我国湿拌砂浆的研究应用现状及其发展趋势

李星辰，何月，丁 锐

（吉林建筑大学，吉林 长春 130118）

0 引言

传统自拌砂浆由于和易性较差，质量难以得到保障，工人施工强度高且污染环境严重等缺点，已经被严格限制其使用。与传统现场拌制的砂浆相比，预拌砂浆具有质量高、性能稳定、工人劳动强度低、对环境污染程度低等优点，有利于文明施工，所以应用前景较为广泛。预拌砂浆包括干混砂浆和湿拌砂浆，其中干混砂浆也可称为干粉料或者干混料等，是由胶凝材料、细集料还有一些掺合料及外加剂等组成的一种固体混合材料， 按照一定的配比，通过干混工艺进而制成的干粉状或者颗粒状固体，以散装或者袋装的形式运输至工地，加水拌合之后可以直接使用的建筑材料。干混砂浆的品种有很多种，例如粘结砂浆、抹灰砂浆、砌筑砂浆等，应用的范围十分广泛。干混砂浆是在现场加水搅拌而成的，因此可以灵活掌握砂浆的使用量，而且使用几乎不受时间的限制，存储期长，可以做到随用随取。但是干混砂浆对于原材料的含水率要求很严格，需要对原材料进行干燥处理，另外考虑到水分的原因，外加剂必须使用粉剂而不是液剂，而固体外加剂的价格相对来说要更高一些，造成了干粉砂浆的生产成本较高，且需要在施工现场进行拌制，这样会造成大量的粉尘，严重污染环境。湿拌砂浆是将胶凝材料、水、细骨料和外加剂按照一定比例在工厂拌制而成，由搅拌车运至工地后可以直接使用的建筑材料相比于干混砂浆，湿拌砂浆性能稳定且成本较低，不需要购买搅拌机和其他的生产加工设备，可大量供货，适用于一些较大工程，对工程质量的提高起到了重要作用，由于湿拌砂浆是工业化生产，所以可以有效地避免拌制时所产生的粉尘，有助于保护环境，并且可以做到随到随用，有利于加快施工进度。

1 商混砂浆行业发展及其现状

在二十世纪五十年代以前，水泥基砂浆基本全部采用现场混料拌制进行使用，即将水泥与砂运输到工地并按照一定的比例加水拌合而成湿砂浆使用。五十年代以后，由于第二次世界大战造成了欧洲各国劳动力短缺，外加急需进行大量的工程维修和工程建设，从而促使了欧洲的预拌砂浆得到迅猛地发展[1]。湿拌砂浆最初出现于二十世纪七十年代的法国，随后美国也开始生产和使用预拌砂浆[2]。国外的预拌砂浆行业发展较为迅速，产品种类繁多，砂浆的生产制造实现了工业化且施工操作较为简单。与欧洲的一些国家相比，我国对于预拌砂浆的研究和生产开始比较晚，推广也较慢，直到二十世纪末期才开始进行预拌砂浆技术的研究。近年来，因为外加剂技术的不断发展和对环境保护意识的不断加强，湿拌砂浆逐渐走进公众的视野。我国长江以南地区的预拌砂浆应用效果较好，并以湿拌砂浆为主，以广州、深圳为代表的珠三角地区近年来已经在大力推广和使用预拌砂浆[3]。2014 年，深圳地区应用湿拌砂浆303.8 万t，其中干混砂浆产量约为12 万t，湿拌占比达96.2%；广州地区预拌砂浆应用量为281 万t，其中湿拌砂浆生产187 万t，占比66.7%[4]。2014 年，上海市共使用预拌砂浆500 余万t，当时的生产厂家约有80 多个，产量约为1 500 万t，拥有近2 800 台移动筒仓，散装砂浆运输车约为260 辆[5]。2015 年，天津市预拌砂浆的生产厂家有47家，总产能1 000 万t，拥有2 140 台移动筒仓，散装砂浆运输车多达180 辆。2015 年，广东省预拌砂浆生产厂家达到120 家，干混砂浆生产厂家较多，有65 个，湿拌砂浆厂家有55 个，新增生产能力280 万t，预拌砂浆使用量1 008.59 万t，相比于去年增长18.1%，其中干混砂浆191.39 万t，占比19%，湿拌砂浆 817.19 万 t，占比 81%[6]。2015 年全国有 22 个省（山西、海南、内蒙古为新增的3 个省），湿拌砂浆的生产量达到1 361 万t，湿拌砂浆的产量占到全国预拌砂浆总产量的19.19%[6]。2016 年成都地区预拌砂浆用量为300 多万t，当时的生产厂家有16 个，产量约为800 万t，拥有将近2 000 台移动筒仓，散装砂浆运输车多达260 辆。在2017 年，广西预拌砂浆的生产厂家已达到45 个，总产量约为1 750 万t，干混砂浆生产企业占大多数，约有31 家，总的产量约为1 290 万t，占比73.71%，湿拌砂浆生产企业约有14 家，总产量为460 万m3，占比26.29%。总体来说，我国南方城市湿拌砂浆的生产及用量较大，基于建筑节能的角度，我国北部地区的预拌砂浆是以干混砂浆为主，以北京为例，干混砂浆主要以外墙保温体系配套砂浆为主。外墙保温体系配套砂浆，从原材料角度出发并不含细骨料，而是以复合胶凝组分、磨细矿物掺料及外加剂所组成，主要是用来粘结外墙保温板材（EPS、岩棉等），具有较高的粘结性能及耐久性能，防止外墙保温层随着使用时间的延长而出现脱落。复合胶凝组分目前主要是由硅酸盐水泥和可再分散性乳胶粉组成，胶粉在水泥水化后期可在硬化浆体内部形成较多的三维网络状薄膜，有效提升硬化浆体的抗渗性及抗冻性；外加剂主要是以高效减水剂及纤维素醚为主，减水剂的作用是在保证砂浆工作性的前提下有效的降低水灰比，提高砂浆的耐久性能，纤维素醚的作用是用来增加砂浆的稠度及保水性，在施工过程中可有效保证与保温材料的粘结效果。但随着环保政策的推行，我国北方地区湿拌砂浆的使用量也越来越大，主要分为砌筑砂浆、抹面砂浆和地面砂浆。湿拌砂浆已逐渐成为绿色、文明施工的重要标志，湿拌砂浆取代干混砂浆已成为行业发展的趋势之一。

