基于纤维素改性的干粉砂浆配合比试验研究

宋源

摘要：文章为了掌握纤维素HPMC改性干粉砂浆的基本性能，优化配合比设计，改善拌和物的施工性能，采用常规的试验方法对HPMC改性砂浆的保水性能、力学抗压强度、抗折强度性能进行了综合研究，分析了HPMC、粉煤灰及灰砂比等变化对砂浆基本性能的影响。试验结果显示：（1）随HPMC用量的增加，砂浆分层度值和抗压强度值均呈下降趋势，在掺量0～0.2%范围内，分层度和抗压强度指标下降显著，在0.2%～0.35%范围内，二者的下降幅度显著减小;（2）随着粉煤灰掺量的增加，干粉砂浆的力学强度呈下降趋势，对7 d早期强度的劣化效果更为显著，而对28 d强度的劣化有所减弱;（3）随灰砂比的降低，砂浆的抗折强度、抗压强度均呈下降趋势，HPMC改性砂浆的保水性能优于常规砂浆，但在相同配合比条件下，HPMC改性砂浆的抗压强度、抗折强度值均低于基准砂浆的强度，且随着灰砂比的降低，抗压强度和抗折强度损失变化率均呈先增加后降低的变化趋势。总之，HPMC改性干粉砂浆具有优良的保水性能，显著改善了拌和物的施工和易性，综合分析确定在基准配合比相同条件下，优选灰砂比为1∶3，HPMC的掺加用量为水泥胶结料的0.1%，粉煤灰基准用量为10%。

关键词：干粉砂浆;纤维素;工作性能;灰砂比

0 引言

随着我国经济的高速发展，在基础设施领域的投资不断加大，而城市快速化的发展离不开房屋建筑的大量建设，且随着人们生活水平的提高和对环保、健康认识的不断深化，对建筑物住宅的质量、美观及舒适度提出了更高的要求。干混砂浆作为新型建筑工业领域的新型材料产品，其不仅能够满足常规砂浆的基本性能，而且能够弥补传统产品的弊端，对提高施工效率、保证工程质量具有重要的意义。

干混砂浆主要由水泥胶结材料、细集料、矿物掺和料和相应的改性剂等组成，在世界各国得到了良好的应用推广，而我国在建筑墙体材料方面也进行了相应的改革，对于新型墙体材料也离不开优良的砂浆产品。干混砂浆随着不断地研究开发和推广应用正在被逐步认识，杨付权、黄崇波等人通过对聚乙烯醇纤维在砂浆拌和物中的收缩开裂机理进行了系统分析，对比研究了聚乙烯醇纤维抹面砂浆与普通抹面砂浆的抗渗性能、抗裂性能，发现纤维抹面砂浆的抗渗效果良好[1]。周明凯等人利用煤矸石渣作为填料进行了砂浆的基本性能试验，通过对砂浆的抗压强度、保水性能及级配分析发现，磨细的煤矸石渣在保证粒径、级配的条件下可以有效改善砂漿的流动性和抗压强度，但施工过程中用水量将有所增加，比普通砂浆提高约5%～10%，[JP3]说明煤矸石填料能够作为砂浆的主要组成材料[2]。张恒等人利用抗压强度、抗折强度和粘结力指标分析了不同纤维砂浆的基本性能，认为纤维能够改善砂浆的抗折和抗弯性能，且对砂浆的粘结强度具有良好改善效果，但不同的纤维素对砂浆的改善作用不同，且存在一定的缺陷，这方面没有进一步研究[3]。王洪镇通过添加保水剂、多元醇及高岭土等矿料研发了新型抗裂干粉砂浆，并通过大量加入粉煤灰降低了材料的成本，提出了相应的技术指标，保证了砂浆的良好性能[4]。徐小红等人研究了甲基纤维素醚、分散乳胶粉、膨胀剂对砂浆拌和物的性能影响，研制了一种具备良好工作和易性、抗裂性能的干粉砂浆，并提出了砂浆的基准配合比及相应的技术参数[5]。张志军、曹春露等人利用橡胶粉、聚合物等材料分析对砂浆性能的影响，采用各项指标来进一步评价砂浆抗裂性能的方法[6]。刘德春等人采用物理、化学相结合的方法在砂浆中掺加石灰石、粉煤灰及活性剂，并提出了相应的比例组成，但没有深入研究砂浆的施工和易性及耐久性能[7]。

