成像水泥砂浆配合比设计方法研究与设计

卢恒

（广西建工集团建筑产业投资有限公司，广西 南宁 530211）

0 引言

用于表面成像的水泥砂浆制品，具有结构简单、制作方便、推广前景好等优点，为水泥制品、砂浆结构的表面装饰提供了全新的方式。其原理是将带有缓凝功能的油墨将要表现的内容负相印刷于特殊处理的印刷介质上，人们称之为成像膜。将成像膜正面朝上，置于光滑平整的工作平台上，排除成像膜和平台之间的空气，再按正常的砂浆浇筑办法浇筑砂浆。待砂浆终凝状态时立起所浇构件，扯下成像膜，用高压水枪冲洗，有功能油墨的地方被冲洗掉胶料，漏出骨料，骨料和胶料不同颜色的色差形成图案[1]。

1 难点以及解决途径

（1）从搅拌砂浆制品的颜色效果、原材料来源的广泛性且便于实际生产操作等几方面考虑。本次研究采用单级配的黑色金刚砂配制图像砂浆，采用此种方法时对砂浆的和易性的调整存在一定的难度。

（2）提高流动性、降低黏度。采用自卸的方式将砂浆倒入成像膜上，要求按照沿固定方向缓慢倒入膜内一次成型。这要求砂浆具有较高的流动、黏度较小，以利于在成像砂浆表面不会留下砂浆流动的痕迹。

（3）由于砂浆强度不足而影响脱模时间，导致脱模后缓凝剂冲洗不净，造成成型砂浆表面出现图像的缺失，影响外挂质量。

（4）由于砂浆和易性不好，造成成像制品表面出现缓凝剂移位、出现盐析、裂纹、黑砂不均匀、冲洗厚度不匀等问题。

针对以上技术难点，本工程采用黑色金刚砂配制成像水泥砂浆，通过调整原材料的品质以及施工工艺来有效改善或者解决相关问题。针对采用单级配的金刚砂配制的砂浆，可在采用较细骨料充当填充物，由于地域材料的局限性，选择钙粉填充金刚砂间的缝隙，对于金刚砂的比例应当控制在适当的范围，使得在成像时能呈现出分布均匀的黑砂；为了改善砂浆的和易性，增加黏聚性和浇筑密实性，可以在新拌砂浆中加入优质粉煤灰，这样可以使砂浆初始结构致密化，同时优质粉煤灰的减水作用，可以降低砂浆的水胶比，减小砂浆制品的初始孔隙率，提高其强度。在新拌砂浆中加入砂浆添加剂，降低水胶比，可以明显提高砂浆的早期强度及和易性。在施工工艺方面，应当控制模具与成像膜之间的粘合效果，减少由于模具移位造成的褶皱、凹凸痕迹；应当控制下料高度以及布料速度，防止成像膜上的缓凝剂受砂浆重力的作用被冲散、移位。

2 原材料的选择

2.1 水泥

成像混凝土砂浆应该具有高流动性、高后期强度和高耐久性的特点，所以应该选择水化速率慢的、C2S 含量高的低碱水泥，再者选择颗粒分布较宽的水泥，控制水泥颗粒组成对水化热的影响，降低水泥水化速度。本研究选用三明金牛水泥有限公司生产的 P·O42.5R 级水泥，相关物理性能指标检测如表 1 所示。

表 1 水泥物理性能指标

2.2 矿物掺合料

优质粉煤灰对砂浆的和易性有较强的影响。本研究选用的粉煤灰为福州开发区华能实业有限公司产的Ⅱ级粉煤灰，其物理性能指标如表 2 所示。

表 2 粉煤灰物理性能指标

2.3 骨料

选用颜色鲜明的黑色金刚砂，为使水泥砂浆成像更加清晰、细致，金刚砂的规格应控制在 20～40 目之间。本研究选用的金刚砂为福州九力城建材有限公司生产的 40 目优质金刚砂。

由于原材料受到地域的限制，采用的是单级配的金刚砂，因此应当选择细小的填充物。应选择不与其他原材料发生反应且在色泽、黏度上不会影响制品的填充物。本工程选用的填充物为福州九力城建材有限公司生产的 500 目白色钙粉。

2.4 干粉添加剂

干粉添加剂可以显著改善砂浆和易性，对水泥有很好的适应性，能有效分散水泥颗粒，减水率在 20% 以上。本研究所用添加剂为深圳市威锴众润有限公司产的干粉添加剂。

2.5 纤维

在砂浆掺入聚丙烯纤维，能极有效地控制砂浆因塑性收缩干裂或温度等变化所引起的裂缝，防止并抑制裂缝的发展，从而改善抗渗、抗裂性能，此外还可以大幅度提高砂浆抗冲击能力，抗磨损，抗冻融，减少塑性沉降和龟裂。本研究所用纤维为 6～12mm 长纤维。

