基于纖維素改性的干粉砂漿配合比試驗研究

宋源

摘要：文章為了掌握纖維素HPMC改性干粉砂漿的基本性能，優(yōu)化配合比設(shè)計，改善拌和物的施工性能，采用常規(guī)的試驗方法對HPMC改性砂漿的保水性能、力學(xué)抗壓強度、抗折強度性能進行了綜合研究，分析了HPMC、粉煤灰及灰砂比等變化對砂漿基本性能的影響。試驗結(jié)果顯示：（1）隨HPMC用量的增加，砂漿分層度值和抗壓強度值均呈下降趨勢，在摻量0～0.2%范圍內(nèi)，分層度和抗壓強度指標(biāo)下降顯著，在0.2%～0.35%范圍內(nèi)，二者的下降幅度顯著減小;（2）隨著粉煤灰摻量的增加，干粉砂漿的力學(xué)強度呈下降趨勢，對7 d早期強度的劣化效果更為顯著，而對28 d強度的劣化有所減弱;（3）隨灰砂比的降低，砂漿的抗折強度、抗壓強度均呈下降趨勢，HPMC改性砂漿的保水性能優(yōu)于常規(guī)砂漿，但在相同配合比條件下，HPMC改性砂漿的抗壓強度、抗折強度值均低于基準(zhǔn)砂漿的強度，且隨著灰砂比的降低，抗壓強度和抗折強度損失變化率均呈先增加后降低的變化趨勢?？傊?，HPMC改性干粉砂漿具有優(yōu)良的保水性能，顯著改善了拌和物的施工和易性，綜合分析確定在基準(zhǔn)配合比相同條件下，優(yōu)選灰砂比為1∶3，HPMC的摻加用量為水泥膠結(jié)料的0.1%，粉煤灰基準(zhǔn)用量為10%。

關(guān)鍵詞：干粉砂漿;纖維素;工作性能;灰砂比

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的投資不斷加大，而城市快速化的發(fā)展離不開房屋建筑的大量建設(shè)，且隨著人們生活水平的提高和對環(huán)保、健康認(rèn)識的不斷深化，對建筑物住宅的質(zhì)量、美觀及舒適度提出了更高的要求。干混砂漿作為新型建筑工業(yè)領(lǐng)域的新型材料產(chǎn)品，其不僅能夠滿足常規(guī)砂漿的基本性能，而且能夠彌補傳統(tǒng)產(chǎn)品的弊端，對提高施工效率、保證工程質(zhì)量具有重要的意義。

干混砂漿主要由水泥膠結(jié)材料、細(xì)集料、礦物摻和料和相應(yīng)的改性劑等組成，在世界各國得到了良好的應(yīng)用推廣，而我國在建筑墻體材料方面也進行了相應(yīng)的改革，對于新型墻體材料也離不開優(yōu)良的砂漿產(chǎn)品。干混砂漿隨著不斷地研究開發(fā)和推廣應(yīng)用正在被逐步認(rèn)識，楊付權(quán)、黃崇波等人通過對聚乙烯醇纖維在砂漿拌和物中的收縮開裂機理進行了系統(tǒng)分析，對比研究了聚乙烯醇纖維抹面砂漿與普通抹面砂漿的抗?jié)B性能、抗裂性能，發(fā)現(xiàn)纖維抹面砂漿的抗?jié)B效果良好[1]。周明凱等人利用煤矸石渣作為填料進行了砂漿的基本性能試驗，通過對砂漿的抗壓強度、保水性能及級配分析發(fā)現(xiàn)，磨細(xì)的煤矸石渣在保證粒徑、級配的條件下可以有效改善砂漿的流動性和抗壓強度，但施工過程中用水量將有所增加，比普通砂漿提高約5%～10%，[JP3]說明煤矸石填料能夠作為砂漿的主要組成材料[2]。張恒等人利用抗壓強度、抗折強度和粘結(jié)力指標(biāo)分析了不同纖維砂漿的基本性能，認(rèn)為纖維能夠改善砂漿的抗折和抗彎性能，且對砂漿的粘結(jié)強度具有良好改善效果，但不同的纖維素對砂漿的改善作用不同，且存在一定的缺陷，這方面沒有進一步研究[3]。王洪鎮(zhèn)通過添加保水劑、多元醇及高嶺土等礦料研發(fā)了新型抗裂干粉砂漿，并通過大量加入粉煤灰降低了材料的成本，提出了相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，保證了砂漿的良好性能[4]。徐小紅等人研究了甲基纖維素醚、分散乳膠粉、膨脹劑對砂漿拌和物的性能影響，研制了一種具備良好工作和易性、抗裂性能的干粉砂漿，并提出了砂漿的基準(zhǔn)配合比及相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)[5]。張志軍、曹春露等人利用橡膠粉、聚合物等材料分析對砂漿性能的影響，采用各項指標(biāo)來進一步評價砂漿抗裂性能的方法[6]。劉德春等人采用物理、化學(xué)相結(jié)合的方法在砂漿中摻加石灰石、粉煤灰及活性劑，并提出了相應(yīng)的比例組成，但沒有深入研究砂漿的施工和易性及耐久性能[7]。