近4 年我国预拌砂浆产量见表1。

表1 我国预拌砂浆年产量 万t

2 湿拌砂浆原材料

2.1 胶凝材料

湿拌砂浆的胶凝材料包括水泥、石灰和建筑石膏。水泥是湿拌砂浆中的重要组成原料，其细度和质量的好坏对砂浆的强度和收缩有着很大的影响。若水泥用量不足就会导致砂浆的保水性不良，为了提高砂浆的和易性，并且降低经济成本，以往的情况是在水泥砂浆中掺入石灰膏、黏土膏等其它胶凝材料来替代部分水泥，配制成复合类砂浆。不同掺量的石灰膏砂浆，同一时刻的贯入阻力均小于未掺石灰膏砂浆的贯入阻力，随着石灰膏掺量的增加，砂浆的凝结时间逐渐增长，且增幅较为明显[7]。现在常用粉煤灰和矿粉等工业废弃物替代部分水泥以此来降低经济成本。砂浆内加入其他胶凝材料如矿渣、粉煤灰等的混合砂浆的强度与耐久性均要比纯水泥砂浆更优良[8]。为保证湿拌砂浆的工作性能，目前业界普遍的做法还会加入聚合物组分（可再分散性胶粉或胶乳），胶粉是高分子聚合物乳液通过高温高压、喷雾干燥、表面处理等一系列工艺加工而成的水溶性有机聚合物[9]。比较常见的品种有醋酸乙烯酯和乙烯共聚乳胶粉（EVA）、聚丙烯酸酯（PAE）。可再分散乳胶粉可以改善水泥砂浆的孔结构，提高砂浆的粘结力，此聚合物的加入可有效提高硬化后水化产物的力学强度及抗渗性。根据作者之前进行的湿拌砂浆相关研究，聚合物可在砂浆凝结硬化后期形成空间三维状的网络结构，如图1 所示。

由图1 可以看出，砂浆水化28 d 后，聚合物形成的薄膜结构与水泥水化产物交叉连生在一起，形成的薄膜有效的阻隔了水泥水化产物中所产生的的毛细孔道，一方面提升了砂浆的抗渗性，另一方面由于硬化浆体中存在数量巨大的薄膜，可有效提升砂浆的抗折强度，提高体系的韧性。

2.2 水

湿拌砂浆用水与混凝土的要求相同，应选用无有害杂质的洁净水。

2.3 细骨料

湿拌砂浆使用的细骨料主要为机制砂和天然砂。天然砂（河砂）是岩石经过风吹日晒或是流水侵蚀而形成的，其砂粒一般为圆形或椭圆形，形状较为规则，拌合后形成的砂浆体系流动性强，是一种性能优良的天然骨料。但是近些年来，随着我国工程建设的不断增加，河砂作为短时间内不可再生资源已经遭到大量的开采，并且随着“十九大”环保政策的提出，为保护环境和资源，国家对天然砂石的开采采取了一系列的限制措施，与此同时，为满足工程建设对砂石骨料的需求，国家出台了一系列鼓励机制砂石生产的产业政策。所以机制砂石替代天然砂石已成为混凝土行业未来的发展方向。

