干粉砂浆的研制及机理

干粉砂浆的研制及机理

刘江平1 ,孙振平2 ,蒋正武2
(1. 宁波华润混凝土有限公司,315000 ; 2. 同济大学混凝土材料研究国家重点实验室)

0 前言
砂浆在建筑工程中的应用量大面广, 但由于其强度等级普遍较低, 工程监控又缺乏力度, 因此, 一直沿用现场配制搅拌的作法。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。根据生产和供应形式, 商品砂浆分为干粉砂浆和预拌砂浆两种。干粉砂浆又称砂浆干粉料, 是指由专业厂家生产的, 将经干燥筛分处理的细集料和胶凝材料、外加剂、填充料等按一定比例混合而成的干粉状或颗粒状材料。而预拌砂浆则是指由水泥、砂、保水增稠材料、外加剂、掺合料和水等组分按一定比例在集中搅拌站计量、拌制后提供给建筑工地用户, 并在规定时间内使用完毕的砂浆拌合物。

与传统的现场配制砂浆相比, 商品砂浆主要有四个方面的优点, 即: 一多、二快、三好、四省[1 ]。这里的“一多”指品种多;“二快”指备料快、施工快;“三好”指保水性好、和易性好和耐久性好;“四省”则包括省工、省料、省钱和省心。可见,大力推广商品砂浆具有重要的技术、经济、环境和社会效益。相比较而言, 发达国家在砂浆商品化的进程方面起步较早, 并且已取得十分成功的开发、生产和应用经验。早在19 世纪, 奥地利就发明了预混(干) 砂浆,到20 世纪60 年代, 欧洲的预混(干) 砂浆得到迅速发展。这是因为在当时缺乏熟练工的情况下, 需简化施工程式, 更重要的是人们充分认识到了商品砂浆对优化建筑工程品质的重要性。此外, 粉状外加剂的发明和制备技术的进步亦促进了预混(干) 砂浆的发展。目前, 在人口不足8 , 000 万的德国就有100 多家预混(干) 砂浆生产厂。可见, 商品砂浆具有巨大的市场潜力。

我国直到上世纪90 年代末才开始加大宣传力度和采用政府政策引导、干预的措施,积极灌输商品砂浆的观念, 通过投入一定的人力、物力进行开发研究, 以科研单位牵头制定了一些相关规程[2~3 ] ,取得了一定的成绩。在有关标准中也纳入了已较普及的特种干粉砂浆,如墙地砖胶粘剂、界面处理剂等。虽然这些特种材料的生产和应用已经相对较成熟[4 ]。但与此相反,建筑工程中最大宗的砌筑砂浆和抹面砂浆的商品化进程却显得要相对慢一些。过去, 现场配制砂浆时普遍采用添加石灰膏的方法来改善其和易性和施工性, 但是添加石灰膏会降低砂浆的强度和耐水性, 而且由于当前石灰膏价格高,其淋制、运输和堆放均会对环境造成严重的污染, 大城市已经禁止在市内运输石灰膏。后来也有采用微沫剂配制砂浆的作法[5 ] , 但由于其对砂浆强度影响较严重, 只适用于低强度等级砂浆, 再者, 这种作法仍不能完全消除现场配料、搅拌砂浆所产生的环境污染。

为禁止石灰膏在建筑工地的使用和防止建设工程施工现场砂石堆放及砂浆搅拌所产生的粉尘污染, 强化建筑工地文明施工管理, 切实保障工程质量, 上海市建委和市环保局目前联合发文, 就进一步加强推行建设工程使用预拌(商品) 砂浆做出具体规定: 从2003年1 月1 日起, 上海市环线以内的新开工程必须使用预拌(商品) 砂浆; 2003 年7 月1 日起, 上海市外环线以内的新开工程, 以及市郊区(县) 城镇地区新开工建筑和住宅工程必须使用预拌(商品) 砂浆; 2004 年1 月1 日起, 上海市范围内新开工程全部使用预拌(商品)砂浆; 商品砂浆的生产、使用将列入文明施工、工程质量评定的检查与考核范围, 作为评比各级文明工地(场站) 、优质工程奖项的条件之一。

众所周知, 建筑砂浆由于强度等级低, 水泥用量少,和易性很难保证。作为干粉砂浆,一般是单组分包装的, 要求各种原材料必须呈干燥状态, 在现场搅拌使用时,除拌合水外不得加入其它组分。所以,通过试验研究如何从原材料方面入手, 同时满足砂浆在稠度、分层度和强度等方面的要求, 是配制干粉砂浆的技术关键。

