干粉砂漿中各組分對(duì)性能影響的研究

[摘　要] 　干粉砂漿是一種由水泥、砂子、礦物摻合料、化學(xué)添加劑等均勻混合而成的新型建筑材料。本文主要探討了礦物摻合料、化學(xué)添加劑和砂對(duì)砂漿性能的影響。

[關(guān)鍵詞] 　干粉砂漿；　膠凝材料；　礦物摻合料；　化學(xué)添加劑

0 　前言

傳統(tǒng)砂漿一般都在施工現(xiàn)場(chǎng)拌制，砂漿抗?jié)B性差、收縮值大，工作性能也不理想，常常造成粉刷開裂、起殼、滲漏等建筑質(zhì)量問(wèn)題。而且，現(xiàn)場(chǎng)配制砂漿的計(jì)量不是很準(zhǔn)確，不可避免地造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。為了使質(zhì)量得到更好的控制和更高效率的施工，干粉砂漿開始替代現(xiàn)場(chǎng)拌制的傳統(tǒng)砂漿，無(wú)論從節(jié)約投資、提高工程質(zhì)量，還是減少環(huán)境污染和施工現(xiàn)場(chǎng)占有量等方面都具有特殊優(yōu)越性。近年來(lái)，為了提高和穩(wěn)定砂漿質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)文明施工和保護(hù)環(huán)境，我國(guó)部分大城市已開始推行商品砂漿。而且干粉砂漿已列入我國(guó)21 世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的十大建筑材料之一。

1 　試驗(yàn)材料

水泥采用廣州市某立窯廠生產(chǎn)的3215R 普通硅酸鹽水泥，比表面積380m2/ kg ，化學(xué)成分見表1 。

砂采用細(xì)度模數(shù)為219 的建筑用黃砂，密度為2167 g/ cm3 ，含泥量小于0.5 % ，其級(jí)配見表2 。水使用自來(lái)水。

采用的礦物摻合料為粉煤灰、礦渣和硅灰。粉煤灰為廣州市黃埔發(fā)電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰，含水量0.16 % ， 0.045mm 篩余為13.7 % ，密度為2.1g/ cm3 ，比表面積為368m2/ kg ；礦渣為廣州市鳳山實(shí)業(yè)公司生產(chǎn)，密度為2.87g/ cm3 ，比表面積為334m2/ kg。硅灰為某鐵合金廠生產(chǎn)密度為2.18g/ cm3 ，比表面積20000m2/ kg ，各種礦物摻合料化學(xué)成分見表1 。外加劑A 是一種黃色粉末狀的萘系高效減水劑；外加劑B 是以木鈣為主要成分的一種黃色粉末狀塑化劑；外加劑C 是一種木鈣減水劑；外加劑D 是一種白色粉末狀的纖維素醚。

2 　試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)中通過(guò)檢測(cè)砂漿的稠度、分層度、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B壓力、粘結(jié)強(qiáng)度、收縮率等，探討各組分對(duì)砂漿性能的影響，尤其是影響砂漿耐久性的收縮率。

2.1 　試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

砂漿的攪拌制備及其稠度、分層度、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、收縮率的測(cè)定均按照J(rèn) GJ 70 - 90《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)和抗?jié)B性試驗(yàn)分別按照DL/ T5126 - 2001《聚合物改性砂漿試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

2.2 　砂灰比對(duì)砂漿的影響

因?yàn)閺?qiáng)度是一個(gè)較能綜合反應(yīng)砂漿性能的指標(biāo)，所以根據(jù)砂灰比與強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定適當(dāng)?shù)纳盎冶取?/p>

從砂灰比- 強(qiáng)度曲線可以看出，曲線上存在一個(gè)最高峰，即存在一個(gè)最佳的灰砂比使得砂漿試體具有最高的強(qiáng)度，從圖1 可以看出，當(dāng)水灰比為0.45 ，砂灰比為2.5～3 時(shí)砂漿可獲得較高的強(qiáng)度，且當(dāng)砂灰比為3 時(shí)砂漿的強(qiáng)度最高。由于在配方中還加入一定量的其他礦物摻合料，可節(jié)省一部分水泥，所以我們選用2.5 的砂灰比作為試驗(yàn)的基礎(chǔ)。

