新型稠化粉在建筑砂浆中的应用研究

1 中国矿业大学材料系 2 北京城建四公司中心试验室高昱 张岩 王栋民 左彦峰

　　摘要：膨润土（矿物学名称叫蒙脱石），以其超微细的组织结构和特殊性能在国际上已被广泛应用于多个方面。以膨润土为主要原料的砂浆稠化粉不含石灰和引气成分，可替代全部石灰膏用于混合砂浆中，掺稠化粉砂浆抗压强度高，抗渗性好，收缩值低耐久性好，适用于所有砌筑和粉刷砂浆 。本文通过宏观对比性试验，建筑砂浆中掺复合外加剂和膨润土后分层度比传统的掺加石灰膏的砂浆明显减小，早期强度提高|，而且高于掺石灰膏砂浆的强度]，但掺量仅为石灰膏的1/5左右，且防水性能有所增强通过微观XRD和SEM分析，发现抗压强度、抗渗能力增加的原因在于水化充分、结构密实。砂浆稠化粉的使用，提高和改善建筑工程质量;，促进砂浆商品化进程，并获得良好的经济效益，同时具有环保意义。 

前言 

　　广泛使用的建筑砂浆按用途分为砌筑、抹灰和饰面砂浆，按组成可分为水泥石灰混合砂浆和水泥砂浆。混合砂浆保水性和可操作性好、易施工，但存在耐水差、收缩大、粘结强度低和耐久性差等缺点。水泥砂浆虽然克服了混合砂浆的缺点，但同时又存在和易性差、泌水多、水泥用量偏高、砂浆硬化快等不足，因为现场搅拌存在环保问题(产生大量粉尘),质量难以控制,材料浪费严重;混合砂浆及水泥砂浆,主要问题是施工性能,耐久性不能相统一,对水泥砂浆来说,施工性不好,成本高,很容易开裂;虽然其他体系(掺加石灰精,引气剂,保水剂, 纤维素醚)来说,施工性能虽能得到保证,但成本很高,具体对砌筑砂浆来说,成本增加100-150元/m3，抹灰砂浆来说成本增加200元/m3。从行业发展的趋势来看，砂浆正如当年的混凝土一样在走向商品化，传统的石灰膏类保水增稠剂不能满足实际大规模商品生产的需求，新型砂浆稠化粉成为建筑砂浆业进一步发展的必需。本文采用膨润土和其他外加剂一起作为保水增稠剂，取代了石灰膏，在保证砂浆性能的同时，又节约了砂浆的成本，降低了能耗，保护了环境，实现了建筑砂浆的“绿色”发展。 

1.原材料与试验方法

　　1.1原材料

　　膨润土: 膨润土的矿物学名称叫蒙脱石.蒙托石是由纳米级的颗粒(10-11-10-9m)组成, 国外称其为天然纳米材料,也叫“万用土”. 它是在地质年代中由天然的火山灰变质而成。膨润土由片状硅酸盐矿物组成的，属于铝硅酸盐族。其化学成分和物理性能分别见表1和表2

　　水泥:北京水泥厂的42.5级P.O水泥；

　　砂:中砂，细度模数2.8,堆积密度1.34g/cm3；

　　复合外加剂:由中国矿业大学材料系自主开发。

　　1.2试验方法

　　砂浆配合比按JGJ－2000《砌筑砂浆的配合比设计规程》设计，并按JGJ70－90《建筑砂浆基本性能试验方法》的规定拌和成型试件，测定分层度、力学性能。抗渗压力按JC474－1999《砂浆、混凝土防水剂》的规定拌和成型试件，测定抗渗压力值 。拌和时用水量根据砂浆稠度而定，一般稠度宜在70~90cm 。抗冻性：参照JGJ 82－85和建筑砂浆性能试验方法进行。采用慢冻法（气冻水融），在－15~－20℃温度下冻3h，取出放于15~20℃水中融3h为一次冻融循环。 