綜上所述，國內(nèi)對干粉砂漿的應(yīng)用進行了大量的研究，并集中在添加礦料、改性劑等材料的試驗，而針對纖維素HPMC改性砂漿的研究涉及較少，且沒有深入地分析水灰比的影響變化。結(jié)合相關(guān)研究成果，本文通過優(yōu)化選擇纖維素、粉煤灰材料進行了保水性能、力學(xué)性能試驗，研究了灰砂比變化對纖維素改性砂漿的性能影響，并針對性地提出了纖維素、粉煤灰材料摻量的范圍及相應(yīng)的配合比，為HPMC改性砂漿在建筑工程領(lǐng)域中的深入應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗方案

1.1 原材料

干粉砂漿主要用于建筑物內(nèi)外墻體的抹面，需要具備保溫、保水、粘結(jié)及抗裂的基本性能，其主要由水泥膠結(jié)料、砂、粉煤灰及其他添加劑組成。本研究選擇河南新鄉(xiāng)同力水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥P.O42.5（見表1），細(xì)集料優(yōu)選天然河砂（見表2），粉煤灰可以等效取代同量的水泥膠結(jié)料，不僅降低成本，還可以改善環(huán)境，而且降低了砂漿配合比用水量，利用其火山灰效應(yīng)還能改善其工作性能，本研究選擇南京綠源牌Ⅱ級粉煤灰（見表3）。纖維素選擇山東赫達(dá)股份有限公司生產(chǎn)的羥丙基甲基纖維素（HPMC）。在干粉砂漿中摻加少量HPMC能夠提高其保水性和增加稠度，改善砂漿的工作和易性。

1.2 試驗方法

水泥干粉砂漿的配合比設(shè)計試驗關(guān)鍵控制指標(biāo)主要有標(biāo)準(zhǔn)稠度、抗壓強度、抗折強度等，具體參照《建筑砂漿基本性能實驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T70-2009）、《水泥膠砂強度檢驗方法》（GBT 17671-1999）進行。具體試驗方案如下：

（1）為了優(yōu)化對比纖維素改性砂漿的基本性能，選擇基準(zhǔn)配比的普通砂漿為基礎(chǔ)，通過添加不同用量的纖維素（HPMC）、粉煤灰等分析對其性能的影響。

（2）HPMC具有良好的化學(xué)、物理穩(wěn)定性，具有保水、增稠的作用，一般作為材料的添加助劑。本研究采用保水性能指標(biāo)評價HPMC的保水性能，采用抗壓強度指標(biāo)評價其對力學(xué)性能影響，具體用量分別為水泥質(zhì)量的0.05%、0.1%、0.15%、0.2%和0.35%。

（3）粉煤灰可以有效改善砂漿的和易性及后期力學(xué)性能，降低前期裂縫等作用。本研究采用等量取代法摻入砂漿中，摻加比例分別為膠凝材料的10%、15%、20%、25%和30%。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 纖維素（HPMC）對砂漿分層度及抗壓強度性能的影響