圖1 　砂灰比2抗壓強(qiáng)度曲線圖

2.3 　集料對(duì)砂漿性能的影響

砂子作為其中的一個(gè)組分，它的細(xì)度模數(shù)和顆粒級(jí)配對(duì)砂漿的性能有一定的影響，砂子的細(xì)度模數(shù)較高時(shí)可以獲得比較高的抗?jié)B壓力，當(dāng)砂子的細(xì)度模數(shù)越小，它的顆粒數(shù)越多，總表面積越大，空隙率也越高，顆粒表面所需的吸附水也增多，顆粒界面之間所需的水泥漿也隨之增加。因而在滿足施工稠度的條件下所需單位用水量較多。這就造成了粘結(jié)、包裹砂子顆粒之間空隙的水泥漿少，使得細(xì)集料顆粒之間缺少粘結(jié)物質(zhì)，降低了顆粒間的粘結(jié)性能，使新拌砂漿的和易性降低，顆粒間間隙未能完全填充密實(shí)，從而容易產(chǎn)生孔隙，影響砂漿的抗?jié)B性能。所以一般選用中砂或者粗砂，在試驗(yàn)中我們選擇了中砂。對(duì)于級(jí)配比較好的中砂或者粗砂，一般要求0.63mm 篩的累計(jì)篩余大于70 % ， 0.315mm 篩的累計(jì)篩余為85 %～ 95 % ，而0.15mm 篩的篩余大于98 %[1 ] 。

2.4 　摻合料的選擇

以不同的摻合料不同的摻量取代水泥進(jìn)行砂漿試驗(yàn)，灰砂比均為014 ，在表4 中， FA 表示粉煤灰， G 表示硅灰，K表示礦渣，水灰比均為0.5 。

從圖2 中可以看出，摻加粉煤灰的砂漿的收縮率要低于空白砂漿，而且隨著取代量增加收縮值降低，取代量為10 %、25 %、50 %的砂漿7 天齡期的收縮率分別為空白樣的68.1 %、67.0 %和83.5 %；56 天齡期的收縮率分別為空白樣的82.8 %、75.3 %、74.7 %。摻加硅灰的砂漿增加了其收縮率，取代量為5 %、10 % 。

砂漿的7 天齡期收縮率分別為空白樣的143.7 %、154.4 %； 56 天齡期的收縮率分別為空白樣的129.3 %和113.1 %。摻礦渣的砂漿使收縮率增加，取代量為10 %、25 %、50 %的砂漿56 天齡期收縮率分別為空白樣的107.1 %、106.2 %和106.6 % ，可見取代量的變化對(duì)56 天齡期的收縮率影響很小。在強(qiáng)度的影響方面，摻粉煤灰的砂漿強(qiáng)度降低明顯，取代量為10 %、25 %、50 %的砂漿28 天齡期其強(qiáng)度分別為空白樣的96.1 %、82.8 %、51.3 % ，所以在強(qiáng)度要求較高的砂漿中不能摻加過(guò)多的粉煤灰。硅灰的摻加提高了砂漿各齡期的強(qiáng)度，取代量為5 %、10 %砂漿28 天齡期的強(qiáng)度分別為空白樣的10516 %和11717 %。礦渣的摻入會(huì)使砂漿的強(qiáng)度增加，但是取代量對(duì)28 天齡期的強(qiáng)度影響很小，取代量為10 %、25 %、50 %的砂漿。

28 天齡期的抗壓強(qiáng)度分別為空白樣的102.0 %、103.1 %和102.3 %。對(duì)于抗?jié)B壓強(qiáng)，少量的摻入粉煤灰可以增強(qiáng)抗?jié)B能力，但是摻量過(guò)大的時(shí)候反而會(huì)降低其抗?jié)B能力。硅灰和礦渣的加入都會(huì)增加砂漿的抗?jié)B壓強(qiáng)。

用礦物摻合料部分取代水泥對(duì)砂漿性能的影響機(jī)理是由于以下原因引起的：

(1) 由于礦物摻合料的粒徑分布與水泥不同，礦物摻合料的加入導(dǎo)致整個(gè)膠結(jié)材料的粒徑分布發(fā)生變化，使得新拌砂漿中各粒子群的級(jí)配發(fā)生變化，進(jìn)而改變硬化水泥石和過(guò)渡區(qū)的孔結(jié)構(gòu)。如果礦物摻合料的粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水泥，則產(chǎn)生充填作用，使孔細(xì)化。

(2) 礦物摻合料對(duì)水的吸附能力與水泥不同，加上比表面積的不同，當(dāng)用礦物摻合料部分取代水泥后，就會(huì)使得漿體中游離水的數(shù)量發(fā)生變化。一般情況下，礦物摻合料吸附水的能力比水泥低，但比表面積較大又增加吸附水量，這兩種相反作用的統(tǒng)一既有可能增加游離水，從而增加孔體積，也可能是減少游離水，從而減少孔體積。礦物摻合料的種類、比表面積和摻量決定了游離水的數(shù)量，游離水的數(shù)量的改變同時(shí)也改變了膠結(jié)材料顆粒的絮凝情況，這也會(huì)影響硬化水泥石和過(guò)渡區(qū)的孔結(jié)構(gòu)。

