新型稠化粉在建筑砂漿中的應(yīng)用研究

1 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料系 2 北京城建四公司中心試驗(yàn)室高昱 張巖 王棟民 左彥峰

　　摘要：膨潤(rùn)土（礦物學(xué)名稱叫蒙脫石），以其超微細(xì)的組織結(jié)構(gòu)和特殊性能在國(guó)際上已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)方面。以膨潤(rùn)土為主要原料的砂漿稠化粉不含石灰和引氣成分，可替代全部石灰膏用于混合砂漿中，摻稠化粉砂漿抗壓強(qiáng)度高，抗?jié)B性好，收縮值低耐久性好，適用于所有砌筑和粉刷砂漿 。本文通過宏觀對(duì)比性試驗(yàn)，建筑砂漿中摻復(fù)合外加劑和膨潤(rùn)土后分層度比傳統(tǒng)的摻加石灰膏的砂漿明顯減小，早期強(qiáng)度提高|，而且高于摻石灰膏砂漿的強(qiáng)度]，但摻量?jī)H為石灰膏的1/5左右，且防水性能有所增強(qiáng)通過微觀XRD和SEM分析，發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B能力增加的原因在于水化充分、結(jié)構(gòu)密實(shí)。砂漿稠化粉的使用，提高和改善建筑工程質(zhì)量;，促進(jìn)砂漿商品化進(jìn)程，并獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)具有環(huán)保意義。 

前言 

　　廣泛使用的建筑砂漿按用途分為砌筑、抹灰和飾面砂漿，按組成可分為水泥石灰混合砂漿和水泥砂漿?；旌仙皾{保水性和可操作性好、易施工，但存在耐水差、收縮大、粘結(jié)強(qiáng)度低和耐久性差等缺點(diǎn)。水泥砂漿雖然克服了混合砂漿的缺點(diǎn)，但同時(shí)又存在和易性差、泌水多、水泥用量偏高、砂漿硬化快等不足，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)攪拌存在環(huán)保問題(產(chǎn)生大量粉塵),質(zhì)量難以控制,材料浪費(fèi)嚴(yán)重;混合砂漿及水泥砂漿,主要問題是施工性能,耐久性不能相統(tǒng)一,對(duì)水泥砂漿來說,施工性不好,成本高,很容易開裂;雖然其他體系(摻加石灰精,引氣劑,保水劑, 纖維素醚)來說,施工性能雖能得到保證,但成本很高,具體對(duì)砌筑砂漿來說,成本增加100-150元/m3，抹灰砂漿來說成本增加200元/m3。從行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)來看，砂漿正如當(dāng)年的混凝土一樣在走向商品化，傳統(tǒng)的石灰膏類保水增稠劑不能滿足實(shí)際大規(guī)模商品生產(chǎn)的需求，新型砂漿稠化粉成為建筑砂漿業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的必需。本文采用膨潤(rùn)土和其他外加劑一起作為保水增稠劑，取代了石灰膏，在保證砂漿性能的同時(shí)，又節(jié)約了砂漿的成本，降低了能耗，保護(hù)了環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了建筑砂漿的“綠色”發(fā)展。 

1.原材料與試驗(yàn)方法

　　1.1原材料

　　膨潤(rùn)土: 膨潤(rùn)土的礦物學(xué)名稱叫蒙脫石.蒙托石是由納米級(jí)的顆粒(10-11-10-9m)組成, 國(guó)外稱其為天然納米材料,也叫“萬(wàn)用土”. 它是在地質(zhì)年代中由天然的火山灰變質(zhì)而成。膨潤(rùn)土由片狀硅酸鹽礦物組成的，屬于鋁硅酸鹽族。其化學(xué)成分和物理性能分別見表1和表2