1 原材料和试验方法
1. 1 试验原材料
32. 5 级普通硅酸盐水泥。长江河砂, 细度模数2. 4 , 密度2450kg/ m3 , 堆积密度1420kg/ m3 , 含泥量1. 0 %。熟化石灰膏,含水率50 % ,稠度120mm。水溶性有机纤维素(Mc) 。AEA 引气剂(以下简称AEA) ,掺量范围0. 04/ 万~1. 0/ 万;石粉,市售产品。

1. 2 试验方法
砂浆的搅拌制备与其稠度、分层度、凝结时间的测定均按照J GJ70 – 1990《建筑砂浆基本性能试验方法》进行。砌筑砂浆立方体抗压强度测试试件的成型采用无底试模(考虑砖的吸水) , 而抹面砂浆立方体抗压强度测试试件的成型采用有底试模。其它与有关标准有差异之处将在文中具体指出。试件养护温度为20 ℃+ 3 ℃,相对湿度60 %~80 %。

2 试验结果与讨论
2. 1 普通砂浆基本性能的研究
有关标准规定[2 ]: 干粉砌筑砂浆按强度等级可在M5. 0、M7. 5、M10、M15、M20、M25 和M30 范围内选择,稠度一般控制在90mm以内; 干粉抹灰砂浆按强度等级可在M5. 0、M10、M15 和M20 范围内选择,其稠度一般控制在110mm以内。所以, 本文试验研究中将砌筑砂浆的稠度控制在80mm~90mm, 而将抹灰砂浆的稠度控制在100mm~110mm。由于采用吸水基底成型强度试件的方法, 砌筑砂浆的抗压强度主要取决于水泥用量(实际上也为灰砂比) 。而抹灰砂浆由于采用有底试模成型,其抗压强度与水灰比有很大关系。
本文首先以灰砂比为1 : 5 的砂浆作为基准砂浆,通过试验测试其稠度、分层度和强度等性能, 然后有针对性地通过掺加外加剂和填充料来改善其相对比较薄弱的性能。表1 为灰砂比1 : 5 砂浆的性能测试结果。

从表1 中的数据可以看出:
(1) 普通砂浆在稠度满足有关规定的情况下, 分层度大,泌水离析现象严重。在实际施工时这种砂浆将会因砌体材料或基层迅速将水分吸收而终止水化, 严重影响砌体强度和抹面质量,并导致塑性开裂。
(2) 配比相同情况下, 普通砂浆初始稠度越大, 分层度也越大,这是因为,初始稠度越大,泌水越严重,砂与水泥净浆的分离现象将越明显。
(3) 掺加一定量的石灰膏有助于降低砂浆拌和用水量、改善砂浆的抗离析性, 减小分层度, 从而对保证砂浆的性能十分有效。但从表中数据也可看出, 掺加石灰膏尽管具有一定的保水性和抗离析性, 但会影响砂浆的强度, 掺加20 %的石灰膏, 会使砂浆7 天抗压强度降低8 %左右, 28 天抗压强度降低10 %左右。
实际上,干粉砂浆中不可能采用石灰膏,也不允许采用消石灰粉。因此,采用掺加干粉状外加剂和填充料的措施来改善砂浆和易性, 并尽量减小其对砂浆强度的影响就显得十分必要了。

2. 2 填充料对砂浆性能的影响
由于常用砂浆的强度等级普遍较低(M5~M10) ,水泥用量少(200kg/ m3~300kg/ m3) ,水泥颗粒不能完全填充砂堆积后形成的空隙,要使砂浆具有一定的稠度,必将导致用水量大大增加,且水分非常容易泌出。为了解决砂浆的抗离析和抗泌水性, 可以采用细粉材料替代部分砂,以相对增加浆体的体积。表2 是石粉替代部分砂对砂浆性能的影响情况。

从表2 可以看出, 用石粉替代部分砂, 可以使砂浆的水灰比有所降低, 从而改善砂浆的抗离析性和降低分层度, 砂浆抗压强度也有所增加。从表2 中的趋势可以看出, 在本文选择的三种替代量(5 %、10 %和15 %) 情况下, 若保持基本相同稠度, 则分层度随石粉替代率增加而逐渐减小, 但砂浆抗压强度先随替代量的增大而增加, 当替代量超过10 %时, 反而呈降低趋势(如图1 所示) 。这是因为,尽管石粉替代部分砂后,浆体量增加, 但石粉毕竟是一种呈化学惰性的粉体,其细度与水泥相当, 过多时会将水泥颗粒分隔开来,影响水泥颗粒之间通过水化产物凝胶的连接, 从而削弱强度。