　　1.3微观试验方法

　　1.3.1 水泥稠化粉净浆X射线衍射测试试验仪器：X射线衍射仪，XRM－120×3玛瑙三头研磨机，真空干燥箱(ZD79 型)。

　　试验步骤：

　　1）将到龄期的试样用玛瑙三头研磨机磨碎，研磨时加入适量酒精以防止碳化，研磨约20分钟。

　　2）取出磨好的混合物，放在滤纸上，一同放入抽气机里将酒精虑掉。

　　3) 将抽完酒精的滤纸和试样一同放入真空干燥机里干燥。烘干后将试样装入试样袋里封存，准备做X衍射试验。

　　4) 做X衍射试验。

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　　1.3.2. 扫描电镜试验试验仪器：SEM仪，真空干燥箱。

　　试验步骤：

　　1）将到龄期的试样放入真空干燥箱里干燥5～6小时，每组试样取一小块，编号。 

　　2) 对试样做喷金处理。 

　　3) 放入SEM仪做扫描电镜试验

2.试验结果讨论。 

　　2.1稠化粉建筑砂浆的性能

　　2.1.1稠化粉建筑砂浆的配合比稠化粉本身就具有一定的强度，保证了砂浆后期强度增长稳定性。本文主要利用了膨润土的保水增稠触变等性质，通过复合外加剂对膨润土的改性，既利用了膨润土的保水增稠等作用，又控制了膨润土的极端膨胀性等有害作用，从而使砂浆的各项技术指标优于传统砂浆。膨润土、复合外加剂统称为新型砂浆稠化粉。通过对掺稠化粉砂浆配合比的优化、复合外加剂的优选得出的高性能的建筑砂浆配合比见表3

　　试验结果表明，掺稠化粉砂浆的工作性能良好，稠度控制在70~90mm，分层度均在10~15mm，满足现行砂浆的标准。通过与掺石灰膏砂浆的对比，掺稠化粉砂浆的工作性优于掺石灰膏砂浆的工作性，充分说明了新型稠化粉替代石灰膏的可行性，分析原因在于膨润土特有的天然保水、增稠、触变、润滑性,提高了砂浆的工作和易性，延长了砂浆的可操作时间，是良好的保水增稠材料。 

　　2.1.2稠化粉建筑砂浆的力学性能研究

　　按表3 的配合比制备的砂浆的力学性能见表4

　　表4 的结果表明，掺稠化粉砂浆具有良好的力学性能，与等级强度值相比，7d抗压强度均超过了100％，28d抗压强度分别达到了286％、193％、154％，后期强度仍持续增长。与掺石灰膏砂浆的抗压强度相比，同等级砂浆的7d、28d均要高出许多；不仅如此，抗渗压力也较掺石灰膏砂浆的高，这正是膨润土复合外加剂的综合结果，膨润土具有保水增稠作用的同时还具有强度，保证了强度的稳定增长；此外，膨润土也具有吸水膨胀的作用，将砂浆中的微孔填充了，起到了密实的作用，这即为砂浆抗渗性能提高的原因。

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　　2.1.3稠化粉建筑砂浆的变形性能研究掺稠化粉砂浆试件的干燥收缩和水中自有膨胀试验见表5

　　表5 的结果表明，掺膨润土砂浆具有微膨胀的作用。28d干燥收缩率较低。28d水中自由膨胀率在0.1%~0.2%,而且随膨润土掺量的提高有降低的趋势。同等级砂浆相比来看，掺膨润土砂浆的干燥收缩要低于掺稠化粉砂浆的，而水中自由膨胀率要大于掺石灰膏砂浆的，说明了掺膨润土砂浆具有更好的稳定性。

　　2.1.4稠化粉建筑砂浆的抗冻性研究试验结果见表6

　　试验结果表明:  