　　水泥:北京水泥廠的42.5級(jí)P.O水泥；

　　砂:中砂，細(xì)度模數(shù)2.8,堆積密度1.34g/cm3；

　　復(fù)合外加劑:由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料系自主開發(fā)。

　　1.2試驗(yàn)方法

　　砂漿配合比按JGJ－2000《砌筑砂漿的配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》設(shè)計(jì)，并按JGJ70－90《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》的規(guī)定拌和成型試件，測(cè)定分層度、力學(xué)性能。抗?jié)B壓力按JC474－1999《砂漿、混凝土防水劑》的規(guī)定拌和成型試件，測(cè)定抗?jié)B壓力值 。拌和時(shí)用水量根據(jù)砂漿稠度而定，一般稠度宜在70~90cm ?？箖鲂裕簠⒄認(rèn)GJ 82－85和建筑砂漿性能試驗(yàn)方法進(jìn)行。采用慢凍法（氣凍水融），在－15~－20℃溫度下凍3h，取出放于15~20℃水中融3h為一次凍融循環(huán)。 

　　1.3微觀試驗(yàn)方法

　　1.3.1 水泥稠化粉凈漿X射線衍射測(cè)試試驗(yàn)儀器：X射線衍射儀，XRM－120×3瑪瑙三頭研磨機(jī)，真空干燥箱(ZD79 型)。

　　試驗(yàn)步驟：

　　1）將到齡期的試樣用瑪瑙三頭研磨機(jī)磨碎，研磨時(shí)加入適量酒精以防止碳化，研磨約20分鐘。

　　2）取出磨好的混合物，放在濾紙上，一同放入抽氣機(jī)里將酒精慮掉。

　　3) 將抽完酒精的濾紙和試樣一同放入真空干燥機(jī)里干燥。烘干后將試樣裝入試樣袋里封存，準(zhǔn)備做X衍射試驗(yàn)。

　　4) 做X衍射試驗(yàn)。

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　　1.3.2. 掃描電鏡試驗(yàn)試驗(yàn)儀器：SEM儀，真空干燥箱。

　　試驗(yàn)步驟：

　　1）將到齡期的試樣放入真空干燥箱里干燥5～6小時(shí)，每組試樣取一小塊，編號(hào)。 

　　2) 對(duì)試樣做噴金處理。 

　　3) 放入SEM儀做掃描電鏡試驗(yàn)

2.試驗(yàn)結(jié)果討論。 

　　2.1稠化粉建筑砂漿的性能

　　2.1.1稠化粉建筑砂漿的配合比稠化粉本身就具有一定的強(qiáng)度，保證了砂漿后期強(qiáng)度增長(zhǎng)穩(wěn)定性。本文主要利用了膨潤(rùn)土的保水增稠觸變等性質(zhì)，通過復(fù)合外加劑對(duì)膨潤(rùn)土的改性，既利用了膨潤(rùn)土的保水增稠等作用，又控制了膨潤(rùn)土的極端膨脹性等有害作用，從而使砂漿的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)砂漿。膨潤(rùn)土、復(fù)合外加劑統(tǒng)稱為新型砂漿稠化粉。通過對(duì)摻稠化粉砂漿配合比的優(yōu)化、復(fù)合外加劑的優(yōu)選得出的高性能的建筑砂漿配合比見表3

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，摻稠化粉砂漿的工作性能良好，稠度控制在70~90mm，分層度均在10~15mm，滿足現(xiàn)行砂漿的標(biāo)準(zhǔn)。通過與摻石灰膏砂漿的對(duì)比，摻稠化粉砂漿的工作性優(yōu)于摻石灰膏砂漿的工作性，充分說明了新型稠化粉替代石灰膏的可行性，分析原因在于膨潤(rùn)土特有的天然保水、增稠、觸變、潤(rùn)滑性,提高了砂漿的工作和易性，延長(zhǎng)了砂漿的可操作時(shí)間，是良好的保水增稠材料。 

