摘要：采用含有16％石粉的機制砂為原料制備干粉砂漿。研究羥丙基纖維素、消泡劑、減水劑及粉煤灰對M5.0～ M30干粉砂漿性能的影響。結果表明：纖維素摻入砂漿，大大改善了砂漿保水性能但使強度有所降低；在干粉砂漿中加入0.1％的纖維素，同時加入消泡劑和減水劑，可以提高強度；粉煤灰的加入可以改善膠砂比較小的干粉砂漿的泌水現象。
關鍵詞：石灰石尾礦；機制砂；干粉砂漿；羥丙基纖維素；消泡劑
近10年來，干粉砂漿作為繼預拌混凝土之后的又一新型綠色建筑材料，在品質、效率、經濟和環保等方面的優越性已日益顯示出來[1—2]。并得到了政府層面的大力倡導和工程領域的積極推廣使用。但是我國許多地方由于長年無序開采河砂，導致大量河道砂源基本接近枯竭，嚴重破壞生態環境平衡，因此許多地方政府已經禁止河道撈砂。這種環境下，建筑干混砂漿行業必須尋找天然河砂以外的用砂途徑。石灰巖是我國碎石、機制砂最主要的巖種，砂石加工業生產過程中產生大量石粉，多數砂石企業把機制砂中的石粉沖洗后用于混凝土，這不僅提高了成本高，浪費了水資源和污染了環境。如果將這種含石粉量較高的機制砂用于制備干粉砂漿，不僅增加了干粉砂漿的和易性，降低了水泥用量、還大量利用固體廢棄物資源[3]。
采用含有16% 左右石粉的機制砂為原料，通過對其粒徑和級配的優選，使其達到中砂要求。研究羥丙基纖維素、消泡劑、減水劑及粉煤灰對M5.0—M30 干粉砂漿性能的影響。
1 原材料和試驗方法
1.1 原材料
（1）新疆天山PC32.5 水泥、水泥的主要性能指標見表1。
（2）試驗用砂為新疆石灰巖尾礦在加工石子以后得到的小顆粒，再通過制砂機得到的高質量人工砂，性能見表2、表3。
（3）新疆南疆粉煤灰。粉煤灰的細度（45μm 篩余）為2.2 %，需水量比為104%。
（4）化學外加劑：羥丙基甲基纖維素；消泡劑（有機硅）；奈系減水劑。
1.2 試驗方法
（1）試樣制備：干粉砂漿的均勻性決定其質量的高低，試驗為了確保干粉料的均勻性，采用以下方式進行拌合物制備：先將水泥、粉煤灰、外加劑等組分混合攪拌均勻（180 s），再加入砂子拌合均勻，最后加水拌合。干粉砂漿試塊成型后，在溫度（20±2）℃、相對濕度大于60%的環境下停置一晝夜（24±2h），然后對試件進行編號并拆模。試件拆模后應在標準養護條件下（溫度（20±2）℃、相對濕度大于90%）繼續養護至規定齡期。
（2）性能測試：本試驗主要選擇2種尺寸試模進行試驗，為明顯起見，在試驗結果部分均標明所用試模情況。干粉砂漿的稠度、分層度、立方體抗壓強度及凝結試件等性能測試參照《建筑砂漿基本性能試驗方法》（JGJ70‐90）進行，40mm×40mm×160mm 尺寸試塊抗折、抗壓強度測定參照《水泥膠砂強度試驗方法》（GB/T17671‐1999）。砂漿抗壓強度參照JGJ/T70‐2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》進行，試件尺寸規格為70.7mm×70.7mm×70.7mm。拉伸粘結強度參照JG/T230‐2007《預拌砂漿》附錄B砂漿拉伸粘結強度試驗方法進行，試件尺寸規格為40mm×40mm×6mm。
2 試驗內容與結果分析
2.1 羥丙基甲基纖維素（HPMC）摻量對砂漿和易性及強度影響
在干粉砂漿中常選用羥丙基甲基纖維素（HPMC）來改善砂漿的和易性，其適宜的摻量決定了砂漿的質量與成本。試驗通過HPMC保水性能試驗以及力學性能試驗研究其對砂漿性能的影響，確定HPMC 的適宜摻量。保水性能試驗以分層度評定砂漿的保水性，纖維素的摻量依次為水泥用量的0、0.05%、0.1%、0.15%、0.20%、0.30%、0.40%，研究不同摻量HPMC對拌合物稠度和分層度的影響。
2.1.1 羥丙基甲基纖維素摻量對砂漿分層度的影響
砂漿稠度為（100±10）mm 時不同纖維素摻量的砂漿分層度測定試驗結果見表4。