(3) 當(dāng)摻加礦物摻合料后，膠結(jié)材料的總體水化速度將會(huì)改變，從而使得硬化水泥石和過(guò)渡區(qū)的水化產(chǎn)物和數(shù)量也發(fā)生改變。

水化產(chǎn)物和孔結(jié)構(gòu)的改變對(duì)砂漿的強(qiáng)度、滲透性及干縮性能產(chǎn)生影響。對(duì)于不同種類和摻量的礦物摻合料而言，上述三個(gè)方面的影響程度是不同的，所以摻加不同種類和摻量礦物摻合料的砂漿表現(xiàn)出不同的性能。

2.5 　化學(xué)外加劑對(duì)砂漿性能的影響　

分別選取外加劑A、B、C 及A 與B、A 與C 和A 與D 作為不同的外加劑組合進(jìn)行砂漿試驗(yàn)，根據(jù)干粉砂漿在使用的時(shí)候稠度需要控制在70mm～90mm 的范圍內(nèi)，表5 中各配比的水灰比為0145 。各種外加劑對(duì)砂漿性能的影響見表5 、表6 ，表5 中抗壓強(qiáng)度，抗?jié)B壓力，粘結(jié)強(qiáng)度均為28 天測(cè)試值。

從表5 中可以看出以適當(dāng)?shù)耐饧觿搅亢退冶瓤刂屏撕线m的稠度和分層度。加入外加劑A 時(shí)對(duì)砂漿的收縮率影響很小，對(duì)收縮率有輕微的降低作用，56 天齡期的收縮率為空白樣的96.2 %。外加劑B、C 的加入使得收縮率大幅度增加，其56 天齡期的收縮率分別為空白樣的114.1 %和148.1 %。A 與B 的低摻量復(fù)合使用時(shí)其收縮率分別比單獨(dú)使用時(shí)都要低，其56 天齡期的收縮率分別為A 與B 單獨(dú)使用時(shí)的9314 %、7818 % ，空白樣的8919 %。A 與C 的復(fù)合使用也使得收縮率與單獨(dú)使用C 時(shí)相比有較大幅度的降低，其56 天齡期的收縮率為單獨(dú)使用C 時(shí)的74.8 %。D 的加入使得砂漿的各方面性能都有一定的改善，特別是分層度有了大幅度降低，各齡期的收縮率都有下降。

綜上所述，化學(xué)外加劑A、B、C 作為3 種性質(zhì)不同的減水劑對(duì)砂漿的作用各不相同，萘系減水劑A 對(duì)砂漿的收縮有一定的降低作用，B 和C 由于都含有木質(zhì)素璜酸鹽成分，當(dāng)其摻量較低時(shí)可以使得收縮率降低，但是摻量超過(guò)一定的范圍時(shí)會(huì)使得收縮率大幅度增加。

水泥和水接觸后會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)，首先表現(xiàn)為水泥粒子強(qiáng)烈地吸附水，并散開在水中。但是，這種水泥分散體系是非常不穩(wěn)定的體系，粒子的高表面能使它們很容易重新聚集，較小粒子更容易聚集成絮凝(或凝聚) 狀態(tài)，而把相當(dāng)一部分游離水包裹在絮凝水泥粒子之間，降低了新拌水泥漿體的流動(dòng)性。減水劑能夠提高水泥聚集體的分散度，改變吸附水和游離水的比例，提高游離水的數(shù)量，從而提高水泥漿的流動(dòng)性和穩(wěn)定性。其具體作用如下所述。第一，水泥水化釋放出來(lái)的鈣離子(帶正電荷) 在水泥顆粒(帶負(fù)電荷) 表面吸附使水泥粒子帶正電荷，而帶負(fù)電荷的減水劑分子將吸附在鈣離子上，從而使水泥顆粒表面形成帶負(fù)電荷的溶劑化(含水) 膜。這種帶負(fù)電荷的溶劑化膜的存在，首先降低了水泥粒子的表面能，使水泥分散體的熱力學(xué)不穩(wěn)定性降低，獲得相對(duì)穩(wěn)定性；第二，增大了水泥表面粒子的動(dòng)電電位，增大水泥粒子之間的靜電斥力，從而破壞水泥粒子之間的絮凝結(jié)構(gòu)使水泥粒子分散；第三，溶劑化膜本身阻止絮凝結(jié)構(gòu)的形成，產(chǎn)生空間保護(hù)作用；第四，由于溶劑化膜的存在，使得水泥初期的水化受到抑制，從而提高游離水的數(shù)量，提高水泥漿的流動(dòng)性。如上所述，減水劑的加入能使得水泥顆粒更加分散，團(tuán)聚粒子的粒徑變小。不摻加減水劑的水泥懸浮體中團(tuán)聚粒子直徑大部分在50μm 以上，而摻加2 % 的高效減水劑后，由于分散作用使水泥懸浮體大部分團(tuán)粒子直徑在40μm 以下(主要是10μm～20μm) ，相當(dāng)于水泥顆粒原來(lái)的大小，即水泥顆粒的絮凝體被分散[2 ] 。

