摘要：采用含有16％石粉的机制砂为原料制备干粉砂浆。研究羟丙基纤维素、消泡剂、减水剂及粉煤灰对M5.0～ M30干粉砂浆性能的影响。结果表明：纤维素掺入砂浆，大大改善了砂浆保水性能但使强度有所降低；在干粉砂浆中加入0.1％的纤维素，同时加入消泡剂和减水剂，可以提高强度；粉煤灰的加入可以改善胶砂比较小的干粉砂浆的泌水现象。
关键词：石灰石尾矿；机制砂；干粉砂浆；羟丙基纤维素；消泡剂
近10年来，干粉砂浆作为继预拌混凝土之后的又一新型绿色建筑材料，在品质、效率、经济和环保等方面的优越性已日益显示出来[1—2]。并得到了政府层面的大力倡导和工程领域的积极推广使用。但是我国许多地方由于长年无序开采河砂，导致大量河道砂源基本接近枯竭，严重破坏生态环境平衡，因此许多地方政府已经禁止河道捞砂。这种环境下，建筑干混砂浆行业必须寻找天然河砂以外的用砂途径。石灰岩是我国碎石、机制砂最主要的岩种，砂石加工业生产过程中产生大量石粉，多数砂石企业把机制砂中的石粉冲洗后用于混凝土，这不仅提高了成本高，浪费了水资源和污染了环境。如果将这种含石粉量较高的机制砂用于制备干粉砂浆，不仅增加了干粉砂浆的和易性，降低了水泥用量、还大量利用固体废弃物资源[3]。
采用含有16% 左右石粉的机制砂为原料，通过对其粒径和级配的优选，使其达到中砂要求。研究羟丙基纤维素、消泡剂、减水剂及粉煤灰对M5.0—M30 干粉砂浆性能的影响。
1 原材料和试验方法
1.1 原材料
（1）新疆天山PC32.5 水泥、水泥的主要性能指标见表1。
（2）试验用砂为新疆石灰岩尾矿在加工石子以后得到的小颗粒，再通过制砂机得到的高质量人工砂，性能见表2、表3。
（3）新疆南疆粉煤灰。粉煤灰的细度（45μm 筛余）为2.2 %，需水量比为104%。
（4）化学外加剂：羟丙基甲基纤维素；消泡剂（有机硅）；奈系减水剂。
1.2 试验方法
（1）试样制备：干粉砂浆的均匀性决定其质量的高低，试验为了确保干粉料的均匀性，采用以下方式进行拌合物制备：先将水泥、粉煤灰、外加剂等组分混合搅拌均匀（180 s），再加入砂子拌合均匀，最后加水拌合。干粉砂浆试块成型后，在温度（20±2）℃、相对湿度大于60%的环境下停置一昼夜（24±2h），然后对试件进行编号并拆模。试件拆模后应在标准养护条件下（温度（20±2）℃、相对湿度大于90%）继续养护至规定龄期。
（2）性能测试：本试验主要选择2种尺寸试模进行试验，为明显起见，在试验结果部分均标明所用试模情况。干粉砂浆的稠度、分层度、立方体抗压强度及凝结试件等性能测试参照《建筑砂浆基本性能试验方法》（JGJ70‐90）进行，40mm×40mm×160mm 尺寸试块抗折、抗压强度测定参照《水泥胶砂强度试验方法》（GB/T17671‐1999）。砂浆抗压强度参照JGJ/T70‐2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行，试件尺寸规格为70.7mm×70.7mm×70.7mm。拉伸粘结强度参照JG/T230‐2007《预拌砂浆》附录B砂浆拉伸粘结强度试验方法进行，试件尺寸规格为40mm×40mm×6mm。
2 试验内容与结果分析
2.1 羟丙基甲基纤维素（HPMC）掺量对砂浆和易性及强度影响
在干粉砂浆中常选用羟丙基甲基纤维素（HPMC）来改善砂浆的和易性，其适宜的掺量决定了砂浆的质量与成本。试验通过HPMC保水性能试验以及力学性能试验研究其对砂浆性能的影响，确定HPMC 的适宜掺量。保水性能试验以分层度评定砂浆的保水性，纤维素的掺量依次为水泥用量的0、0.05%、0.1%、0.15%、0.20%、0.30%、0.40%，研究不同掺量HPMC对拌合物稠度和分层度的影响。
2.1.1 羟丙基甲基纤维素掺量对砂浆分层度的影响
砂浆稠度为（100±10）mm 时不同纤维素掺量的砂浆分层度测定试验结果见表4。
由表4 可知，在砂浆流动度（稠度）相同的情况下，随着纤维素掺量的增加，分层度减小。纤维素不掺或掺量较少（<0.05%）时砂浆拌合物的分层度较大，保水性不良，容易产生离析，不利于施工；纤维素掺量过大（> 0.20%）时，砂浆拌合物的分层度过小或接近于零，这样的砂浆硬化时可能会有较大的干燥收缩值，加剧裂缝产生。工程中一般要求砂浆的分层度不大于30mm而不小于10mm。此外在试验中观察到当掺量达到0.20% 时，砂浆黏度急剧增加，不利于施工。当掺量为0.10%—0.15%时，对保水性能的改善效果明显。
