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，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)晶尺寸總的來說變小，并從原來的塊狀轉(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， 過細(xì)或者過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:中國計(jì)劃出版社， 1997.

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[ 4 ]Ronit Bloom ，Arnon Bentur. Free and restrained shrinkage of normal and high - strength concrete. ACI Materials Joural. 1995 ，92 (2) :211 - 217.

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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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