由于減水劑是吸附在水泥顆粒表面形成靜電斥力或溶劑化膜來(lái)使得水泥顆粒分散，所以減水劑的加入將使水泥的加水初期的水化變得緩慢。在低水灰比下，高效減水劑的摻量越大， 混凝土的凝結(jié)越慢[3 ，4 ] 。文獻(xiàn)[5 ]也指出，在摻加減水劑以后，減水劑將吸附在未水化水泥的表面形成吸附層，從而提高之電位，使得水泥顆粒分散，這種吸附也使得水進(jìn)入的速度減慢，因此也可能使水化放慢。這種減水劑的緩凝作用可能使得在同樣齡期時(shí)，水泥的水化率降低，從而使毛細(xì)孔變粗。

另外，由于減水劑使吸附在水泥顆粒表面的，當(dāng)水泥水化后，減水劑將存在于水泥水化產(chǎn)物中，被水泥水化產(chǎn)物所包圍、覆蓋。減水劑的存在也可能使得水泥水化產(chǎn)物的形貌和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在水泥漿體中摻加磺化三聚氰胺甲醛縮合物既影響氫氧化鈣的形貌，又改變結(jié)晶尺寸，氫氧化鈣結(jié)晶尺寸總的來(lái)說(shuō)變小，并從原來(lái)的塊狀轉(zhuǎn)化為板狀[6 ] 。除了氫氧化鈣的形貌和結(jié)晶尺寸變化外，C - S - H 凝膠的結(jié)構(gòu)也可能會(huì)由于減水劑的加入而變得更加疏松；由于減水劑是高分子物質(zhì)，其變形能力較C - S - H 強(qiáng)，所以C - S - H 凝膠中含有減水劑可能使得C - S - H 更容易變形，從而更容易被壓縮，而且這種作用在使用多支鏈的減水劑時(shí)可能比直鏈的減水劑更強(qiáng)。減水劑的加入還可能對(duì)溶液的表面張力產(chǎn)生影響，溶液表面張力的降低將減小毛細(xì)孔張力，從而使干縮值降低。有些種類的減水劑還有一定的引氣作用，引入的氣泡使砂漿的強(qiáng)度降低，從而使得砂漿的抗變形能力下降從而增加干縮值。綜上所述，減水劑對(duì)砂漿性能的影響是非常復(fù)雜的，需要從多方面考慮。

3 　結(jié)論

(1) 干粉砂漿的集料應(yīng)該選擇級(jí)配良好的中砂，過(guò)細(xì)或者過(guò)粗都不利于干粉砂漿的整體性能。

(2) 不同種類和摻量的礦物摻合料對(duì)砂漿的影響不同，尤其是礦物摻合料的種類對(duì)砂漿的強(qiáng)度和收縮率影響較大。硅灰和礦渣均使得砂漿的強(qiáng)度和收縮率增大，而粉煤灰使得砂漿的強(qiáng)度和收縮率均降低。

(3) 在獲得合適的稠度和分層度(即良好的工作性能) 條件下，不同的化學(xué)外加劑對(duì)砂漿的性能影響差別很大。萘系減水劑使收縮率稍有降低，而木鈣減水劑在摻量較高時(shí)收縮率增大，在摻量較低時(shí)收縮率明顯降低。兩者復(fù)合使用可以獲得良好的效果。

(4) 不同的摻合料和化學(xué)外加劑對(duì)砂漿的性能影響都較復(fù)雜，在使用過(guò)程中需要根據(jù)對(duì)砂漿的性能不同的具體要求進(jìn)行選擇。

[參考文獻(xiàn)]

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[ 2 ]陳建奎. 混凝土外加劑的原理與應(yīng)用[M] . 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社， 1997.

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[ 6 ]馮乃謙，刑鋒. 高性能混凝土技術(shù)[M] . 北京:原子能出版社，2000 : 307 - 310.

[作者簡(jiǎn)介] 　高敏，1978 年生，男，湖北公安人，主要從事新型建材的研究與開發(fā)。

[單位地址] 　廣州華南理工大學(xué)材料學(xué)院2002 碩士研究生(510640)

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