2.1.2 羟丙基甲基纤维素掺量对砂浆抗压强度的影响
砂浆稠度为（100±10）mm时不同纤维素掺量的砂浆抗压强度测定试验结果见表5。
由表5可知，掺入纤维素后砂浆抗压强度降低，且随掺量增加，降低幅度逐渐增大。比如当掺量为0.15%时，抗压强度降低13.5%左右，拉伸粘结强度降低23%左右；当掺量为0.20%时，抗压强度和拉伸粘结强度迅速降低。但当纤维素掺量超过一定值时，砂浆抗压强度和拉伸粘结强度则不再大幅度降低。这主要是由于纤维素引入了大量的气泡，由于较大量掺加HPMC后，拌合物黏度增大，试件成型时气泡较难驱除，使砂浆的孔隙率大大增加，从而导致强度大幅度下降。
综合以上分析可知，少量纤维素掺入即可大大改善砂浆的保水性能，使得新拌砂浆的和易性得以改善；掺量增大，可提高砂浆黏度，但纤维素的掺入不利于强度发展。从保水性，和易性和力学性能等方面考虑，选择纤维素的合理掺量为0.10%—0.15%。
2.2 初始配合比确定以及试验结果与分析
本试验选定灰砂比为1:2、1:3、1:4、1:5、1:6水泥砂浆作为基准砂浆，在此基础上分别掺入HPMC和粉煤灰，由于羟丙基纤维素的加入降低了砂浆的强度，因此，在干粉砂浆中同时掺入消泡剂和减水剂，来弥补强度的降低。
2.2.1 干粉砂浆初步配合比
干粉砂浆试验配合比及试验结果见表6。
2.2.2 结果分析
由表6可知：（1）砂浆强度受水灰比、灰砂比的影响比较明显，随着水灰比增大或灰砂比减小，砂浆强度随之下降，这说明调整水灰比和灰砂比可以配制出不同强度等级的砂浆。试验中观察到由水泥、水、砂配制的基准砂浆在稠度满足有关规定的情况下，均有不同程度的泌水离析现象，且灰砂比越小泌水越严重。在实际施工时这种砂浆将会严重影响砌体强度和抹面质量，并导致塑性开裂，因此必须采取有效措施改善砂浆的保水性能。
（2）根据表6可知“从保水性，和易性和力学性能等方面考虑，选择纤维素的合理掺量为0.10%—0.15%。”，在干粉砂浆中加入0.1%的纤维素，并采取同时加入消泡剂和减水剂，以减少用水量和降低气泡含量，提高强度。加入纤维素后砂浆和易性大大改善，只有灰砂比为1∶6时砂浆稍泌水，其余均不泌水。并且明显看出：加入纤维素、消泡剂、减水剂后砂浆的水灰比比基准砂浆降低，抗压和抗折强度略有下降趋势。
其原因可以理解如下：未掺纤维素的基准砂浆泌水严重，灰砂比越小泌水越严重，这主要是由于随着灰砂比减小，砂浆中浆体量减少，自由液相层减小，为达到相同流动性，往往加入大量水来增加浆体量，因而泌水越严重。
砂浆中纤维素的保水性能主要表现在：一方面，表面活性剂效应可以释放出水泥中的絮凝水，且能使水分子不易自由移动，宏观表现为用水量的减少和砂浆和易性的改善。另一方面，纤维素具有一定的需水量，能够增加浆体量而改善砂浆泌水性。
纤维素的增稠性（也称引气性）对强度的影响，即纤维素溶液较大的豁度可以大大增加砂浆拌合物的豁度，不利于气泡的排出，从而影响强度。当同时加入消泡剂、减水剂后，由于消除了纤维素所带入的气泡以及降低了干粉砂浆的用水量，使干粉砂浆的强度比单掺纤维素时明显提高，和基准砂浆相比，强度降低不明显。
（3）将粉煤灰替代一部分水泥，增加胶凝材料总量，在用水量不变，相应的水胶比降低的情况下，可以配制出与不掺粉煤灰时强度相当的砂浆，强度达到M5.0、M10、M15、M20、M30强度等级的砂浆，且和易性得到改善，特别是在胶砂比较小是，泌水现象达到良好的改善。
基准砂浆、掺纤维素等的改性砂浆与掺纤维素等、粉煤灰砂浆间的水胶比大小关系如下：基准砂浆> 纤维素改性砂浆> 双掺砂浆。即使纤维素的掺入对砂浆的强度发展不利，而掺粉煤灰、纤维素、消泡剂、减水剂却可以相对提高抗压强度。这主要与粉煤灰、纤维素等复合掺入大大降低砂浆水胶比有关，砂浆更密实，从而强度有所改善。
2.3 最终干粉砂浆配比确定及相关性能测定
2.3.1 试验内容及方法
根据初始配合比的试验结果，考虑灰砂比与水胶比对砂浆强度的影响，适当调整配比。并考虑水胶比对有底试模成型抗压强度的影响以及尺寸效应。对所确定的干粉砂浆测定粘结强度与凝结时间，以无底试模70.7mm×70.7mm×70.7mm 成型，测定抗压强度。
2.3.2 试验结果及分析
砂浆配合比及各性能测定结果如表7、表8。
由表8可知，所配制的砂浆和易性好，既有足够的抗压强度又有较好的粘结强度。不仅分层度小，满足有关标准规范的要求（干粉砌筑砂浆的分层度≤25mm；干粉抹灰砂浆的分层度≤20mm）外，凝结时间也符合相关要求（≤8h） .
