高精砌塊專用抹面聚合物水泥砂漿配合比設(shè)計(jì)

陳成文　趙朋濤　邵立榮　單俊偉　景宏君

摘 要：高精度蒸壓加氣混凝土砌塊（高精砌塊）與專用抹面砂漿的結(jié)合在一定程度上可以減少抹灰面厚度，有助于高效實(shí)現(xiàn)建材行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。為了探究最優(yōu)砂漿配合比，從材料組成設(shè)計(jì)出發(fā)，利用粉煤灰、生石灰、重鈣等低碳低成本材料和VAE替代部分水泥配制高精砌塊專用抹面聚合物水泥砂漿。根據(jù)不同材料與不同摻量設(shè)計(jì)五因素四水平的正交試驗(yàn)，并對(duì)保水性試驗(yàn)、收縮性試驗(yàn)、抗凍性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，確定水膠比為0.45、粉煤灰摻量為20%、生石灰摻量為3%、重鈣摻量為9%、VAE摻量為3%。最終確定了專用抹面砂漿的最優(yōu)配合比，即水、水泥、粉煤灰、生石灰、重鈣、VAE、砂、空心漂珠、羥丙基甲基纖維素、淀粉醚的質(zhì)量比為450∶620∶200∶30∶90∶30∶1 800∶200∶4∶1；根據(jù)此配合比配制的聚合物水泥砂漿，當(dāng)砂漿厚度僅為4 mm時(shí)，通過14 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)得的砂漿強(qiáng)度便可滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

關(guān)鍵詞：薄抹灰；聚合物水泥砂漿；正交試驗(yàn)；保水性；拉伸粘結(jié)強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU 528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7312（2023）03-0356-08

High-precision Block Special Plaster Polymer Cement Mortar Mix Ratio Design

CHEN Chengwen1，ZHAO Pengtao1，SHAO Lirong1，SHAN Junwei2，3，JING Hongjun2，3

（1.Xian Construction Seventh Construction Group Co.，Ltd.，Xian? 710086，China；

2.College of Architecture and Civil Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian? 710054，China；

3.Road Engineering Research Center，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：The combination of high-precision autoclaved aerated concrete block （high-precision block） and special plastering mortar can reduce the thickness of plastering surface to a certain extent，and help to effectively achieve the goal of carbon peak and carbon neutralization in the building materials industry.In order to explore the optimal mortar mix ratio，this paper starts from the material composition design，and uses low-carbon and low-cost materials such as fly ash，quicklime，heavy calcium and redispersible rubber powder

were used instead of some cement to prepare high-precision block special plaster cement mortar.According to the orthogonal experiments of five factors and four levels of different materials and dosages，and the results of water retention test，shrinkage test and frost resistance test were analyzed.It was determined that the water-adhesive ratio was 0.45，the fly ash content was 30%，the quicklime content was 3%，the heavy calcium content was 9%，and the redispersible rubber powder content was 3%.The optimal mix of the final special plastering mortar is：water，cement，fly ash，quicklime，heavy calcium，redispersible rubber powder，sand，hydroxypropyl methylcellulose，Starch ether mass ratio of 450∶620∶200∶30∶30∶90∶30∶1 800∶4∶1.According to this ratio of the polymer cement mortar，when the mortar thickness is only 4 mm，the mortar 14d tensile bonding strength measured by the tensile bonding test exceeds the current specification.

Key words：thin plastering；polymer cement mortar；orthogonal experiments；water retention；tensile bond strength