研究表明：砂漿良好的保水性能有助于在施工過程中保證其流動度，不易于離析和分層。結(jié)合羥丙基甲基纖維素（HPMC）的基本特性理論分析可知，少量添加能夠吸收砂漿的自由水分，增加砂漿的粘稠度，在水泥硬化過程中可以釋放水分保證其凝結(jié)硬化。保水性能和抗壓強度依據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T70-2009）中分層度指標(biāo)、稠度指標(biāo)和抗壓強度指標(biāo)進行綜合分析，砂漿采用的基準(zhǔn)配合比為：水泥∶砂=1∶4.5，用水量控制在砂漿稠度的90～110 mm范圍。具體試驗結(jié)果見下頁圖1～3。

由圖1～3可知：

（1）在砂漿基準(zhǔn)配合比相同的條件下，纖維素的摻加對砂漿的分層度存在顯著影響。隨纖維素用量的增加，分層度指標(biāo)呈下降趨勢，其中摻量在0～0.2%范圍內(nèi)，分層度值下降幅度較大，呈線性趨勢;在0.2%～0.35%范圍內(nèi)，分層度值變化較小，均<10 mm，主要是由于HPMC的摻量急劇增加，吸收砂漿添加的自由水，導(dǎo)致拌和物黏度增加。依據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗分析，砂漿的分層度值>30時。這說明其保水性較差，施工過程中容易產(chǎn)生離析，不利于施工和水泥硬化;而分層度值過小時，砂漿硬化過程中補水量不足，[JP3]導(dǎo)致可能出現(xiàn)裂縫，將產(chǎn)生較大的干燥收縮。一般情況下，干粉砂漿的分層度宜控制在10～30 mm范圍內(nèi)，既保證具有良好的工作和易性，又能夠促進水泥水化，保證后期強度及降低裂縫產(chǎn)生的幾率。[JP2]

（2）在纖維素?fù)搅糠秶鷥?nèi)，砂漿的稠度變化呈降低趨勢，但均在控制范圍內(nèi)（90～110 mm）。同時，根據(jù)抗壓強度試驗結(jié)果分析，纖維素的添加劣化了砂漿的力學(xué)強度，尤其在摻加用量>0.15%后，抗壓強度值下降顯著;而在0.2%～0.35%范圍內(nèi)，抗壓強度值下降幅度顯著減小。這說明干粉砂漿對HPMC的選擇具備一定的用量范圍。例如，HPMC用量在0.1%時，抗壓強度下降了15.5%（與未摻加相比），在0.15%時，抗壓強度下降了21.8%，而在0.2%時，抗壓強度下降了52.8%。這主要是由于HPMC的大量加入，導(dǎo)致拌和物黏度增加，試件成型過程中不易密實，出現(xiàn)內(nèi)部微孔洞現(xiàn)象，進而影響試件的力學(xué)強度。

綜合分析可知，HPMC的摻加能夠顯著提高砂漿的工作和易性，改善保水性能，但不利于砂漿的力學(xué)強度，因此，結(jié)合砂漿的綜合性能，在滿足各項性能指標(biāo)的要求下，HPMC的摻量宜控制在0.05%～0.15%范圍。

2.2 粉煤灰對砂漿抗壓強度性能的影響

粉煤灰作為一種工業(yè)廢料，是從煤粉爐排出的煙氣中收集到的細(xì)顆粒粉末，主要由不同粒徑、不同化學(xué)成分組成，摻入砂漿中能夠顯著降低成本，調(diào)節(jié)砂漿級配，改善砂漿的工作性能，提高其抗?jié)B性能，降低后期收縮率。其相關(guān)試驗結(jié)果見圖4、圖5。

由圖4、圖5可知：

（1）隨粉煤灰用量的增加，抗壓強度呈顯著下降趨勢，其中7 d齡期的力學(xué)強度值劣化更為明顯，28 d的抗壓強度影響進一步降低。這說明粉煤灰的加入對砂漿的力學(xué)性能存在劣化現(xiàn)象，尤其對前期性能的影響更明顯。例如，粉煤灰摻量在10%時，7 d和28 d的抗壓強度下降率分別為12.8%和7.8%，在25%時，二者的下降率分別為62.8%和44.4%。這主要是因為粉煤灰摻加后，降低了部分水泥的用量，減少了部分礦物熟料的比例，粉煤灰的活性低于水泥，水化過程減慢，產(chǎn)生的礦物組分減少導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)不密實，進而降低了力學(xué)強度。