2.4 扫描电镜试验及分析
2.4.1 试验样品的准备
本试验所用样品取自表5所示配合比的7 号和9 号砂浆抗压强度试验的试件，试件在标准养护室中养护至28d 后进行抗压强度试验，压碎后从试件中部取出一部分小块样品，用过量无水乙醇溶液中浸泡2 天，然后放入带鼓风装置的烘箱中烘干，然后喷碳备用。
2.4.2 试验结果与分析
采用扫描电镜观察普通砂浆与干粉砂浆微观形貌的特征，对两者存在的差异进行分析比较。普通砂浆和干粉砂浆的微观形貌分别见图1和图2。
从图1 可以看出，普通砂浆中有大量的针状钙矾石和片状的Ca（OH）2，并且与网络状和颗粒状C‐S‐H包裹在一起。由于水胶比较大，在集料周围往往成为高水灰比区域，有较多的形貌发展较好的晶体存在，且基准砂浆大孔隙区的较大。
从图2 可以看出，即使羟丙基纤维素的掺入对砂浆的强度发展不利，但当掺入消泡剂、减水剂后，水胶比有很大降低，砂浆中集料的过渡区有所改善，且水泥粉煤灰砂浆中Ca（OH）2 晶体的量明显减少，基本没有富集及定向排列现象。这主要是粉煤灰的活性效应降低了Ca（OH）2 晶体生成量，因此粉煤灰的微集料效应及活性效应，一定程度上可以改善砂浆的强度。
3 结论
（1）采用石灰岩尾矿在加工石子以后得到的小颗粒，再通过制砂机得到的高质量人工砂完全可以用于干粉砂浆的配制。
（2）纤维素掺入砂浆，大大改善了砂浆保水性能但使强度有所降低，从保水性，和易性和力学性能等方面考虑，选择纤维素的合理掺量为0.10%—0.15%。
（3）在干粉砂浆中加入0.1% 的纤维素，并采取同时加入消泡剂和减水剂，以减少用水量和降低气泡含量，提高强度。结果表明：加入纤维素、消泡剂、减水剂后砂浆的水灰比比基准砂浆降低，抗压和抗折强度略有下降。
（4）粉煤灰的加入可以改善胶砂比较小的干粉砂浆的泌水现象，且可以配制出与不掺粉煤灰时强度相当的砂浆，强度达到M5.0、M10、M15、M20 、M30强度等级。
参考文献：
[1]王培铭.商品砂浆在中国的发展[J] .上海建材,2002（5）:19‐21.WANG Pei‐ming.Develop of dry‐mixedmortar in China [ J ] .ShanghaiBuildingMateria,l 2002（5）:19‐21.
[2]王培铭,张国防.干混砂浆的发展和聚合物干粉的作用[J].中国水泥,2004（1）:45‐48 .WANG Pei‐ming ,ZHANG Guo‐fang .Develop of dry‐mixedmortar and function ofpolymer powder [J] .China Cement ,2004（1）:45‐48 .
[3]刘娟红,宋少民.绿色高性能混凝土技术与工程应用.北京:中国电力出版社,2011
作者：刘娟红1，包文忠2，赵文新2，靳冬民2，张黎2
（1. 北京科技大学，北京；2. 新疆天山水泥股份有限公司，乌鲁木齐）
编辑：金哲