综上所述，国内对干粉砂浆的应用进行了大量的研究，并集中在添加矿料、改性剂等材料的试验，而针对纤维素HPMC改性砂浆的研究涉及较少，且没有深入地分析水灰比的影响变化。结合相关研究成果，本文通过优化选择纤维素、粉煤灰材料进行了保水性能、力学性能试验，研究了灰砂比变化对纤维素改性砂浆的性能影响，并针对性地提出了纤维素、粉煤灰材料掺量的范围及相应的配合比，为HPMC改性砂浆在建筑工程领域中的深入应用提供技术支持。

1 试验方案

1.1 原材料

干粉砂浆主要用于建筑物内外墙体的抹面，需要具备保温、保水、粘结及抗裂的基本性能，其主要由水泥胶结料、砂、粉煤灰及其他添加剂组成。本研究选择河南新乡同力水泥厂生产的普通硅酸盐水泥P.O42.5（见表1），细集料优选天然河砂（见表2），粉煤灰可以等效取代同量的水泥胶结料，不仅降低成本，还可以改善环境，而且降低了砂浆配合比用水量，利用其火山灰效应还能改善其工作性能，本研究选择南京绿源牌Ⅱ级粉煤灰（见表3）。纤维素选择山东赫达股份有限公司生产的羟丙基甲基纤维素（HPMC）。在干粉砂浆中掺加少量HPMC能够提高其保水性和增加稠度，改善砂浆的工作和易性。

1.2 试验方法

水泥干粉砂浆的配合比设计试验关键控制指标主要有标准稠度、抗压强度、抗折强度等，具体参照《建筑砂浆基本性能实验方法标准》（JGJ/T70-2009）、《水泥胶砂强度检验方法》（GBT 17671-1999）进行。具体试验方案如下：

（1）为了优化对比纤维素改性砂浆的基本性能，选择基准配比的普通砂浆为基础，通过添加不同用量的纤维素（HPMC）、粉煤灰等分析对其性能的影响。

（2）HPMC具有良好的化学、物理稳定性，具有保水、增稠的作用，一般作为材料的添加助剂。本研究采用保水性能指标评价HPMC的保水性能，采用抗压强度指标评价其对力学性能影响，具体用量分别为水泥质量的0.05%、0.1%、0.15%、0.2%和0.35%。

（3）粉煤灰可以有效改善砂浆的和易性及后期力学性能，降低前期裂缝等作用。本研究采用等量取代法掺入砂浆中，掺加比例分别为胶凝材料的10%、15%、20%、25%和30%。

2 试验结果分析

2.1 纤维素（HPMC）对砂浆分层度及抗压强度性能的影响

研究表明：砂浆良好的保水性能有助于在施工过程中保证其流动度，不易于离析和分层。结合羟丙基甲基纤维素（HPMC）的基本特性理论分析可知，少量添加能够吸收砂浆的自由水分，增加砂浆的粘稠度，在水泥硬化过程中可以释放水分保证其凝结硬化。保水性能和抗压强度依据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70-2009）中分层度指标、稠度指标和抗压强度指标进行综合分析，砂浆采用的基准配合比为：水泥∶砂=1∶4.5，用水量控制在砂浆稠度的90～110 mm范围。具体试验结果见下页图1～3。

由图1～3可知：

（1）在砂浆基准配合比相同的条件下，纤维素的掺加对砂浆的分层度存在显著影响。随纤维素用量的增加，分层度指标呈下降趋势，其中掺量在0～0.2%范围内，分层度值下降幅度较大，呈线性趋势;在0.2%～0.35%范围内，分层度值变化较小，均<10 mm，主要是由于HPMC的掺量急剧增加，吸收砂浆添加的自由水，导致拌和物黏度增加。依据相关工程经验分析，砂浆的分层度值>30时。这说明其保水性较差，施工过程中容易产生离析，不利于施工和水泥硬化;而分层度值过小时，砂浆硬化过程中补水量不足，[JP3]导致可能出现裂缝，将产生较大的干燥收缩。一般情况下，干粉砂浆的分层度宜控制在10～30 mm范围内，既保证具有良好的工作和易性，又能够促进水泥水化，保证后期强度及降低裂缝产生的几率。[JP2]