机制砂是指用岩石经过开采，去除泥土，而后进行机械破碎，再筛分得到的砂石材料。一般机制砂颗粒的表面比较粗糙，棱角尖锐分明，形状不规则且针片状较多，与水泥浆体之间有较大的摩擦，会产生较大的咬合力，对砂浆的抗压强度有所提高，但当水泥用量不变的情况下，机制砂粗糙的表面会降低砂浆的工作性能，增加施工的难度。此外需要注意的是，砂的细度模数在很大程度上会影响砂浆的力学性能。若是机制砂的细度模数太大，就会造成砂浆包裹性差、和易性差，容易出现离析泌水的现象，不能满足砂浆的力学性能，这时需要增加砂率来改善砂浆的和易性或是调整外加剂用量来防止泌浆；如果砂子的细度模数太小，会造成配制的砂浆流动性差、坍落度小，不能满足施工要求，若通过添加一定量的水来改善其流动性，这样拌制的砂浆容易发生收缩导致开裂现象的出现[10]，需要降低砂率来提高砂浆的流动性。

吴春丽等[11]通过选用不同细度模数的镍铁渣机制砂，在单掺情况下研究机制砂细度模数和替代比例对湿拌砂浆工作性能的影响，研究结果表明细度模数为2.5 的镍铁渣机制砂制备的砂浆具有良好的工作性能，替代率宜选择50%。石从黎等[12]研究结果表明特细机制砂和细机制砂拌制的砂浆比天然砂砂浆的抗干燥收缩性能更好。在配合比相同的条件下，与河砂砂浆相比，机制砂制成的的砂浆的屈服应力较大，塑性粘度较小，流变参数经时变化较大，触变性较小[13]。当湿拌砂浆中含有更多粗颗粒的机制砂，就会使得颗粒的移动摩擦力相对比较大，进而在一定程度上降低了砂浆的流动性能。因此，在配置砂浆的过程中，必须结合实际情况选择具有良好级配的机制砂。良好的颗粒级配不仅能有效降低砂的空隙率，还能减少胶凝材料的使用量，并且有效保障砂浆的工作性能[14]。

另外，机制砂在生产过程中会产生大量的石粉，为了满足标准要求，通常要将多余的石粉进行脱尘处理，未经过特殊处理的机制砂直接用于湿拌砂浆时，掺量只有在50%以内时砂浆工作性能满足要求[15]。在一些研究中，学者们发现机制砂中含有少量的石粉阻塞砂浆内部的连通孔，使砂浆或者混凝土的孔隙率降低，从而减少孔隙内自由水蒸发，减少砂浆的收缩，并提高他们的抗离子渗透性[13]。当砂浆总的用水量一定时，随着机制砂中石粉含量的增加，砂浆流动度减小，而砂浆表观密度和保水率则随机制砂中石粉含量的增加而呈增大的趋势。石粉的含量会对砂浆的强度产生一定的影响。这是因为石粉含量增加会导致砂浆中固体颗粒的比表面积增加，就需要更多的水去浸润砂浆的表面，总的用水量不变，砂浆体系中的自由水就会减少，导致砂浆的流动性降低，若增加用水量，就会导致砂浆的强度降低。此外，当机制砂中含有一定量的石粉时，其石粉的作用相当于矿物掺合料，对砂浆浆体起到很好的填充作用，使砂浆体系更为密实。

2.4 外加剂及其他组成材料

外加剂是指能明显改善砂浆性能的少量物质的总称。

2.4.1 减水剂

以减水剂来说，现在市场上在预拌砂浆中使用比较多的减水剂的类别可分为：萘系高效减水剂、三聚氰胺系高效减水剂及聚羧酸系减水剂（PCE）。加入适量的聚羧酸盐和萘系减水剂后，可以增强水泥砂浆的抗折能力和抗压强度，相比于传统的氨基磺酸盐和萘系减水剂，聚羧酸系减水剂在减水效果与对砂浆的塑化方面性能更加优异。从工作性能上来看，聚羧酸系减水剂（PCE）具有掺量低、减水率高且环保等特点，应该成为日后行业使用的重点减水剂，但是PCE 在水泥颗粒表面的有效吸附量、吸附层覆盖情况等决定空间位阻效应大小的关键参数仍未得到确定[16]。

