稠化粉、粉煤灰双掺技术在商品砂浆中的应用研究

稠化粉、粉煤灰双掺技术在商品砂浆中的应用研究2006-11-16作者:上海市建筑科学研究院樊钧赵立群摘要：稠化粉是一种非石灰非引气型的保水增稠材料，可全部取代石灰膏配制不同用途、不同强度等级的建筑砂浆，所配制的砂浆各项技术指标优于传统砂浆。用稠化粉、粉煤灰双掺技术生产的商品砂浆已在上海全面推广应用，累计用量已达100万吨，技术经济效益良好。1前言建筑砂浆按组成材料可分为水泥石灰混合砂浆（简称混合砂浆）和水泥砂浆。混合砂浆以水泥和石灰膏为胶凝材料，砂浆柔软，保水性好，易施工；其缺点是耐水差、收缩大、粘结强度低和耐久性差。因此，砌体结构设计规范规定工程±0.0m以下砌体必须采用水泥砂浆砌筑。目前，外墙粉刷也大多采用水泥砂浆以克服混合砂浆之缺陷。然而水泥砂浆也有其不足，即砂浆和易性差，泌水多，水泥用量偏高，砂浆硬化快。因此，研制开发一种新型保水增稠材料使砂浆既有混合砂浆硬化前易操作特性，又有水泥砂浆硬化后高强、耐水的特点就迫在眉睫了。2稠化粉的技术特点传统砂浆为保持砂浆的工作性和保水性在其中加入了石灰膏。众所周知，石灰是一种气硬性建筑材料，因此混合砂浆不能用于地下工程。我国《砌筑砂浆配合比设计规程》（JGJ98-2000）和《砌体工程施工质量验收规范》（GB50203-2002）都明确规定“消化石灰粉不得直接用于拌制建筑砂浆”，除了消化石灰粉颗粒太粗因素外，一个主要原因是我国的石灰生产工艺落后，大都采用土窑、立窑烧制石灰，同一窑石灰因烧成温度不可避免存在差异，从而形成部分石灰“过烧”和“欠烧”现象，表现为有效氧化钙含量低，一般在70%~85%，达不到90%。此外，过烧石灰水化速度十分缓慢，经常是砂浆硬化后，它还在继续水化，导致砂浆本身破坏。具体表现为抹灰层的爆灰、开裂和起壳等质量通病。为此，有关规范对石灰泡水时间以及石灰膏的过滤都作出了详细的规定，即便如此传统混合砂浆的质量仍难以保证。另外，石灰的生产要消耗大量的能源和产生大量CO2，因此为保护环境，我们要尽量减少石灰的使用量。二十多年来，我国不少科技人员先后尝试过多种取代石灰膏的研究工作，如八十年代风行一时的引气剂，俗称微沫剂，采用引气剂塑化技术以改善砂浆的可操作性，其原理为通过在水泥砂浆中引入微小空气气泡使砂浆蓬松、柔软，但添加引气剂后砂浆的保水性和粘性没有得到根本改善，甚至还有所降低。建设部曾委托科研单位做了大量试验，试验结论是掺加引气剂后砂浆砌体强度降低10%以上，为此《砌体工程施工及验收规范》（GB50203-98）中明确规定引气剂最多只能取代50%的石灰膏。并且引气剂掺加量极少，一旦计量不准将大幅度降低砂浆强度和和易性。同时引气剂类产品还存在气泡稳定性问题，砂浆的含气量还与搅拌时间、方法和水泥品种等密切相关。总之，使用引气剂类材料生产建筑砂浆，生产和施工工艺要求复杂，砂浆质量不稳定，更为严重的是将影响砂浆的耐久性，近几年来，微沫剂在上海已很少看到。因此，上海市在推行商品砂浆中，禁止采用引气剂类材料作为保水增稠材料。八十年代后期，也有些单位研制成消化石灰粉、石膏和粉煤灰（包括和硼泥之类其他细粉料）为主的无机砂浆稠化材料，但也因为使用功能、可操作性及耐久性等方面的原因而未能推广。商品砂浆技术在欧洲已有近百年的历史，经过近三十年的发展，已形成了一套从生产、物流到应用的完整体系。但是能够因地制宜，使用自主研发的技术生产商品砂浆，是建材研究领域许多科技人员的梦想，早在上世纪八十年代上海市建筑科学研究院就开始了艰苦的探索，最终在1995年研制成功了稠化粉，1999年获得上海市新产品二等奖。稠化粉不含石灰和引气成分，能在砌筑和抹灰砂浆中取代全部的石灰膏，由此终结了高能耗、高污染的石灰膏的历史使命。稠化粉生产工艺简便，无需烧制，无废水和废气产生，每生产10000吨砂浆稠化粉，可替代石灰12000吨，节约烧制石灰的标煤约2400吨，减少CO2排放约10500吨，符合国家能源和环保政策。