0 引言

傳統(tǒng)的蒸壓加氣混凝土砌塊（Autoclaved Aerated Concrete，AAC）是一種以粉煤灰（或者河砂、礦渣）、石膏、生石灰、水泥等為主要原材料，以鋁粉作為發(fā)氣劑，經(jīng)過澆注、靜停、切割、蒸養(yǎng)等多道工藝形成的一種多孔塊狀材料[1]。作為我國(guó)正在大力推崇的一種建材，在我國(guó)已經(jīng)有50多年的發(fā)展歷史，并且具有輕質(zhì)、保溫、隔音效果好等優(yōu)點(diǎn)。但目前工廠生產(chǎn)的加氣混凝土砌塊質(zhì)量參差不齊，需要一層較厚的抹面砂漿才能達(dá)到墻面平整度要求，然而較厚的抹灰面和較多的現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)與建筑材料的可持續(xù)發(fā)展相悖。但高精度蒸壓加氣混凝土砌塊（High Precision Autoclaved Aerated Concrete）（簡(jiǎn)稱“高精砌塊”）與專用抹面砂漿的結(jié)合一定程度上可以減少抹灰面厚度，是高效實(shí)現(xiàn)建材行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要途徑之一。因此，研制一種高精砌塊薄抹灰專用抹面砂漿顯得尤為重要。

在普通抹面砂漿中摻入聚合物，可以改善砂漿的柔韌性和流動(dòng)性，這一點(diǎn)對(duì)抹面砂漿具有重要意義，也為研制高精砌塊薄抹灰專用抹面砂漿奠定了基礎(chǔ)。我國(guó)眾多學(xué)者都為此做了大量有益的研究。例如，曾劍波配制的聚合物抹面砂漿收縮性能優(yōu)于普通抹面砂漿，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度略低于普通抹面砂漿，認(rèn)為其綜合性能要比普通抹面砂漿良好[2]；史建軍等模擬東北環(huán)境，對(duì)聚合物水泥砂漿試塊進(jìn)行不同循環(huán)次數(shù)的凍融試驗(yàn)，再將經(jīng)過凍融試驗(yàn)的砂漿試塊進(jìn)行拉伸粘結(jié)試驗(yàn)，分析其結(jié)果，認(rèn)為聚合物水泥砂漿試塊的粘結(jié)性能與凍融循環(huán)次數(shù)成反比，與膠粉含量成正比[3]；陳方宇分析了聚合物水泥砂漿試塊經(jīng)100次凍融循環(huán)之后的破壞程度[4]；楊瑞芳對(duì)比聚合物水泥砂漿和普通砂漿斷裂韌性的測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)聚合物砂漿斷裂能是普通砂漿的1.2～2.6倍，認(rèn)為聚合物的摻入提高了砂漿的斷裂韌性[5]；王波研究了聚合物的摻入量對(duì)強(qiáng)度的影響，認(rèn)為摻入量達(dá)到2%時(shí)，聚合物水泥砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度都得到了大幅度的提高，可以更好的在工程中應(yīng)用[6]；徐佳偉研究了聚合物材料對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度、收縮率等的影響[7]；林杰生研究了高聚灰比和低聚灰比對(duì)斷裂延伸率的影響[8]；李經(jīng)政研究聚合物水泥砂漿的微觀結(jié)構(gòu)及性能，考察了其水泥水化情況[9]；尹征龍等分析了不同聚合物對(duì)砂漿相關(guān)機(jī)理的影響[10]；王培銘等介紹了可再分散乳粉對(duì)砂漿的工作性能等的影響[11]；張逯見研究了水灰比對(duì)聚合物水泥砂漿流動(dòng)性等的影響[12]。

國(guó)外學(xué)者也對(duì)聚合物水泥砂漿做了較多研究。例如，SPYCHA等在抹面砂漿中摻入了石灰和纖維素醚，發(fā)現(xiàn)摻加前后的保水性在同一水平，認(rèn)為砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度得到了很大的改善[13]；MEYST等在膠凝材料中摻入聚合物，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含聚合物的砂漿7天后的自收縮與不含聚合物的砂漿相比減少了97%，認(rèn)為聚合物的摻入減輕了砂漿的自收縮影響[14]；RASHID等探索了聚合物水泥砂漿在高溫（例如60 ℃）條件下短、中時(shí)間內(nèi)的工作行為以及對(duì)聚合物水泥砂漿進(jìn)行分裂拉伸試驗(yàn)，研究水泥砂漿與混凝土結(jié)合面的界面性能[16]；JO研究了普通水泥砂漿與聚合物水泥砂漿的抗拉能力在不同條件下的變化，發(fā)現(xiàn)聚灰比和聚合物類型對(duì)聚合物水泥砂漿的拉伸附著力影響最大[17]；KNAPEN 探索了聚合物薄殼形成的機(jī)理以及薄殼與水泥砂漿之間的相互作用[18]；BRIEN等研究了不同聚合物對(duì)水泥砂漿拉伸粘結(jié)作用的影響 [19]；KIM等研究了聚合物砂漿的在高溫下的工作性能和燃燒特性[20]；ODERA等研究了聚合物水泥砂漿不同工藝參數(shù)與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性[21]；HATUNGIMANA等研究了水灰比對(duì)聚合物水泥砂漿的影響[22]；ASAD等研究了碳纖維聚合物水泥砂漿在彎曲作用下的表現(xiàn)特征[23]。還有一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了磷酸鎂水泥用于加氣混凝土砌塊專用抹灰砂漿的研究[24]，也獲得了很多有效的結(jié)果。

