干粉砂浆中各组分对性能影响的研究

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[摘　要] 　干粉砂浆是一种由水泥、砂子、矿物掺合料、化学添加剂等均匀混合而成的新型建筑材料。本文主要探讨了矿物掺合料、化学添加剂和砂对砂浆性能的影响。

[关键词] 　干粉砂浆；　胶凝材料； 　矿物掺合料； 　化学添加剂

0 　前言

传统砂浆一般都在施工现场拌制，砂浆抗渗性差、收缩值大，工作性能也不理想，常常造成粉刷开裂、起壳、渗漏等建筑质量问题。而且，现场配制砂浆的计量不是很准确，不可避免地造成资源浪费和环境污染。为了使质量得到更好的控制和更高效率的施工，干粉砂浆开始替代现场拌制的传统砂浆，无论从节约投资、提高工程质量，还是减少环境污染和施工现场占有量等方面都具有特殊优越性。近年来，为了提高和稳定砂浆质量，实现文明施工和保护环境，我国部分大城市已开始推行商品砂浆。而且干粉砂浆已列入我国21 世纪重点发展的十大建筑材料之一。

1 　试验材料

水泥采用广州市某立窑厂生产的3215R 普通硅酸盐水泥，比表面积380m2/ kg ，化学成分见表1 。

砂采用细度模数为219 的建筑用黄砂，密度为2167 g/ cm3 ，含泥量小于0.5 % ，其级配见表2 。水使用自来水。

采用的矿物掺合料为粉煤灰、矿渣和硅灰。粉煤灰为广州市黄埔发电厂Ⅱ级粉煤灰，含水量0.16 % ， 0.045mm 筛余为13.7 % ，密度为2.1g/ cm3 ，比表面积为368m2/ kg ；矿渣为广州市凤山实业公司生产，密度为2.87g/ cm3 ，比表面积为334m2/ kg。硅灰为某铁合金厂生产密度为2.18g/ cm3 ，比表面积20000m2/ kg ， 各种矿物掺合料化学成分见表1 。外加剂A 是一种黄色粉末状的萘系高效减水剂； 外加剂B 是以木钙为主要成分的一种黄色粉末状塑化剂；外加剂C 是一种木钙减水剂；外加剂D 是一种白色粉末状的纤维素醚。

2 　试验方法

在试验中通过检测砂浆的稠度、分层度、凝结时间、抗压强度、抗渗压力、粘结强度、收缩率等，探讨各组分对砂浆性能的影响，尤其是影响砂浆耐久性的收缩率。

2.1 　试验标准

砂浆的搅拌制备及其稠度、分层度、凝结时间、抗压强度、收缩率的测定均按照J GJ 70 - 90《建筑砂浆基本性能试验方法》进行。砂浆的粘结强度试验和抗渗性试验分别按照DL/ T5126 - 2001《聚合物改性砂浆试验规程》进行。

2.2 　砂灰比对砂浆的影响

因为强度是一个较能综合反应砂浆性能的指标， 所以根据砂灰比与强度试验结果来确定适当的砂灰比。

从砂灰比- 强度曲线可以看出，曲线上存在一个最高峰，即存在一个最佳的灰砂比使得砂浆试体具有最高的强度，从图1 可以看出，当水灰比为0.45 ，砂灰比为2.5～3 时砂浆可获得较高的强度，且当砂灰比为3 时砂浆的强度最高。由于在配方中还加入一定量的其他矿物掺合料，可节省一部分水泥，所以我们选用2.5 的砂灰比作为试验的基础。

