛碱试验获得的结果。左侧为未掺加ERA添加剂的彩色砂 浆配方；右侧为掺0.2% Elotex ERA100的彩色砂浆配方。.5. “泛碱一预防优于处治”（Bensted, 2000）由于清除泛碱产生的残存盐分需要花很大的力气和很多时间，因此最好的方法就是预防泛碱 的形成。目前有不同的处理方式：a）封闭表面一个造价较高的预防泛碱的方法是使用不透水的涂层来保护制品。除了额外增加的材料成本，还需要另外一道施工步骤。b）混合胶凝材料系统 硅酸三钙（C3S；见下面的缩写指南）是普通波特兰水泥的主要熟料矿物相。由于波特兰水 泥熟料的Ca/Si比较水化硅酸钙相（C-S-H）的钙硅比高得多，C3S水化后形成大量的Ca（OH）2（在反应1中简写为CH）。以Ca（OH）2的形式存在的多余Ca是水泥基系统中泛碱的主要来 源。C3S + H d C-S-H + CH （反应 1）（氧化物名称简写：C： Ca； S： SiO2； $： SO3； H： H2O； A： A12O3）Constantinou等（2001）的方法是通过配制混合胶凝材料系统来避免Ca（OH）2的形成，在 该系统中额外添加铝酸钙、硫酸钙和活性二氧化硅，添加得比例是在水化时可以按反应2 形成钙钒石。C3S + CA + C$ + H d C3AX3CSXH32 + C-S-H （反应 2）（钙钒石）不过也有报道说钙钒石也是一个形成泛碱的矿物（Henning和Knofel, 1997）。c）采用微米尺寸的颗粒堵塞毛细孔通过添加细填料如气相法二氧化硅、偏高岭土或石灰石粉堵塞孔隙可以降低泛碱。d）添加Ca2+消耗剂另一个减少泛碱的方法是加入反应性二氧化硅。波特兰水泥水化（反应1）产生的过剩氢氧 化钙与可溶性二氧化硅（无定形二氧化硅）例如天然火山灰（如凝灰岩）或人工火山灰（如 硅灰）进一步反应形成C-S-H （反应3）。C3S + H d C-S-H + CH （反应 1）CH + S d C-S-H （反应 3）e）掺加特殊添加剂的组合方法特殊的粉状添加剂ERA100和Elotex ERASEAL120可以在许多情况下预防泛碱的发生。它们 再分散以后可以形成尺寸为几个mm的小颗粒。这些小颗粒可以封闭孔隙降低水的迁移。此 外，这些添加剂还具有束缚自由Ca2+的潜力，而又不会对水泥的水化产生缓凝作用。两种添加剂均为粉末产品，可以直接用于干拌砂浆。另一个优点是它们在低掺量下即已表现 出良好的效果（图6）。在偏光显微镜下可以清楚地观察到这样的结果（图7）。未掺添加剂的空白砂浆未掺添加剂的空白砂浆气孔石英砂石英砂泛碱图7：偏光显微镜下砂浆表面的光学显微照片（带补偿器的正交偏光显微镜）。左图：空白砂浆，形成约10mm厚具有高双折射颜色的泛碱矿物薄壳，为典型的方解石。右 图：掺加0.2% ERA100改性的相同砂浆配方，砂浆表面未出现泛碱。