　　（1）同等级相比，就后期强度的增长而言，掺稠化粉砂浆的增幅要高于掺石灰膏砂浆的增幅，表面了稠化粉在砂浆后期强度增长中发挥了作用。

　　（2）冻融循环后，掺石灰膏砂浆的强度损失率较大，质量损失率也较大，而掺稠化粉砂浆的强度损失率、质量损失率都较小。 

　　（3）就不同强度等级而言，随着膨润土的掺量增大，冻融循环后强度、质量损失率都将增大。

　　2.1.5机理分析 

　　从前面的工作和易性、力学性能、变形性能、抗冻性宏观试验，不难看出，由膨润土和复合外加剂组成的砂浆稠化粉制得的砂浆的工作和易性、力学性能和耐久性都能满足建筑砂浆的使用要求，并且各方面性能要优于以石灰膏为保水增稠剂砂浆的；笔者也作了掺膨 润土砂浆的试验，发现其早期强度低，后期强度增长缓慢，为此加入了复合外加剂，从而解决了掺膨润土的弊端。为找到稠化粉砂浆宏观上优异性能找到微观机理的解释，又进行了X衍射和扫描电镜试验，试样为M7.5级（配合比同前，未掺砂，水胶比0.4，试验旨在对比复合外加剂对膨润土改性复配的机理，并由此进一步解释了稠化粉的作用机理。X衍射对比图见图1

图1 掺稠化粉和单掺膨润土的水泥净浆的X 衍射图样对比图

　　（上图为掺稠化粉净浆试样，下图为单掺膨润土净浆试样）从图1中可以看出掺稠化粉的净浆体系28天龄期的CH（水泥水化产物）三强峰值[3]比未掺复合外加剂净浆体系体系的低，从化学反应平衡理论可得当水泥水化反应生成物氢氧化钙（CH）的浓度降低，进一步加快水泥水化反应，复合外加剂与CH 结合，生成的硫铝酸盐的三强峰值比未掺复合外加剂的有所上升，而硫铝酸盐也可以使砂浆产生强度，说明前者水化比后者充分，这正是前者强度较后者高的原因。

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　　SEM试验结果见图2、图3掺稠化粉净浆的SEM图

　　从图2、3中可以看出，掺膨润土净浆的SEM 中，结构不够密实，孔隙较多，而后者的结构教密实，从而使浆体抗压强度和抗渗性能得到提高；前者的絮状水化硅酸钙较分散，很明显后者的絮状水化硅酸钙分布较密集 

　　2.2应用分析  

　　综上所述，稠化粉在实际应用中具有以下优点:

　　1）稠化粉为粉状干物料，而石灰膏含水达50％，并且用量仅为石灰膏的20％。因此，减轻劳动强度，改善作业环境；

　　2）稠化粉不含石灰，避免了砂浆因石灰过烧或消化不良等因素而导致砂浆层起壳、爆裂和开裂等质量通病； 

　　3）稠化粉不含引气剂，从而避免了由于引气不当而导致砂浆强度下降幅度过大；

　　4）替代了石灰膏，也就意味着避免了煅烧石灰石，节约了能源，保护了环境，还可以促进砂浆的商品化； 

　　5）从经济效益分析，用稠化粉替代全部石灰膏在现场配制的砂浆材料成本与混合砂浆基本相同。与水泥砂浆相比，由于采用稠化粉后可节约水泥，因此，材料成本可降低5-10元/m3。 

3.结论 

　　1）膨润土具有良好的保水、增稠性，通过对膨润土的改性，制得所需的砂浆稠化粉； 

　　2）掺筹化粉砂浆的分层度值、施工的可操作性明显优于掺石灰膏的混和砂浆，而且防水性能明显改善；

　　3）掺稠化粉砂浆的强度方面，通过掺稠化粉砂浆与掺石灰膏砂浆的比对试验，掺稠化粉砂浆的7天强度、28天强度，都能满足所配的不同强度等级的强度要求，强度高于同等级传统掺石灰膏砂浆的强度，但是掺量远小于石灰膏的掺量； 

　　4）掺稠化粉的净浆体系28天龄期的CH三强峰值比掺石灰膏净浆体系的低，而且前者中的硫铝酸盐的三强峰值比后者的有所上升，说明前者水泥水化比后者快，这是前者强度较后者高的原因。掺石灰膏净浆的SEM中，结构不够密实，孔隙较多，而后者的结构教密实，就这一点上可也解释为什么稠化粉增加砂浆体系抗压强度和较高的抗渗压力；掺石灰膏试样的絮状水化硅酸钙较分散，掺稠化粉试样后者的絮状水化硅酸钙分布较密集。