（2）在纤维素掺量范围内，砂浆的稠度变化呈降低趋势，但均在控制范围内（90～110 mm）。同时，根据抗压强度试验结果分析，纤维素的添加劣化了砂浆的力学强度，尤其在掺加用量>0.15%后，抗压强度值下降显著;而在0.2%～0.35%范围内，抗压强度值下降幅度显著减小。这说明干粉砂浆对HPMC的选择具备一定的用量范围。例如，HPMC用量在0.1%时，抗压强度下降了15.5%（与未掺加相比），在0.15%时，抗压强度下降了21.8%，而在0.2%时，抗压强度下降了52.8%。這主要是由于HPMC的大量加入，导致拌和物黏度增加，试件成型过程中不易密实，出现内部微孔洞现象，进而影响试件的力学强度。

综合分析可知，HPMC的掺加能够显著提高砂浆的工作和易性，改善保水性能，但不利于砂浆的力学强度，因此，结合砂浆的综合性能，在满足各项性能指标的要求下，HPMC的掺量宜控制在0.05%～0.15%范围。

2.2 粉煤灰对砂浆抗压强度性能的影响

粉煤灰作为一种工业废料，是从煤粉炉排出的烟气中收集到的细颗粒粉末，主要由不同粒径、不同化学成分组成，掺入砂浆中能够显著降低成本，调节砂浆级配，改善砂浆的工作性能，提高其抗渗性能，降低后期收缩率。其相关试验结果见图4、图5。

由图4、图5可知：

（1）随粉煤灰用量的增加，抗压强度呈显著下降趋势，其中7 d龄期的力学强度值劣化更为明显，28 d的抗压强度影响进一步降低。这说明粉煤灰的加入对砂浆的力学性能存在劣化现象，尤其对前期性能的影响更明显。例如，粉煤灰掺量在10%时，7 d和28 d的抗压强度下降率分别为12.8%和7.8%，在25%时，二者的下降率分别为62.8%和44.4%。这主要是因为粉煤灰掺加后，降低了部分水泥的用量，减少了部分矿物熟料的比例，粉煤灰的活性低于水泥，水化过程减慢，产生的矿物组分减少导致内部结构不密实，进而降低了力学强度。

（2）随着砂浆养护龄期的增加，粉煤灰对力学强度的影响逐渐下降，说明随着养护周期的增加，水泥水化持续进行，而粉煤灰的活性效应和微集料效应也持续作用，进一步促进砂浆内部结构密实，使强度得到了提升。

（3）依据上述试验结果和相关研究成果，本研究综合考虑粉煤灰对砂浆强度、和易性以及凝结时间的影响，参照《粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程》（GB50146-2014）选择粉煤灰的用量为10%，这既能够保证砂浆的工作和易性，又能不降低砂浆力学强度要求。

2.3 灰砂比对砂浆基本性能的影响

本研究在基准配合比基础上选择1∶1.5、1∶2、1∶3、1∶4和1∶5的灰砂比分别成型基准试件。其中粉煤灰用量为10%，纤维素（HPMC）掺量为水泥用量为0.1%，制备纤维素改性砂浆试件，相关的试验结果见图6～8。

由图6～7可知：

（1）无论是基准砂浆还是HPMC改性砂浆，灰砂比变化对力学强度性能影响较大。随灰砂比的降低，其抗折、抗压强度均降低，说明调整灰砂比、水灰比均能改善其力学性能。同时，在试验操作过程中发现，[JP3]基本砂浆在灰砂比1∶1.15、1∶2时均出现显著的泌水现象，而对于掺加HPMC的改性砂浆基本没有出现，充分说明掺加HPMC对砂浆的保水性能具有关键作用，从砂浆的表面状态即可分辨出工作性能的变化。[JP2]