分析當(dāng)前的這些研究成果，關(guān)于聚合物水泥砂漿（Polymer Cement Mortar，PCM）當(dāng)作專用抹面砂漿的研究在國(guó)內(nèi)外比較少見。為此，采用聚合物水泥砂漿作為高精砌塊薄抹灰專用抹面砂漿，經(jīng)保水性、收縮性、抗凍性測(cè)試，對(duì)配合比進(jìn)行優(yōu)化，以期得出一個(gè)最優(yōu)配合比，再對(duì)不同厚度的抹面砂漿試塊進(jìn)行拉伸粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，并給出一個(gè)最小抹灰厚度建議值。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

試驗(yàn)材料主要為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、特細(xì)砂（細(xì)度模數(shù)1.25以下）、Ⅱ級(jí)粉煤灰、生石灰、重鈣、20目～40目粉煤灰空心漂珠。其中粉煤灰可以改善施工的和易性，便捷施工，其主要化學(xué)組成見表1，基本性能見表2；生石灰可以充分地激發(fā)粉煤灰的活性，使粉煤灰的利用最大化；粉煤灰空心漂珠除具有質(zhì)輕、保溫、絕熱、防火的優(yōu)異性能外，還具有不燃燒，強(qiáng)度高，吸水率低，和易性好、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，是一種環(huán)保型的新型無機(jī)輕質(zhì)絕熱材料。

添加劑主要為羥丙基甲基纖維素、淀粉醚、可再分散乳膠粉（VAE）。羥丙基甲基纖維素配合淀粉醚使用，既有保水增稠的作用，還可以改善施工的和易性，羥丙基甲基纖維素基本性能見表3?？稍俜稚⑷槟z粉（VAE）可以有效地提高砂漿的粘結(jié)性能，改善砂漿柔韌度，達(dá)到薄抹灰效果。

2 主要性能測(cè)試方法

2.1 砂漿配合比正交試驗(yàn)

根據(jù)前期大量試驗(yàn)，將膠砂比固定在1∶2，空心漂珠摻量固定為砂的10%（其余摻量百分比均以水泥質(zhì)量為基準(zhǔn)），羥丙基甲基纖維素的摻量為0.4%，淀粉醚的摻量為0.1%，為保證施工和易性，當(dāng)水膠比0.35時(shí)，減水劑的摻量為2%；水膠比0.45時(shí)，減水劑摻量為0.7%，水膠比0.55和0.65時(shí)，不摻減水劑。正交試驗(yàn)選取水膠比、粉煤灰摻量、生石灰摻量、重鈣摻量、VAE摻量5個(gè)因素，各因素均為四水平。正交試驗(yàn)各因素水平見表4，正交試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)見表5。

2.2 保水性試驗(yàn)

保水性按《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T70—2009）規(guī)定測(cè)試：將干燥試模和下部不透水片放在電子天平上去皮，緊接著在試模中裝入拌制好的砂漿，插搗數(shù)次，使砂漿略高于試模上邊緣，用抹刀以45°將多余的砂漿抹去，再用抹刀在反方向?qū)⑸皾{刮平，稱取試模內(nèi)的質(zhì)量（m3-m1），再稱取15片濾紙的質(zhì)量m2，將15片濾紙蓋在砂漿表面的濾網(wǎng)上，用2 kg的重物將上部不透水片和濾紙壓住，同時(shí)用秒表開始計(jì)時(shí)，靜置2 min后移去上部不透水片再稱取15片濾紙質(zhì)量m4。