从该试验结果看, 为了改善砂浆和易性, 降低砂浆分层度, 同时又不会对砂浆抗压强度产生负面影响,石粉替代砂的百分率选择10 %较合适。

2. 3 掺加纤维素和引气剂对砂浆性能的影响
加入起增稠作用的水溶性高分子材料, 如各种纤维素、聚丙烯、淀粉等材料, 对改善砂浆粘聚性和保水性有益。也可以借鉴贫混凝土的研究成果, 在砂浆中掺加适量引气剂, 使砂浆在搅拌过程中引入一定量独立存在的微小气泡, 相当于增加了水泥浆体的体积,对改善砂浆和易性和减小泌水均有利。

表3 是在用石灰粉替代10 %砂的基础上, 掺加本文所选择的纤维素Mc 和引气剂AEA 后对砂浆和易性和强度的影响情况。将表3 中Mc 掺量对砂浆性能影响情况的数据进行比较可知: ① 当Mc 掺量仅为水泥重量的0. 01 %时,砂浆用水量减少,强度比不掺者(SQ12) 有略微增加(7d 和28d 分别增加11. 2 %和9. 7 %) , 这是因为砂浆的粘度在一定范围内有所增加和分层度有所减小所带来的好处; ②继续增加Mc 的掺量(如掺加0. 05 %的Mc) , 则砂浆需水量明显增加,这时尽管砂浆分层度随Mc 掺量增加而逐渐减小, 但对砂浆强度带来较大的负面作用。Mc 是一种水溶性聚合物干粉材料, 在液相中首先溶胀, 进而溶解, 在这一过程中, 分子中包裹有一定自由水,尽管由于桥连作用,使砂浆均匀性和稳定性提高, 抗分层性得到改善, 但是如果掺量太大, 则会引起砂浆需水量的明显增加, 良好的保水作用反而不能使砂浆中多余水分被基底吸收, 反而大大降低了强度。因此,作为调节砂浆粘稠度和改善抗离析性的纤维素,对其作用的评价要同时考虑两个方面,这样才能选择出最佳的掺量。
综合试验数据和以上讨论, 我们认为Mc 在砂浆中的掺量不应超过水泥重量的0. 02 %。掺加AEA 引气剂也能在一定程度上改善砂浆的和易性, 随着AEA 掺量的增加, 砂浆用水量呈明显减少的趋势,分层度也显著降低,且对提高砂浆强度有一定作用。但是当AEA 掺量大于0. 002 % , 比如为0. 005 %时,则由于引气量过大,导致砂浆结构疏松,强度将大幅降低。

综上所述,作为改善砂浆和易性外加剂的选择,不仅要考查其改善抗离析的性能, 而且要注意其对砂浆强度的影响,要平衡其正反两方面的作用。表3 中SQ41 和SQ42 两组砂浆就是在本文试验结果的分析和总结基础上, 通过选择合适的Mc 和AEA的掺量后进行的试验,结果表明,不仅分层度均降低到20mm以内, 而且砂浆的抗压强度比不掺外加剂者(SQ12) 有所提高。可见当采用石粉、Mc 和AEA 三掺措施时, 可以使砂浆的和易性、抗离析性和力学性能均达到最佳状态。

2. 4 不同强度等级干粉砂浆的配制
表4 是在不同的灰砂比情况下, 通过用石粉替代部分砂并掺加纤维素Mc 和高性能引气剂AEA 所配制砂浆的性能。表中数据显示,所配制砂浆不仅分层度小,满足有关标准规定的要求(干粉砌筑砂浆的分层度≤25mm;干粉抹灰砂浆分层度≤20mm) 外, 其它性能, 如容重、凝结时间均符合相关要求(容重≥1800kg/ m3 , 凝结时间≤8h) 。

* 抹灰砂浆,有底试模成型。

3 结论
(1) 随着人们对商品砂浆概念与其重要性认识程度的提高和政府政策的引导, 作为商品砂浆的一种供应形式,干粉砂浆将具有巨大的市场潜力。
(2) 配制商品砂浆的技术关键在于采取有效措施降低砂浆的分层度, 并解决掺加外加剂和其它物质后砂浆分层度与其强度之间的矛盾。
(3) 采用石粉替代部分砂并同时掺加纤维素和高性能引气剂的措施, 可以配制出各项性能均满足有关标准要求的干粉砌筑砂浆和干粉抹灰砂浆。

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注