朱玉雪等[17]采用和易型聚羧酸系高性能减水剂（PCE）、改性纤维素醚和超缓释型PCE 制备了新型湿拌砂浆外加剂，在不影响湿拌砂浆工作性能的前提下大大增加了砂浆的保塑能力。曹小荣等[18]用淀粉醚、铝酸钠、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺按照不同的比例配制成的减稠度外加剂，适用于稠度过高的湿拌砂浆，对湿拌砂浆的工作性能影响很小。

2.4.2 缓凝剂

湿拌砂浆考虑到运输过程中不可控因素的影响，包括湿拌砂浆在工地储存的时间远大于商品混凝土，因此对砂浆的和易性、凝结时间和工作性能的稳定性有一定的要求[19]。因此，缓凝剂往往是湿拌砂浆中较为重要的一类外加剂。缓凝剂可分为有机和无机两大类。目前，湿拌砂浆使用的有机缓凝剂主要为羟基羧酸及其盐类。其中以葡糖糖酸钠和白糖为例，葡萄糖酸钠掺量增大，其缓凝作用增强。在水化初期，由于葡萄糖酸钠吸附、络合和润湿作用，限制了C3S 的水化，阻止CH 的生成，降低水化热，并延缓水化结构的形成[8]。

2.4.3 保水剂

除缓凝剂外，湿拌砂浆一般还需加入保水剂。保水剂一般使用纤维素醚。现在在湿拌砂浆中经常使用的是甲基羟乙基纤维素醚（MHEC）和甲基羟丙基纤维素醚（MHPC）。纤维素醚具有优异的保水性能，粘结力强，具有良好的增稠效果，有明显的引气作用且溶解性好；在掺量增加的情况下，砂浆的凝结时间会变长，但是会降低砂浆的强度。

2.4.4 引气剂

引气剂是一种活性剂，主要品种包括松香树脂类、烷基和烷基芳烃磺酸类、皂苷类及蛋白质盐。其作用是可以在砂浆中引入比较细小的气泡，增强砂浆的保水性能，改善砂浆的和易性，气泡还可以起到润滑作用提高砂浆的泵送性。王全磊等[20]经过实验发现引气剂和减缩剂混合加入到砂浆中，砂浆的收缩率无明显变化，且抗裂性能得到增强。目前国内传统引气剂主要为松香皂及松香热聚物， 存在产品溶解性差，与其他外加剂复合性差、对强度降低较大等缺点。

2.4.5 纤维

在湿拌砂浆中使用较多的纤维可分为化学合成纤维和木纤维。在湿拌砂浆中加入适量长短不一的木质纤维，可以有效的增强砂浆的抗裂性，增强产品的触变性能，木纤维可以明显的增强砂浆的韧性和抗折能力，很大程度上可以防止裂纹的出现，但是木纤维对砂浆的耐久性影响仍需要进一步的研究[21]。化学合成纤维经过表面改性以后，可以在掺量低的情况下就能有效提高砂浆抗裂性，对力学性能无明显影响。

3 发展前景及展望

随着我国基础建设的不断扩大，很多地区的天然砂已经供不应求，并且天然砂的过度开采会造成当地生态环境的严重破坏。因此，机制砂取代天然砂已经成为建筑材料行业可持续发展的必然选择。机制砂由于其母岩不同因而性质各异，机制砂的砂粒形状和大小对于湿拌砂浆的性能有很大影响。因此机制砂的深入研究对于湿拌砂浆的未来发展具有重大的意义，研究不同种类机制砂岩石原料的生产工艺是生产优质机制砂的重要条件。机制砂岩的颗粒级配、形状，以及石粉含量和特性对于湿拌砂浆的推广和发展具有重要作用。

2007 年 6月，商务部 、住房城乡建设部等 6 部委联合下发《关于在部分城市限期禁止现场搅拌砂浆工作的通知》，使得预拌砂浆得以更广泛的被大众所熟知和认可。各地有关部门要加强对当地现场拌制砂浆的检查和打击力度。完善并落实有关预拌砂浆方面的法律、法规政策；工程造价管理部门应定时发放有关预拌砂浆的价格信息；施工单位要对进场的材料进行严格检验和抽查，强化施工人员的专业技术，确保施工的效率。政府要起带头作用，大力发展和实施推进预拌砂浆的生产和使用，有助于减少粉尘对周围环境的影响，对生态保护起到积极的作用。而预拌砂浆中的湿拌砂浆，无论是从其能源消耗率、环境保护或者是工作性能方面，都要比现场拌制的砂浆更安全可靠。湿拌砂浆会逐步成为我国建筑行业的主要工业材料，为我国的绿色发展做出突出贡献。