3 抹面砂漿主要性能測(cè)試結(jié)果分析

3.1 保水性分析

抹面砂漿一般以薄層形式出現(xiàn)，與空氣接觸面積較大，因此水分極易揮發(fā)，故測(cè)試砂漿的保水性非常有必要，對(duì)不同因素水平的保水性測(cè)試結(jié)果極差分析見表6?？芍捅Ｋ蕟我恢笜?biāo)而言，影響因素順序依次為水膠比、生石灰摻量、粉煤灰摻量、重鈣摻量和VAE摻量。不同因素水平的保水率曲線如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)水膠比由水平1增加至水平4時(shí)，保水率分別提高了0.34%、0.31%、0.30%，可見水膠比的增大能有效地提升砂漿的保水性，且曲線在水平2處取得最大值，到達(dá)水平2后，隨著水膠比的繼續(xù)增大，保水率逐漸減小，最終會(huì)趨于穩(wěn)定。隨著粉煤灰的摻入，砂漿保水率持續(xù)上升，粉煤灰摻量達(dá)到水平3以后，保水率基本不在變化。不同生石灰摻量的保水率變化曲線呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在水平2處取得最大值，隨著摻量的繼續(xù)增加，砂漿保水率將低于水平1（未摻狀態(tài)）。重鈣的加入，會(huì)使砂漿保水率持續(xù)上升，但根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)重鈣摻量大于水平4后，砂漿的強(qiáng)度水平較低，故不在考慮大于水平4的摻量。不同VAE摻量的保水率變化曲線呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且在水平2處取得最大值，VAE摻量大于水平2后，砂漿保水率會(huì)出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3.2 收縮性分析

由表7可知，就自然干燥收縮值單一指標(biāo)而言，水膠比與VAE摻量影響程度幾乎一致，粉煤灰摻量、生石灰摻量和重鈣摻量的影響程度次之。

由圖2可知，不同水平水膠比的自然干燥收縮值呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢(shì)，在水平2處出現(xiàn)拐點(diǎn)，達(dá)到最小值。粉煤灰的摻入減少了砂漿的自然干燥收縮值，且自然干燥收縮值隨摻量的增大逐漸減小。對(duì)于生石灰和重鈣，二者的變化趨勢(shì)相似，均在水平1（未摻狀態(tài)）取得最小值，且水平2和水平3處數(shù)值相近，這表明生石灰和重鈣的摻入并不能明顯地改善砂漿的自然干燥收縮性能。VAE的摻入使自然干燥收縮值增大，在水平1到水平2處增大速率較慢，到達(dá)水平3之后自然干燥收縮值幾乎不再增大。

3.3 抗凍性分析

抹面砂漿研制過程中一般用強(qiáng)度損失率來衡量其抗凍效果，各因素水平對(duì)不同齡期砂漿強(qiáng)度損失率結(jié)果極差分析見表8。影響7 d強(qiáng)度損失率的因素順序依次VAE摻量、粉煤灰摻量、水膠比、重鈣摻量和生石灰摻量。影響28 d強(qiáng)度損失率的因素順序依次為水膠比、生石灰摻量、VAE摻量、重鈣摻量、粉煤灰摻量。

由圖3可知，隨著水膠比的增大，7 d和28 d的強(qiáng)度損失率均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，水膠比0.45時(shí)的損失率最為突出，7 d強(qiáng)度損失率較0.35減小了3.27%，28 d強(qiáng)度損失率較0.35減小了1.54%，此時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的抗凍性，因此選取水膠比0.45更為合適。

由圖4可知，摻入粉煤灰后，砂漿試件7 d和28 d強(qiáng)度損失率隨粉煤灰摻量先減小，當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到20%時(shí)，砂漿試件7 d強(qiáng)度損失率達(dá)到最?。?3.91%），28 d強(qiáng)度損失率達(dá)到最小（11.03%），綜合考慮之下，選取粉煤灰摻量為20%更為合適。