（2）相同配合比条件下，纤维素HPMC改性砂浆的抗压强度、抗折强度值均低于基准砂浆的强度，且随着灰砂比的降低，抗压强度、抗折强度变化率均呈先增加后降低的变化趋势（见图8）。灰砂比在1∶3时，可作为强度下降率变化的转折点。在灰砂比>1∶3时，随着灰砂比减小砂浆强度降低率逐渐增大，在灰砂比<1∶3时，随着灰砂比减小砂浆强度降低率逐渐降低。在灰砂比1∶2～1∶4时，纤维素改性砂浆抗压强度降低率大于抗折强度，由此看出纤维素改善了砂浆的韧性。例如，在灰砂比1∶1.5时，基准砂浆和HPMC改性砂浆的抗压强度值分别为56 MPa和45.2 MPa，在1∶3时，抗压强度值分别为41.2 MPa和30.2 MPa。

HPMC对砂浆的改性作用主要是由于保水性能，溶于水后的亲水基团分子与憎水基团分子定向分布，降低了水分子的自由移动度，促使砂浆具有保水的效果，减少了泌水的可能性;同时，砂浆中自由水的减少，不利于砂浆强度的发展，减缓了水泥水化的进程，尤其是水泥硬化过程中矿质熟料比例的减少，对强度发展影响较大;HPMC对砂浆拌和物具有一定的增稠作用，在施工过程中不利于内部微气泡的排出，进而影响试件的力学强度。

（3）对于纤维素HPMC改性砂浆而言，灰砂比的变化对砂浆强度的影响高于基准砂浆，HPMC对砂浆强度的影响较显著。在灰砂比<1∶3范围内，较大灰砂比时，HPMC对砂浆的减水效果不明显，但稠度增加显著，进而对强度劣化表现明显;随着灰砂比的稍微降低，基准砂浆的泌水效果较大，HPMC改性砂浆的泌水效果降低，减水率有利于强度的发展，且HPMC的增稠对强度的劣化相对减少，综合表现出砂浆强度损失率有所降低。而在灰砂比>1∶3范围内，则表现出相反的状态。

本研究综合分析确定，在基准配合比相同条件下，优选灰砂比为1∶3，纤维素HPMC的掺加用量为水泥胶结料的0.1%，粉煤灰基准用量为10%。

3 结语

（1）纤维素HPMC对砂浆的保水性能、力學性能具有显著影响，随HPMC用量的增加，砂浆分层度值呈下降趋势。在掺量0～0.2%范围内，分层度值下降幅度较大，呈线性趋势;在0.2%～0.35%范围内，分层度值变化较小。对强度而言，HPMC劣化了砂浆的力学强度，尤其在掺加用量>0.15%后，抗压强度值下降显著;而在0.2%～0.35%范围内，抗压强度值下降幅度显著减小。因此，HPMC的掺量易控制在0.05%～0.15%范围内。

（2）粉煤灰作为砂浆拌和物中等量取代胶结料的添加剂，对砂浆的力学性能具有劣化作用。随着粉煤灰掺量的增加，干粉砂浆的力学强度呈下降趋势，其中对7 d早期强度的劣化效果更为显著，而对28 d强度的劣化有所减弱。这主要是因为粉煤灰掺加后，降低了部分水泥的用量，减少了部分矿物熟料的比例，粉煤灰的活性低于水泥，水化过程减慢，产生的矿物组分减少导致内部结构不密实，进而降低了力学强度。另外，随着砂浆养护龄期的增加，水泥水化持续进行，而粉煤灰的活性效应和微集料效应也持续作用，进一步促进砂浆内部结构密实，使强度得到了提升。参照《粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程》（GB50146-2014）选择粉煤灰的用量为10%，既能够保证砂浆的工作和易性，又能不降低砂浆力学强度要求。

（3）灰砂比对纤维素HPMC改性砂浆的力学性能影响较大，随灰砂比的降低，试件的抗折强度、抗压强度均呈下降趋势。HPMC改性砂浆的保水性能优于常规砂浆，试验过程中HPMC改性砂浆的工作和易性良好，但在相同配合比条件下，HPMC改性砂浆的抗压强度、抗折强度值均低于基准砂浆的强度，且随着灰砂比的降低，抗压强度和抗折强度损失变化率均呈先增加后降低的变化趋势。

结合上述研究结果及相应的实际工程经验，综合分析确定在基准配合比相同条件下，优选灰砂比为1∶3，HPMC的掺加用量为水泥胶结料的0.1%，粉煤灰基准用量为10%。

参考文献：

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