（2）隨著砂漿養(yǎng)護齡期的增加，粉煤灰對力學(xué)強度的影響逐漸下降，說明隨著養(yǎng)護周期的增加，水泥水化持續(xù)進行，而粉煤灰的活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)也持續(xù)作用，進一步促進砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實，使強度得到了提升。

（3）依據(jù)上述試驗結(jié)果和相關(guān)研究成果，本研究綜合考慮粉煤灰對砂漿強度、和易性以及凝結(jié)時間的影響，參照《粉煤灰在混凝土和砂漿中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（GB50146-2014）選擇粉煤灰的用量為10%，這既能夠保證砂漿的工作和易性，又能不降低砂漿力學(xué)強度要求。

2.3 灰砂比對砂漿基本性能的影響

本研究在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上選擇1∶1.5、1∶2、1∶3、1∶4和1∶5的灰砂比分別成型基準(zhǔn)試件。其中粉煤灰用量為10%，纖維素（HPMC）摻量為水泥用量為0.1%，制備纖維素改性砂漿試件，相關(guān)的試驗結(jié)果見圖6～8。

由圖6～7可知：

（1）無論是基準(zhǔn)砂漿還是HPMC改性砂漿，灰砂比變化對力學(xué)強度性能影響較大。隨灰砂比的降低，其抗折、抗壓強度均降低，說明調(diào)整灰砂比、水灰比均能改善其力學(xué)性能。同時，在試驗操作過程中發(fā)現(xiàn)，[JP3]基本砂漿在灰砂比1∶1.15、1∶2時均出現(xiàn)顯著的泌水現(xiàn)象，而對于摻加HPMC的改性砂漿基本沒有出現(xiàn)，充分說明摻加HPMC對砂漿的保水性能具有關(guān)鍵作用，從砂漿的表面狀態(tài)即可分辨出工作性能的變化。[JP2]

（2）相同配合比條件下，纖維素HPMC改性砂漿的抗壓強度、抗折強度值均低于基準(zhǔn)砂漿的強度，且隨著灰砂比的降低，抗壓強度、抗折強度變化率均呈先增加后降低的變化趨勢（見圖8）?；疑氨仍?∶3時，可作為強度下降率變化的轉(zhuǎn)折點。在灰砂比>1∶3時，隨著灰砂比減小砂漿強度降低率逐漸增大，在灰砂比<1∶3時，隨著灰砂比減小砂漿強度降低率逐漸降低。在灰砂比1∶2～1∶4時，纖維素改性砂漿抗壓強度降低率大于抗折強度，由此看出纖維素改善了砂漿的韌性。例如，在灰砂比1∶1.5時，基準(zhǔn)砂漿和HPMC改性砂漿的抗壓強度值分別為56 MPa和45.2 MPa，在1∶3時，抗壓強度值分別為41.2 MPa和30.2 MPa。

HPMC對砂漿的改性作用主要是由于保水性能，溶于水后的親水基團分子與憎水基團分子定向分布，降低了水分子的自由移動度，促使砂漿具有保水的效果，減少了泌水的可能性;同時，砂漿中自由水的減少，不利于砂漿強度的發(fā)展，減緩了水泥水化的進程，尤其是水泥硬化過程中礦質(zhì)熟料比例的減少，對強度發(fā)展影響較大;HPMC對砂漿拌和物具有一定的增稠作用，在施工過程中不利于內(nèi)部微氣泡的排出，進而影響試件的力學(xué)強度。

（3）對于纖維素HPMC改性砂漿而言，灰砂比的變化對砂漿強度的影響高于基準(zhǔn)砂漿，HPMC對砂漿強度的影響較顯著。在灰砂比<1∶3范圍內(nèi)，較大灰砂比時，HPMC對砂漿的減水效果不明顯，但稠度增加顯著，進而對強度劣化表現(xiàn)明顯;隨著灰砂比的稍微降低，基準(zhǔn)砂漿的泌水效果較大，HPMC改性砂漿的泌水效果降低，減水率有利于強度的發(fā)展，且HPMC的增稠對強度的劣化相對減少，綜合表現(xiàn)出砂漿強度損失率有所降低。而在灰砂比>1∶3范圍內(nèi)，則表現(xiàn)出相反的狀態(tài)。