由圖5可知，砂漿試件7 d強(qiáng)度損失率在生石灰摻量為3%時(shí)達(dá)到最?。?4.92%），此時(shí)28 d強(qiáng)度損失率也達(dá)到最小（9.78%），綜合考慮之下，選取生石灰摻量為3%更為合適。

由圖6可知，砂漿試件7 d和28 d強(qiáng)度損失率均隨著重鈣摻量的增加而減小，且在重鈣摻量為9%時(shí)達(dá)到最?。?4.81%、11.14%），重鈣摻量在6%到9%時(shí)，28 d強(qiáng)度損失率減小了0.16%，由此推測(cè)，當(dāng)重鈣摻量大于9%時(shí)，隨著摻量的繼續(xù)增加，強(qiáng)度損失率會(huì)趨于平緩，甚至提高。因此，選取重鈣摻量為9%更為合適。

由圖7可知，VAE摻量大于6%，砂漿試件7 d強(qiáng)度損失率均以接近25%，由于早期強(qiáng)度損失率過大，此處不再考慮摻量為6%以上的情況。當(dāng)VAE摻量為3%時(shí)，抹面砂漿在不同齡期均有較好的抗凍性。

綜合以上分析，根據(jù)砂漿保水性、收縮性、抗凍性各評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終可以確定水膠比為0.45、粉煤灰摻量為20%、生石灰摻量為3%、重鈣摻量為9%、VAE摻量為3%，最終專用抹面砂漿最優(yōu)配合為：水、水泥、粉煤灰、生石灰、重鈣、VAE、砂、空心漂珠、羥丙基甲基纖維素、淀粉醚的質(zhì)量比為450∶620∶200∶30∶90∶30∶1 800∶200∶4∶1。

4 最小抹灰厚度建議值

根據(jù)保水性試驗(yàn)、收縮性試驗(yàn)、抗凍性試驗(yàn)結(jié)果，得出最優(yōu)配合比，即水、水泥、粉煤灰、生石灰、重鈣、VAE、砂、空心漂珠、羥丙基甲基纖維素、淀粉醚的質(zhì)量比為450∶620∶200∶30∶90∶30∶1 800∶200∶4∶1。根據(jù)此配合比配制厚度分別為3 mm、4 mm、5 mm、6 mm的試塊，進(jìn)行拉伸粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，圖8為不同厚度拉伸粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

由圖8可知，砂漿厚度為3 mm、4 mm、5 mm、6 mm時(shí)，砂漿14 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度值分別為0.24 MPa、0.31 MPa、0.35 MPa、0.36 MPa?？梢?，隨著砂漿厚度的增加14 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度也逐漸增大，并且砂漿厚度為4 mm時(shí)，砂漿14 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度為0.31 MPa，已經(jīng)滿足《預(yù)拌砂漿》（GBT 25181）的強(qiáng)度要求。

5 結(jié)語

1）保水性試驗(yàn)結(jié)果表明，水膠比由0.35增加至0.45、0.55、0.65時(shí)，保水率分別提高了0.34%、0.31%、0.30%，可見水膠比的增大能有效提升砂漿的保水性，生石灰、粉煤灰、重鈣和VAE的摻入使砂漿的保水性均優(yōu)于未摻。

2）根據(jù)保水性、收縮性、抗凍性試驗(yàn)結(jié)果，得出最優(yōu)配合比，即水、水泥、粉煤灰、生石灰、重鈣、VAE、砂、空心漂珠、羥甲基纖維素、淀粉醚的質(zhì)量比為450∶620∶200∶30∶90∶30∶1 800∶200∶4∶1。

3）文中開發(fā)的配合比，抹灰厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際工程中的抹灰厚度，砂漿厚度僅為4 mm時(shí)便能滿足現(xiàn)行規(guī)范《預(yù)拌砂漿》（GBT 25181）中的14 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度要求。

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（責(zé)任編輯：王強(qiáng)）

收稿日期：2023-01-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42072319）

作者簡(jiǎn)介：陳成文（1974—），男，陜西西安人，高級(jí)工程師，主要從事聚合物改性水泥基材料方面的研究工作。