图1 　砂灰比2抗压强度曲线图

2.3 　集料对砂浆性能的影响

砂子作为其中的一个组分，它的细度模数和颗粒级配对砂浆的性能有一定的影响，砂子的细度模数较高时可以获得比较高的抗渗压力，当砂子的细度模数越小，它的颗粒数越多，总表面积越大，空隙率也越高，颗粒表面所需的吸附水也增多，颗粒界面之间所需的水泥浆也随之增加。因而在满足施工稠度的条件下所需单位用水量较多。这就造成了粘结、包裹砂子颗粒之间空隙的水泥浆少，使得细集料颗粒之间缺少粘结物质，降低了颗粒间的粘结性能，使新拌砂浆的和易性降低，颗粒间间隙未能完全填充密实，从而容易产生孔隙，影响砂浆的抗渗性能。所以一般选用中砂或者粗砂，在试验中我们选择了中砂。对于级配比较好的中砂或者粗砂，一般要求0.63mm 筛的累计筛余大于70 % ， 0.315mm 筛的累计筛余为85 %～ 95 % ，而0.15mm 筛的筛余大于98 %[1 ] 。

2.4 　掺合料的选择

以不同的掺合料不同的掺量取代水泥进行砂浆试验，灰砂比均为014 ，在表4 中， FA 表示粉煤灰， G 表示硅灰，K表示矿渣，水灰比均为0.5 。

从图2 中可以看出，掺加粉煤灰的砂浆的收缩率要低于空白砂浆，而且随着取代量增加收缩值降低， 取代量为10 %、25 %、50 %的砂浆7 天龄期的收缩率分别为空白样的68.1 %、67.0 %和83.5 %；56 天龄期的收缩率分别为空白样的82.8 %、75.3 %、74.7 %。掺加硅灰的砂浆增加了其收缩率，取代量为5 %、10 % 。

砂浆的7 天龄期收缩率分别为空白样的143.7 %、154.4 %； 56 天龄期的收缩率分别为空白样的129.3 %和113.1 %。掺矿渣的砂浆使收缩率增加，取代量为10 %、25 %、50 %的砂浆56 天龄期收缩率分别为空白样的107.1 %、106.2 %和106.6 % ，可见取代量的变化对56 天龄期的收缩率影响很小。在强度的影响方面，掺粉煤灰的砂浆强度降低明显，取代量为10 %、25 %、50 %的砂浆28 天龄期其强度分别为空白样的96.1 %、82.8 %、51.3 % ，所以在强度要求较高的砂浆中不能掺加过多的粉煤灰。硅灰的掺加提高了砂浆各龄期的强度，取代量为5 %、10 %砂浆28 天龄期的强度分别为空白样的10516 %和11717 %。矿渣的掺入会使砂浆的强度增加，但是取代量对28 天龄期的强度影响很小，取代量为10 %、25 %、50 %的砂浆。

28 天龄期的抗压强度分别为空白样的102.0 %、103.1 %和102.3 %。对于抗渗压强，少量的掺入粉煤灰可以增强抗渗能力，但是掺量过大的时候反而会降低其抗渗能力。硅灰和矿渣的加入都会增加砂浆的抗渗压强。

用矿物掺合料部分取代水泥对砂浆性能的影响机理是由于以下原因引起的：

(1) 由于矿物掺合料的粒径分布与水泥不同，矿物掺合料的加入导致整个胶结材料的粒径分布发生变化，使得新拌砂浆中各粒子群的级配发生变化，进而改变硬化水泥石和过渡区的孔结构。如果矿物掺合料的粒径远远小于水泥，则产生充填作用，使孔细化。

(2) 矿物掺合料对水的吸附能力与水泥不同，加上比表面积的不同，当用矿物掺合料部分取代水泥后，就会使得浆体中游离水的数量发生变化。一般情况下，矿物掺合料吸附水的能力比水泥低，但比表面积较大又增加吸附水量，这两种相反作用的统一既有可能增加游离水，从而增加孔体积，也可能是减少游离水，从而减少孔体积。矿物掺合料的种类、比表面积和掺量决定了游离水的数量，游离水的数量的改变同时也改变了胶结材料颗粒的絮凝情况，这也会影响硬化水泥石和过渡区的孔结构。

