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(qiáng)度、抗折強(qiáng)度性能進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度呈下降趨勢，對7 d早期強(qiáng)度的劣化效果更為顯著，而對28 d強(qiáng)度的劣化有所減弱;（3）隨灰砂比的降低，砂漿的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)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(qiáng)度、抗折強(qiáng)度值均低于基準(zhǔn)砂漿的強(qiáng)度，且隨著灰砂比的降低，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度損失變化率均呈先增加后降低的變化趨勢。總之，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(jì)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(bǔ)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(jìn)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(jī)理進(jìn)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(jìn)行了砂漿的基本性能試驗，通過對砂漿的抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度、抗折強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)度、抗折強(qiáng)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(qiáng)度檢驗方法》（GBT 17671-1999）進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)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(bǔ)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(jìn)水泥水化，保證后期強(qiáng)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(qiáng)度試驗結(jié)果分析，纖維素的添加劣化了砂漿的力學(xué)強(qiáng)度，尤其在摻加用量>0.15%后，抗壓強(qiáng)度值下降顯著;而在0.2%～0.35%范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)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(qiáng)度下降了15.5%（與未摻加相比），在0.15%時，抗壓強(qiáng)度下降了21.8%，而在0.2%時，抗壓強(qiáng)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(jìn)而影響試件的力學(xué)強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度呈顯著下降趨勢，其中7 d齡期的力學(xué)強(qiáng)度值劣化更為明顯，28 d的抗壓強(qiáng)度影響進(jìn)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(qiáng)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(jìn)而降低了力學(xué)強(qiáng)度。

（2）隨著砂漿養(yǎng)護(hù)齡期的增加，粉煤灰對力學(xué)強(qiáng)度的影響逐漸下降，說明隨著養(yǎng)護(hù)周期的增加，水泥水化持續(xù)進(jìn)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(jìn)一步促進(jìn)砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實，使強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度性能影響較大。隨灰砂比的降低，其抗折、抗壓強(qiáng)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(qiáng)度、抗折強(qiáng)度值均低于基準(zhǔn)砂漿的強(qiáng)度，且隨著灰砂比的降低，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度降低率大于抗折強(qiáng)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(qiáng)度值分別為56 MPa和45.2 MPa，在1∶3時，抗壓強(qiáng)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(tuán)分子與憎水基團(tuán)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(qiáng)度的發(fā)展，減緩了水泥水化的進(jìn)程，尤其是水泥硬化過程中礦質(zhì)熟料比例的減少，對強(qiáng)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(jìn)而影響試件的力學(xué)強(qiáng)度。

（3）對于纖維素HPMC改性砂漿而言，灰砂比的變化對砂漿強(qiáng)度的影響高于基準(zhǔn)砂漿，HPMC對砂漿強(qiáng)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(jìn)而對強(qiáng)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(qiáng)度的發(fā)展，且HPMC的增稠對強(qiáng)度的劣化相對減少，綜合表現(xiàn)出砂漿強(qiáng)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(qiáng)度而言，HPMC劣化了砂漿的力學(xué)強(qiáng)度，尤其在摻加用量>0.15%后，抗壓強(qiáng)度值下降顯著;而在0.2%～0.35%范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)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(qiáng)度呈下降趨勢，其中對7 d早期強(qiáng)度的劣化效果更為顯著，而對28 d強(qiáng)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(jìn)而降低了力學(xué)強(qiáng)度。另外，隨著砂漿養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥水化持續(xù)進(jìn)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(jìn)一步促進(jìn)砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實，使強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度、抗壓強(qiáng)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(qiáng)度、抗折強(qiáng)度值均低于基準(zhǔn)砂漿的強(qiáng)度，且隨著灰砂比的降低，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)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%。

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