由表4 可知，在砂漿流動度（稠度）相同的情況下，隨著纖維素摻量的增加，分層度減小。纖維素不摻或摻量較少（<0.05%）時砂漿拌合物的分層度較大，保水性不良，容易產生離析，不利于施工；纖維素摻量過大（> 0.20%）時，砂漿拌合物的分層度過小或接近于零，這樣的砂漿硬化時可能會有較大的干燥收縮值，加劇裂縫產生。工程中一般要求砂漿的分層度不大于30mm而不小于10mm。此外在試驗中觀察到當摻量達到0.20% 時，砂漿黏度急劇增加，不利于施工。當摻量為0.10%—0.15%時，對保水性能的改善效果明顯。
2.1.2 羥丙基甲基纖維素摻量對砂漿抗壓強度的影響
砂漿稠度為（100±10）mm時不同纖維素摻量的砂漿抗壓強度測定試驗結果見表5。
由表5可知，摻入纖維素后砂漿抗壓強度降低，且隨摻量增加，降低幅度逐漸增大。比如當摻量為0.15%時，抗壓強度降低13.5%左右，拉伸粘結強度降低23%左右；當摻量為0.20%時，抗壓強度和拉伸粘結強度迅速降低。但當纖維素摻量超過一定值時，砂漿抗壓強度和拉伸粘結強度則不再大幅度降低。這主要是由于纖維素引入了大量的氣泡，由于較大量摻加HPMC后，拌合物黏度增大，試件成型時氣泡較難驅除，使砂漿的孔隙率大大增加，從而導致強度大幅度下降。
綜合以上分析可知，少量纖維素摻入即可大大改善砂漿的保水性能，使得新拌砂漿的和易性得以改善；摻量增大，可提高砂漿黏度，但纖維素的摻入不利于強度發展。從保水性，和易性和力學性能等方面考慮，選擇纖維素的合理摻量為0.10%—0.15%。
2.2 初始配合比確定以及試驗結果與分析
本試驗選定灰砂比為1:2、1:3、1:4、1:5、1:6水泥砂漿作為基準砂漿，在此基礎上分別摻入HPMC和粉煤灰，由于羥丙基纖維素的加入降低了砂漿的強度，因此，在干粉砂漿中同時摻入消泡劑和減水劑，來彌補強度的降低。
2.2.1 干粉砂漿初步配合比
干粉砂漿試驗配合比及試驗結果見表6。
2.2.2 結果分析
由表6可知：（1）砂漿強度受水灰比、灰砂比的影響比較明顯，隨著水灰比增大或灰砂比減小，砂漿強度隨之下降，這說明調整水灰比和灰砂比可以配制出不同強度等級的砂漿。試驗中觀察到由水泥、水、砂配制的基準砂漿在稠度滿足有關規定的情況下，均有不同程度的泌水離析現象，且灰砂比越小泌水越嚴重。在實際施工時這種砂漿將會嚴重影響砌體強度和抹面質量，并導致塑性開裂，因此必須采取有效措施改善砂漿的保水性能。
（2）根據表6可知“從保水性，和易性和力學性能等方面考慮，選擇纖維素的合理摻量為0.10%—0.15%。”，在干粉砂漿中加入0.1%的纖維素，并采取同時加入消泡劑和減水劑，以減少用水量和降低氣泡含量，提高強度。加入纖維素后砂漿和易性大大改善，只有灰砂比為1∶6時砂漿稍泌水，其余均不泌水。并且明顯看出：加入纖維素、消泡劑、減水劑后砂漿的水灰比比基準砂漿降低，抗壓和抗折強度略有下降趨勢。
其原因可以理解如下：未摻纖維素的基準砂漿泌水嚴重，灰砂比越小泌水越嚴重，這主要是由于隨著灰砂比減小，砂漿中漿體量減少，自由液相層減小，為達到相同流動性，往往加入大量水來增加漿體量，因而泌水越嚴重。
砂漿中纖維素的保水性能主要表現在：一方面，表面活性劑效應可以釋放出水泥中的絮凝水，且能使水分子不易自由移動，宏觀表現為用水量的減少和砂漿和易性的改善。另一方面，纖維素具有一定的需水量，能夠增加漿體量而改善砂漿泌水性。
纖維素的增稠性（也稱引氣性）對強度的影響，即纖維素溶液較大的豁度可以大大增加砂漿拌合物的豁度，不利于氣泡的排出，從而影響強度。當同時加入消泡劑、減水劑后，由于消除了纖維素所帶入的氣泡以及降低了干粉砂漿的用水量，使干粉砂漿的強度比單摻纖維素時明顯提高，和基準砂漿相比，強度降低不明顯。