用砂浆稠化粉配制干粉砂浆，材料成本约90~100元/吨，同国外技术（消化石灰粉+纤维素醚）相比可降低材料成本约30%~50%，适合我国国情。3稠化粉砂浆的性能指标及技术参数3.1配制稠化粉不含石灰成分，使砂浆具有水硬性；不含引气组分，保证砌体强度能满足强制性规范要求（见表1）；不含纤维素醚，以减少砂浆的强度损失（见表2）。表1石灰膏、引气剂、稠化粉对砌体轴心抗压强度的影响序号保水增稠材料砂浆28d抗压强度/MPa砂浆密度/kg/m3砌块强度/MPa砌体轴心抗压强度/MPa相对百分数/%ZS-1石灰膏8.9205015.17.53100ZS-2引气剂7.5161015.15.9479ZS-3稠化粉8.1209015.17.74103备注：水泥：砂=1：5，稠度控制在70~80mm。表2稠化粉、纤维素醚对砂浆性能的影响序号干粉料比例/%水/%稠度/mm分层度/mm密度/kg/m3砂浆28d抗压强度/MPa水泥保水增稠材料粉煤灰砂A-112.03.986.0078.0217.21021120008.93A-212.30.266.1781.5017.397217304.40备注：“A-1”所用的保水增稠材料是稠化粉；“A-2”所用的保水增稠材料是纤维素醚。稠化粉主要原材料为无机矿物材料，通过无机材料与有机材料复配，使稠化粉具有保水增稠作用。3.2性能试验研究3.2.1硬化前性能试验研究砂浆硬化前性能指标有稠度、分层度、密度和凝结时间。分层度是衡量砂浆保水性的重要技术指标，分层度值小，砂浆保水性好；分层度值大，砂浆保水性差，砂浆的粘结性能也会受到影响。但分层度值并不是越小越好，保水性太好的抹灰砂浆反而容易产生起壳、开裂等质量问题，因此，砂浆分层度宜控制在10~20mm之间。在等稠度等水泥用量条件下，稠化粉砂浆与传统砂浆对比试验结果见表3。表3等水泥用量砂浆对比试验结果序号砂浆配合比/kg/m3稠度/mm分层度/mm砂浆密度/kg/m3R28/MPa水泥石灰膏稠化粉砂水H-1320320——128018011413212017.9H-2320——64135036011712213018.4H-330792——13822689016205014.9H-4300——3014103208718207018.1H-5231231——1394198951521008.6H-6231——461450313891521209.9H-7500————125036010621220042.0H-8497——25125036010612220041.2备注：H-1编号的砂浆凝结时间为6h07min。H-2编号的砂浆凝结时间为7h15min。试验表明，在等稠度等水泥用量条件下，稠化粉砂浆与混合砂浆的分层度相当，密度基本相同，凝结时间略有延长。稠化粉砂浆的分层度值明显优于水泥砂浆，密度相同，凝结时间延长，可操作性明显改善。3.2.2硬化后性能试验研究砂浆硬化后指标有抗压强度、粘结抗拉强度和耐久性。在等水泥条件下，稠化粉砂浆和传统砂浆抗压强度基本相同（见表3），粘结抗拉强度有大幅度的提高（见表4）。表4砂浆粘结强度试验结果序号砂浆配合比/kg/m3稠度/mm分层度/mm28d粘结抗拉强度/MPa水泥石灰膏稠化粉砂水与粘土砖粘结与混凝土粘结H-1320320——1280180114130.2340.101H-2320——641350360117120.2940.144H-7500————1250360106210.1530.138H-8497——251250360106120.4570.204稠化粉砂浆长期浸水强度呈稳定增长，并且经15次冻融循环后强度反而提高，说明耐水性良好，经15次干湿循环后，强度也没有损失，说明稠化粉砂浆耐大气稳定性良好，并且收缩值也较低，稠化粉砂浆耐久性试验结果见表5。