3 试验

3.1 砂浆配合比设计与调整

砂浆性能及质量要通过配合比设计来保证，本研究从砂浆流动性、强度、粘聚性及使用方式的要求，来进行砂浆配合比设计。

（1）金刚砂堆积密度为 2266kg/m3，表观密度为3655kg/m3；钙粉堆积密度为 1935kg/m3，表观密度为3355kg/m3。水泥的表观密度为 3100kg/m3，粉煤灰的表观密度为 2300kg/m3。配制用于本次研究的成像水泥砂浆，强度等级为 M30。

（2）低水胶比是砂浆强度的保证，要求和易性良好、早期强度高的自流平砂浆，初始坍落度在 250mm以上，不离析、不泌水。

（3）计算。

1）设金刚砂为 0.46m3

则金刚砂的用量= 0.46m3×2266kg/m3=1042kg

2）金刚砂的密实体积为

1042kg÷3655kg/m3= 0.285m3

金刚砂的空隙率 PJ=(1-2266/3655)×100%=38.0%

3）钙粉的堆积体积

Vs=VJPJ+γsVJ= 0.46×38.0%+ 0.34×0.46=0.331(m3)

4）钙粉的质量 Mg=0.331×1935=640(kg)

钙粉的密实体=640/3355=0.19(m3)

5）胶凝材料浆体体积=1-0.285-0.19=0.525(m3)

6）参考试验数据经验，取水胶比为 0.38。

7）参考试验数据经验以及效果，选定胶凝材料中粉煤灰掺量 12%。

8）参考试验数据经验向砂浆中加入细小纤维，选定掺量为总胶材的 0.3%。

9）单位体积水泥净浆胶凝材料用量为：

B=1/(C/γc+F/γf+W/C)

=1/(0.88/3.1+0.12/2.3+0.38)=0.716(kg/L)

单位体积砂浆中粉煤灰用量为：

0.12×716×0.525=45(kg)

单位体积砂浆中水泥用量为：

0.88×716×0.525=330(kg)

单位体积砂浆中水用量=0.38×716×0.525=142(kg)

（4）按前述步骤计算出配合比，试拌砂浆拌合物总质量为 2kg，先掺干粉添加剂 3.7%（以总胶凝材料质量计），试拌后测得砂浆流动度 230mm，再掺 0.3%，测得砂浆流动度 260 mm，且无泌水和离析现象。最后确定聚羧酸型干粉高效减水剂的掺量为胶凝材料总量的4.0%。[2]

（5）经计算得到水泥砂浆的配合比（1m3砂浆各组成材料用量）：金刚砂 1042kg；钙粉 640kg；水泥330kg；粉煤灰 45kg；水 142kg；添加剂 15.0kg；纤维 1.13kg。测得砂浆的流动度为 260mm；1d 抗折强度为 4.1MPa，1d 抗压强度为 19.8MPa；28d 抗折强度为7.2MPa，28d 抗压强度为 38.4MPa，各项指标满足目标要求。

3.2 验证

在实验室中拌制 40L 的按前述步骤计算出配合比设计的砂浆，原材料种类和比例未变，以不高于 20cm 的高度缓慢地将其倒入小型的图像模中。试拌后确定干粉添加剂的掺量为胶凝材料总量的 4.2%，测得砂浆拌合物的流动度为 260mm。选用的小型成像模具分别为塑料以及钢模具，待脱模后揭开成像膜，并用高压水枪冲洗制品表面，制品表面金刚砂砂粒均匀，色泽鲜艳，线条清晰，满足施工要求（成型效果见图 1、图 2）。

图 1 塑料模具制作出的样品

图 2 钢模具制作出的样品

4 结论

（1）在考虑了对成像砂浆和易性良好、早期强度高、初始坍落度在 250mm 以上，不离析、不泌水等要求，且最终砂浆制品的成像清晰、色彩鲜明，对原材料进行了优选、对配合比进行了初步的设计，并通过试验进行验证。

（2）经过试验得出：砂浆的强度等级决定于水胶比和矿物掺合料的种类及掺量；砂浆的流动度决定于添加剂的掺量。

（3）按照本文提出成像砂浆配合比的设计方法和步骤及给定的原材料，1m3砂浆各组成材料用量：金刚砂 1019kg；钙粉 627kg；水泥 337kg；粉煤灰 46kg；水 145kg；添加剂 16.1kg；纤维 1.15kg。测得砂浆的流动度为 265mm；1d 抗折强度为 4.1MPa，1d 抗压强度为 19.8MPa；28d 抗折强度为 7.2MPa，28d 抗压强度为38.4MPa，各项指标满足初选目标要求。