　　2.1.2稠化粉建筑砂漿的力學(xué)性能研究

　　按表3 的配合比制備的砂漿的力學(xué)性能見表4

　　表4 的結(jié)果表明，摻稠化粉砂漿具有良好的力學(xué)性能，與等級(jí)強(qiáng)度值相比，7d抗壓強(qiáng)度均超過了100％，28d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了286％、193％、154％，后期強(qiáng)度仍持續(xù)增長(zhǎng)。與摻石灰膏砂漿的抗壓強(qiáng)度相比，同等級(jí)砂漿的7d、28d均要高出許多；不僅如此，抗?jié)B壓力也較摻石灰膏砂漿的高，這正是膨潤(rùn)土復(fù)合外加劑的綜合結(jié)果，膨潤(rùn)土具有保水增稠作用的同時(shí)還具有強(qiáng)度，保證了強(qiáng)度的穩(wěn)定增長(zhǎng)；此外，膨潤(rùn)土也具有吸水膨脹的作用，將砂漿中的微孔填充了，起到了密實(shí)的作用，這即為砂漿抗?jié)B性能提高的原因。

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　　2.1.3稠化粉建筑砂漿的變形性能研究摻稠化粉砂漿試件的干燥收縮和水中自有膨脹試驗(yàn)見表5

　　表5 的結(jié)果表明，摻膨潤(rùn)土砂漿具有微膨脹的作用。28d干燥收縮率較低。28d水中自由膨脹率在0.1%~0.2%,而且隨膨潤(rùn)土摻量的提高有降低的趨勢(shì)。同等級(jí)砂漿相比來看，摻膨潤(rùn)土砂漿的干燥收縮要低于摻稠化粉砂漿的，而水中自由膨脹率要大于摻石灰膏砂漿的，說明了摻膨潤(rùn)土砂漿具有更好的穩(wěn)定性。

　　2.1.4稠化粉建筑砂漿的抗凍性研究試驗(yàn)結(jié)果見表6

　　試驗(yàn)結(jié)果表明:  

　　（1）同等級(jí)相比，就后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)而言，摻稠化粉砂漿的增幅要高于摻石灰膏砂漿的增幅，表面了稠化粉在砂漿后期強(qiáng)度增長(zhǎng)中發(fā)揮了作用。

　　（2）凍融循環(huán)后，摻石灰膏砂漿的強(qiáng)度損失率較大，質(zhì)量損失率也較大，而摻稠化粉砂漿的強(qiáng)度損失率、質(zhì)量損失率都較小。 

　　（3）就不同強(qiáng)度等級(jí)而言，隨著膨潤(rùn)土的摻量增大，凍融循環(huán)后強(qiáng)度、質(zhì)量損失率都將增大。

　　2.1.5機(jī)理分析 

　　從前面的工作和易性、力學(xué)性能、變形性能、抗凍性宏觀試驗(yàn)，不難看出，由膨潤(rùn)土和復(fù)合外加劑組成的砂漿稠化粉制得的砂漿的工作和易性、力學(xué)性能和耐久性都能滿足建筑砂漿的使用要求，并且各方面性能要優(yōu)于以石灰膏為保水增稠劑砂漿的；筆者也作了摻膨 潤(rùn)土砂漿的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，為此加入了復(fù)合外加劑，從而解決了摻膨潤(rùn)土的弊端。為找到稠化粉砂漿宏觀上優(yōu)異性能找到微觀機(jī)理的解釋，又進(jìn)行了X衍射和掃描電鏡試驗(yàn)，試樣為M7.5級(jí)（配合比同前，未摻砂，水膠比0.4，試驗(yàn)旨在對(duì)比復(fù)合外加劑對(duì)膨潤(rùn)土改性復(fù)配的機(jī)理，并由此進(jìn)一步解釋了稠化粉的作用機(jī)理。X衍射對(duì)比圖見圖1