表5稠化粉砂浆耐久性试验结果测试项目试验结果28d抗压强度/MPa18.090d抗压强度/MPa29.3吸水率/%10.9饱水90d抗压强度/MPa31.890d收缩值/‰0.58抗渗性S5干湿循环15次抗压强度损失/%-22.7抗冻性冻融后强度损失/%-9.8冻融后质量损失/%0备注：砂浆配合比为水泥：稠化粉：砂：水=1：0.2：4.2：1.04.2.3稠化粉砂浆砌体力学性能试验研究砌体力学试验是国家强制性规范《砌体结构设计规范》（GBJ50003—2001）要求必须试验的项目，它表达了砂浆与块体材料的粘结与共同工作性，并且按照《砌筑砂浆增塑剂》（JG/T164—2004）规定应对不同的块体材料分别进行检测。采用稠化粉作为保水增稠材料配制的不同强度等级的砌筑砂浆砌筑而成的各种砖砌体力学性能试验结果见下表。表6MU15混凝土多孔砖、M5砂浆砌筑的砌体力学性能数理统计结果项目试验值GBJ50003-2001技术要求平均值/Mpa标准离差/MPa变异系数/%标准值/MPa设计值/MPa标准值/MPa设计值/MPa轴心抗压5.670.74813.24.442.962.941.83通缝抗剪0.2850.057420.10.1910.1270.190.11弯曲抗拉沿通缝0.3200.038011.70.2570.1720.190.11弯曲抗拉沿齿缝0.67300.05067.50.5900.3930.380.23备注：砂浆实测强度为3.8MPa，底模为混凝土多孔砖。表7MU15混凝土多孔砖、M10砂浆砌筑的砌体力学性能数理统计结果项目试验值GBJ50003—2001技术要求平均值/Mpa标准离差/MPa变异系数/%标准值/MPa设计值/MPa标准值/MPa设计值/MPa轴心抗压8.770.7458.57.555.033.702.31通缝抗剪0.5230.078815.00.3930.2620.270.17弯曲抗拉沿通缝0.5390.088616.40.3930.2620.270.17弯曲抗拉沿齿缝0.7070.03074.40.6570.4380.530.33备注：砂浆实测强度为8.3MPa，底模为混凝土多孔砖。表8MU15混凝土小型空心砌块、M10砂浆砌筑的砌体力学性能数理统计结果项目试验值GBJ50003—2001技术要求平均值/MPa标准离差/MPa变异系数/%标准值/MPa设计值/MPa标准值/Mpa设计值/MPa轴心抗压9.500.7517.98.265.513.702.31通缝抗剪0.9930.22622.70.6210.4140.270.17备注：砂浆实测强度20.0MPa，底模为普通烧结砖。表9MU20烧结普通砖、M10砂浆砌筑的砌体力学性能数理统计结果项目试验值GBJ50003—2001技术要求平均值/MPa标准离差/MPa变异系数/%标准值/MPa设计值/MPa标准值/Mpa设计值/MPa轴心抗压8.830.94710.77.274.543.702.31通缝抗剪0.5310.12323.20.330.210.270.17备注：砂浆实测强度为16.6MPa，底模为普通烧结砖。表10MU20烧结普通砖、M10粉煤灰干混砂浆砌筑的砌体力学性能数理统计结果项目试验值GBJ50003—2001技术要求平均值/MPa标准离差/MPa变异系数/%标准值/MPa设计值/MPa标准值/Mpa设计值/MPa轴心抗压12.61.048.310.96.814.272.67通缝抗剪0.8080.12515.50.600.380.270.17备注：砂浆实测强度为20.3MPa，底模为普通烧结砖。试验表明，用稠化粉配制的砌筑砂浆可用于烧结普通砖、多孔粘土砖、混凝土小型空心砌块、混凝土多孔砖等墙体材料的砌筑施工，其砌体力学性能完全满足规范的要求。2005年，稠化粉又通过了全套性能测试，完全符合国标《砌筑砂浆增塑剂》（JG/T164-2004）的要求，结果见表11。表11稠化粉型式检验结果试验项目标准指标值检验结果分层度/mm10~3018含气量/%标准搅拌≤203.61h静置≥（标准搅拌时的含气量﹣4）3.6凝结时间差/min﹢60~﹣6020抗压强度比/%7d≥