本研究綜合分析確定，在基準(zhǔn)配合比相同條件下，優(yōu)選灰砂比為1∶3，纖維素HPMC的摻加用量為水泥膠結(jié)料的0.1%，粉煤灰基準(zhǔn)用量為10%。

3 結(jié)語

（1）纖維素HPMC對砂漿的保水性能、力學(xué)性能具有顯著影響，隨HPMC用量的增加，砂漿分層度值呈下降趨勢。在摻量0～0.2%范圍內(nèi)，分層度值下降幅度較大，呈線性趨勢;在0.2%～0.35%范圍內(nèi)，分層度值變化較小。對強度而言，HPMC劣化了砂漿的力學(xué)強度，尤其在摻加用量>0.15%后，抗壓強度值下降顯著;而在0.2%～0.35%范圍內(nèi)，抗壓強度值下降幅度顯著減小。因此，HPMC的摻量易控制在0.05%～0.15%范圍內(nèi)。

（2）粉煤灰作為砂漿拌和物中等量取代膠結(jié)料的添加劑，對砂漿的力學(xué)性能具有劣化作用。隨著粉煤灰摻量的增加，干粉砂漿的力學(xué)強度呈下降趨勢，其中對7 d早期強度的劣化效果更為顯著，而對28 d強度的劣化有所減弱。這主要是因為粉煤灰摻加后，降低了部分水泥的用量，減少了部分礦物熟料的比例，粉煤灰的活性低于水泥，水化過程減慢，產(chǎn)生的礦物組分減少導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)不密實，進而降低了力學(xué)強度。另外，隨著砂漿養(yǎng)護齡期的增加，水泥水化持續(xù)進行，而粉煤灰的活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)也持續(xù)作用，進一步促進砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實，使強度得到了提升。參照《粉煤灰在混凝土和砂漿中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（GB50146-2014）選擇粉煤灰的用量為10%，既能夠保證砂漿的工作和易性，又能不降低砂漿力學(xué)強度要求。

（3）灰砂比對纖維素HPMC改性砂漿的力學(xué)性能影響較大，隨灰砂比的降低，試件的抗折強度、抗壓強度均呈下降趨勢。HPMC改性砂漿的保水性能優(yōu)于常規(guī)砂漿，試驗過程中HPMC改性砂漿的工作和易性良好，但在相同配合比條件下，HPMC改性砂漿的抗壓強度、抗折強度值均低于基準(zhǔn)砂漿的強度，且隨著灰砂比的降低，抗壓強度和抗折強度損失變化率均呈先增加后降低的變化趨勢。

結(jié)合上述研究結(jié)果及相應(yīng)的實際工程經(jīng)驗，綜合分析確定在基準(zhǔn)配合比相同條件下，優(yōu)選灰砂比為1∶3，HPMC的摻加用量為水泥膠結(jié)料的0.1%，粉煤灰基準(zhǔn)用量為10%。

參考文獻：

[1]楊付權(quán)，黃崇波.聚乙烯醇纖維抹面砂漿收縮開裂性能研究[J].中國建筑防水，2007（7）：13-15.

[2]周明凱，李夢龍.CFB矸石渣干粉砂漿的制備及其性能研究[J].硅酸鹽通報，2017，36（9）：3 186-3 191.

[3]張 恒，劉興元.纖維增強干粉修補砂漿的力學(xué)性能研究[J].低溫建筑技術(shù)，2013，35（6）：14-15.

[4]王洪鎮(zhèn).建筑抗裂干粉抹灰砂漿的研制與應(yīng)用[J].化學(xué)建材，2007（2）：38-40.

[5]徐小紅，萬體智，莫 丹，等.新型抗裂抹面砂漿研究[J].混凝土與水泥制品，2006（6）：51-53.

[6]張志軍，曹露春.抹面抗裂砂漿的優(yōu)化設(shè)計[J].建筑材料學(xué)報，2008（10）：598-604.

[7]劉德春，盧忠遠(yuǎn).低等級粉煤灰的粒徑對干粉砂漿性能的影響[J].新型建筑材料，2004（11）：56-58.