圖1 摻稠化粉和單摻膨潤(rùn)土的水泥凈漿的X 衍射圖樣對(duì)比圖

　　（上圖為摻稠化粉凈漿試樣，下圖為單摻膨潤(rùn)土凈漿試樣）從圖1中可以看出摻稠化粉的凈漿體系28天齡期的CH（水泥水化產(chǎn)物）三強(qiáng)峰值[3]比未摻復(fù)合外加劑凈漿體系體系的低，從化學(xué)反應(yīng)平衡理論可得當(dāng)水泥水化反應(yīng)生成物氫氧化鈣（CH）的濃度降低，進(jìn)一步加快水泥水化反應(yīng)，復(fù)合外加劑與CH 結(jié)合，生成的硫鋁酸鹽的三強(qiáng)峰值比未摻復(fù)合外加劑的有所上升，而硫鋁酸鹽也可以使砂漿產(chǎn)生強(qiáng)度，說明前者水化比后者充分，這正是前者強(qiáng)度較后者高的原因。

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　　SEM試驗(yàn)結(jié)果見圖2、圖3摻稠化粉凈漿的SEM圖

　　從圖2、3中可以看出，摻膨潤(rùn)土凈漿的SEM 中，結(jié)構(gòu)不夠密實(shí)，孔隙較多，而后者的結(jié)構(gòu)教密實(shí)，從而使?jié){體抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能得到提高；前者的絮狀水化硅酸鈣較分散，很明顯后者的絮狀水化硅酸鈣分布較密集 

　　2.2應(yīng)用分析  

　　綜上所述，稠化粉在實(shí)際應(yīng)用中具有以下優(yōu)點(diǎn):

　　1）稠化粉為粉狀干物料，而石灰膏含水達(dá)50％，并且用量?jī)H為石灰膏的20％。因此，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)環(huán)境；

　　2）稠化粉不含石灰，避免了砂漿因石灰過燒或消化不良等因素而導(dǎo)致砂漿層起殼、爆裂和開裂等質(zhì)量通病； 

　　3）稠化粉不含引氣劑，從而避免了由于引氣不當(dāng)而導(dǎo)致砂漿強(qiáng)度下降幅度過大；

　　4）替代了石灰膏，也就意味著避免了煅燒石灰石，節(jié)約了能源，保護(hù)了環(huán)境，還可以促進(jìn)砂漿的商品化； 

　　5）從經(jīng)濟(jì)效益分析，用稠化粉替代全部石灰膏在現(xiàn)場(chǎng)配制的砂漿材料成本與混合砂漿基本相同。與水泥砂漿相比，由于采用稠化粉后可節(jié)約水泥，因此，材料成本可降低5-10元/m3。 

3.結(jié)論 

　　1）膨潤(rùn)土具有良好的保水、增稠性，通過對(duì)膨潤(rùn)土的改性，制得所需的砂漿稠化粉； 

　　2）摻籌化粉砂漿的分層度值、施工的可操作性明顯優(yōu)于摻石灰膏的混和砂漿，而且防水性能明顯改善；

　　3）摻稠化粉砂漿的強(qiáng)度方面，通過摻稠化粉砂漿與摻石灰膏砂漿的比對(duì)試驗(yàn)，摻稠化粉砂漿的7天強(qiáng)度、28天強(qiáng)度，都能滿足所配的不同強(qiáng)度等級(jí)的強(qiáng)度要求，強(qiáng)度高于同等級(jí)傳統(tǒng)摻石灰膏砂漿的強(qiáng)度，但是摻量遠(yuǎn)小于石灰膏的摻量； 

　　4）摻稠化粉的凈漿體系28天齡期的CH三強(qiáng)峰值比摻石灰膏凈漿體系的低，而且前者中的硫鋁酸鹽的三強(qiáng)峰值比后者的有所上升，說明前者水泥水化比后者快，這是前者強(qiáng)度較后者高的原因。摻石灰膏凈漿的SEM中，結(jié)構(gòu)不夠密實(shí)，孔隙較多，而后者的結(jié)構(gòu)教密實(shí)，就這一點(diǎn)上可也解釋為什么稠化粉增加砂漿體系抗壓強(qiáng)度和較高的抗?jié)B壓力；摻石灰膏試樣的絮狀水化硅酸鈣較分散，摻稠化粉試樣后者的絮狀水化硅酸鈣分布較密集。