（3）將粉煤灰替代一部分水泥，增加膠凝材料總量，在用水量不變，相應的水膠比降低的情況下，可以配制出與不摻粉煤灰時強度相當的砂漿，強度達到M5.0、M10、M15、M20、M30強度等級的砂漿，且和易性得到改善，特別是在膠砂比較小是，泌水現象達到良好的改善。
基準砂漿、摻纖維素等的改性砂漿與摻纖維素等、粉煤灰砂漿間的水膠比大小關系如下：基準砂漿> 纖維素改性砂漿> 雙摻砂漿。即使纖維素的摻入對砂漿的強度發展不利，而摻粉煤灰、纖維素、消泡劑、減水劑卻可以相對提高抗壓強度。這主要與粉煤灰、纖維素等復合摻入大大降低砂漿水膠比有關，砂漿更密實，從而強度有所改善。
2.3 最終干粉砂漿配比確定及相關性能測定
2.3.1 試驗內容及方法
根據初始配合比的試驗結果，考慮灰砂比與水膠比對砂漿強度的影響，適當調整配比。并考慮水膠比對有底試模成型抗壓強度的影響以及尺寸效應。對所確定的干粉砂漿測定粘結強度與凝結時間，以無底試模70.7mm×70.7mm×70.7mm 成型，測定抗壓強度。
2.3.2 試驗結果及分析
砂漿配合比及各性能測定結果如表7、表8。
由表8可知，所配制的砂漿和易性好，既有足夠的抗壓強度又有較好的粘結強度。不僅分層度小，滿足有關標準規范的要求（干粉砌筑砂漿的分層度≤25mm；干粉抹灰砂漿的分層度≤20mm）外，凝結時間也符合相關要求（≤8h） .
2.4 掃描電鏡試驗及分析
2.4.1 試驗樣品的準備
本試驗所用樣品取自表5所示配合比的7 號和9 號砂漿抗壓強度試驗的試件，試件在標準養護室中養護至28d 后進行抗壓強度試驗，壓碎后從試件中部取出一部分小塊樣品，用過量無水乙醇溶液中浸泡2 天，然后放入帶鼓風裝置的烘箱中烘干，然后噴碳備用。
2.4.2 試驗結果與分析
采用掃描電鏡觀察普通砂漿與干粉砂漿微觀形貌的特征，對兩者存在的差異進行分析比較。普通砂漿和干粉砂漿的微觀形貌分別見圖1和圖2。
從圖1 可以看出，普通砂漿中有大量的針狀鈣礬石和片狀的Ca（OH）2，并且與網絡狀和顆粒狀C‐S‐H包裹在一起。由于水膠比較大，在集料周圍往往成為高水灰比區域，有較多的形貌發展較好的晶體存在，且基準砂漿大孔隙區的較大。
從圖2 可以看出，即使羥丙基纖維素的摻入對砂漿的強度發展不利，但當摻入消泡劑、減水劑后，水膠比有很大降低，砂漿中集料的過渡區有所改善，且水泥粉煤灰砂漿中Ca（OH）2 晶體的量明顯減少，基本沒有富集及定向排列現象。這主要是粉煤灰的活性效應降低了Ca（OH）2 晶體生成量，因此粉煤灰的微集料效應及活性效應，一定程度上可以改善砂漿的強度。
3 結論
（1）采用石灰巖尾礦在加工石子以后得到的小顆粒，再通過制砂機得到的高質量人工砂完全可以用于干粉砂漿的配制。
（2）纖維素摻入砂漿，大大改善了砂漿保水性能但使強度有所降低，從保水性，和易性和力學性能等方面考慮，選擇纖維素的合理摻量為0.10%—0.15%。
（3）在干粉砂漿中加入0.1% 的纖維素，并采取同時加入消泡劑和減水劑，以減少用水量和降低氣泡含量，提高強度。結果表明：加入纖維素、消泡劑、減水劑后砂漿的水灰比比基準砂漿降低，抗壓和抗折強度略有下降。
（4）粉煤灰的加入可以改善膠砂比較小的干粉砂漿的泌水現象，且可以配制出與不摻粉煤灰時強度相當的砂漿，強度達到M5.0、M10、M15、M20 、M30強度等級。
參考文獻：
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[2]王培銘,張國防.干混砂漿的發展和聚合物干粉的作用[J].中國水泥,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]劉娟紅,宋少民.綠色高性能混凝土技術與工程應用.北京:中國電力出版社,2011
作者：劉娟紅1，包文忠2，趙文新2，靳冬民2，張黎2
（1. 北京科技大學，北京；2. 新疆天山水泥股份有限公司，烏魯木齊）
編輯：金哲