(3) 当掺加矿物掺合料后，胶结材料的总体水化速度将会改变，从而使得硬化水泥石和过渡区的水化产物和数量也发生改变。

水化产物和孔结构的改变对砂浆的强度、渗透性及干缩性能产生影响。对于不同种类和掺量的矿物掺合料而言，上述三个方面的影响程度是不同的，所以掺加不同种类和掺量矿物掺合料的砂浆表现出不同的性能。

2.5 　化学外加剂对砂浆性能的影响　

分别选取外加剂A、B、C 及A 与B、A 与C 和A 与D 作为不同的外加剂组合进行砂浆试验，根据干粉砂浆在使用的时候稠度需要控制在70mm～90mm 的范围内，表5 中各配比的水灰比为0145 。各种外加剂对砂浆性能的影响见表5 、表6 ，表5 中抗压强度，抗渗压力，粘结强度均为28 天测试值。

从表5 中可以看出以适当的外加剂掺量和水灰比控制了合适的稠度和分层度。加入外加剂A 时对砂浆的收缩率影响很小，对收缩率有轻微的降低作用，56 天龄期的收缩率为空白样的96.2 %。外加剂B、C 的加入使得收缩率大幅度增加，其56 天龄期的收缩率分别为空白样的114.1 %和148.1 %。A 与B 的低掺量复合使用时其收缩率分别比单独使用时都要低，其56 天龄期的收缩率分别为A 与B 单独使用时的9314 %、7818 % ，空白样的8919 %。A 与C 的复合使用也使得收缩率与单独使用C 时相比有较大幅度的降低，其56 天龄期的收缩率为单独使用C 时的74.8 %。D 的加入使得砂浆的各方面性能都有一定的改善，特别是分层度有了大幅度降低，各龄期的收缩率都有下降。

综上所述，化学外加剂A、B、C 作为3 种性质不同的减水剂对砂浆的作用各不相同，萘系减水剂A 对砂浆的收缩有一定的降低作用，B 和C 由于都含有木质素璜酸盐成分，当其掺量较低时可以使得收缩率降低，但是掺量超过一定的范围时会使得收缩率大幅度增加。

水泥和水接触后会发生水化反应，首先表现为水泥粒子强烈地吸附水，并散开在水中。但是，这种水泥分散体系是非常不稳定的体系，粒子的高表面能使它们很容易重新聚集，较小粒子更容易聚集成絮凝(或凝聚) 状态，而把相当一部分游离水包裹在絮凝水泥粒子之间，降低了新拌水泥浆体的流动性。减水剂能够提高水泥聚集体的分散度，改变吸附水和游离水的比例，提高游离水的数量，从而提高水泥浆的流动性和稳定性。其具体作用如下所述。第一，水泥水化释放出来的钙离子(带正电荷) 在水泥颗粒(带负电荷) 表面吸附使水泥粒子带正电荷， 而带负电荷的减水剂分子将吸附在钙离子上，从而使水泥颗粒表面形成带负电荷的溶剂化(含水) 膜。这种带负电荷的溶剂化膜的存在，首先降低了水泥粒子的表面能，使水泥分散体的热力学不稳定性降低，获得相对稳定性；第二，增大了水泥表面粒子的动电电位，增大水泥粒子之间的静电斥力，从而破坏水泥粒子之间的絮凝结构使水泥粒子分散；第三，溶剂化膜本身阻止絮凝结构的形成，产生空间保护作用；第四， 由于溶剂化膜的存在，使得水泥初期的水化受到抑制，从而提高游离水的数量，提高水泥浆的流动性。如上所述，减水剂的加入能使得水泥颗粒更加分散，团聚粒子的粒径变小。不掺加减水剂的水泥悬浮体中团聚粒子直径大部分在50μm 以上，而掺加2 % 的高效减水剂后，由于分散作用使水泥悬浮体大部分团粒子直径在40μm 以下(主要是10μm～20μm) ，相当于水泥颗粒原来的大小，即水泥颗粒的絮凝体被分散[2 ] 。

由于减水剂是吸附在水泥颗粒表面形成静电斥力或溶剂化膜来使得水泥颗粒分散，所以减水剂的加入将使水泥的加水初期的水化变得缓慢。在低水灰比下， 高效减水剂的掺量越大， 混凝土的凝结越慢[3 ，4 ] 。文献[5 ]也指出，在掺加减水剂以后，减水剂将吸附在未水化水泥的表面形成吸附层，从而提高之电位，使得水泥颗粒分散，这种吸附也使得水进入的速度减慢，因此也可能使水化放慢。这种减水剂的缓凝作用可能使得在同样龄期时，水泥的水化率降低， 从而使毛细孔变粗。

另外，由于减水剂使吸附在水泥颗粒表面的，当水泥水化后，减水剂将存在于水泥水化产物中，被水泥水化产物所包围、覆盖。减水剂的存在也可能使得水泥水化产物的形貌和结构发生变化。在水泥浆体中掺加磺化三聚氰胺甲醛缩合物既影响氢氧化钙的形貌，又改变结晶尺寸，氢氧化钙结晶尺寸总的来说变小，并从原来的块状转化为板状[6 ] 。除了氢氧化钙的形貌和结晶尺寸变化外，C - S - H 凝胶的结构也可能会由于减水剂的加入而变得更加疏松；由于减水剂是高分子物质，其变形能力较C - S - H 强，所以C - S - H 凝胶中含有减水剂可能使得C - S - H 更容易变形，从而更容易被压缩，而且这种作用在使用多支链的减水剂时可能比直链的减水剂更强。减水剂的加入还可能对溶液的表面张力产生影响，溶液表面张力的降低将减小毛细孔张力，从而使干缩值降低。有些种类的减水剂还有一定的引气作用，引入的气泡使砂浆的强度降低，从而使得砂浆的抗变形能力下降从而增加干缩值。综上所述，减水剂对砂浆性能的影响是非常复杂的，需要从多方面考虑。

3 　结论

(1) 干粉砂浆的集料应该选择级配良好的中砂， 过细或者过粗都不利于干粉砂浆的整体性能。

(2) 不同种类和掺量的矿物掺合料对砂浆的影响不同，尤其是矿物掺合料的种类对砂浆的强度和收缩率影响较大。硅灰和矿渣均使得砂浆的强度和收缩率增大，而粉煤灰使得砂浆的强度和收缩率均降低。

(3) 在获得合适的稠度和分层度(即良好的工作性能) 条件下，不同的化学外加剂对砂浆的性能影响差别很大。萘系减水剂使收缩率稍有降低，而木钙减水剂在掺量较高时收缩率增大，在掺量较低时收缩率明显降低。两者复合使用可以获得良好的效果。

(4) 不同的掺合料和化学外加剂对砂浆的性能影响都较复杂，在使用过程中需要根据对砂浆的性能不同的具体要求进行选择。

[参考文献]

[ 1 ]吴中伟，廉慧诊. 高性能混凝土[M] . 北京:中国铁道出版社，1999.

[ 2 ]陈建奎. 混凝土外加剂的原理与应用[M] . 北京:中国计划出版社， 1997.

[3 ]V Morin ， F Cohen Tenoudji ，A Feylessoufi. Superplasticizer effects on setting and structuration mechanisms of ultrahigh2performance concrete. Cement and Concrete Research. 2001 ，31 :63 - 71.

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

[5 ]M Y A Mollah ，WJ Adams ，R Schennach ，et al. A review of cement - superplasticizer interaction and their model. Advance in Cement Research. 2000 ，12 (4) :153 - 161.

[ 6 ]冯乃谦，刑锋. 高性能混凝土技术[M] . 北京:原子能出版社，2000 : 307 - 310.

[作者简介] 　高敏，1978 年生，男，湖北公安人，主要从事新型建材的研究与开发。

[单位地址] 　广州华南理工大学材料学院2002 硕士研究生(510640)

[联系电话] 　020 - 85294767 ；