成像水泥砂漿配合比設計方法研究與設計

盧恒

（廣西建工集團建筑產業投資有限公司，廣西 南寧 530211）

0 引言

用于表面成像的水泥砂漿制品，具有結構簡單、制作方便、推廣前景好等優點，為水泥制品、砂漿結構的表面裝飾提供了全新的方式。其原理是將帶有緩凝功能的油墨將要表現的內容負相印刷于特殊處理的印刷介質上，人們稱之為成像膜。將成像膜正面朝上，置于光滑平整的工作平臺上，排除成像膜和平臺之間的空氣，再按正常的砂漿澆筑辦法澆筑砂漿。待砂漿終凝狀態時立起所澆構件，扯下成像膜，用高壓水槍沖洗，有功能油墨的地方被沖洗掉膠料，漏出骨料，骨料和膠料不同顏色的色差形成圖案[1]。

1 難點以及解決途徑

（1）從攪拌砂漿制品的顏色效果、原材料來源的廣泛性且便于實際生產操作等幾方面考慮。本次研究采用單級配的黑色金剛砂配制圖像砂漿，采用此種方法時對砂漿的和易性的調整存在一定的難度。

（2）提高流動性、降低黏度。采用自卸的方式將砂漿倒入成像膜上，要求按照沿固定方向緩慢倒入膜內一次成型。這要求砂漿具有較高的流動、黏度較小，以利于在成像砂漿表面不會留下砂漿流動的痕跡。

（3）由于砂漿強度不足而影響脫模時間，導致脫模后緩凝劑沖洗不凈，造成成型砂漿表面出現圖像的缺失，影響外掛質量。

（4）由于砂漿和易性不好，造成成像制品表面出現緩凝劑移位、出現鹽析、裂紋、黑砂不均勻、沖洗厚度不勻等問題。

針對以上技術難點，本工程采用黑色金剛砂配制成像水泥砂漿，通過調整原材料的品質以及施工工藝來有效改善或者解決相關問題。針對采用單級配的金剛砂配制的砂漿，可在采用較細骨料充當填充物，由于地域材料的局限性，選擇鈣粉填充金剛砂間的縫隙，對于金剛砂的比例應當控制在適當的范圍，使得在成像時能呈現出分布均勻的黑砂；為了改善砂漿的和易性，增加黏聚性和澆筑密實性，可以在新拌砂漿中加入優質粉煤灰，這樣可以使砂漿初始結構致密化，同時優質粉煤灰的減水作用，可以降低砂漿的水膠比，減小砂漿制品的初始孔隙率，提高其強度。在新拌砂漿中加入砂漿添加劑，降低水膠比，可以明顯提高砂漿的早期強度及和易性。在施工工藝方面，應當控制模具與成像膜之間的粘合效果，減少由于模具移位造成的褶皺、凹凸痕跡；應當控制下料高度以及布料速度，防止成像膜上的緩凝劑受砂漿重力的作用被沖散、移位。

2 原材料的選擇

2.1 水泥

成像混凝土砂漿應該具有高流動性、高后期強度和高耐久性的特點，所以應該選擇水化速率慢的、C2S 含量高的低堿水泥，再者選擇顆粒分布較寬的水泥，控制水泥顆粒組成對水化熱的影響，降低水泥水化速度。本研究選用三明金牛水泥有限公司生產的 P·O42.5R 級水泥，相關物理性能指標檢測如表 1 所示。

表 1 水泥物理性能指標

2.2 礦物摻合料

優質粉煤灰對砂漿的和易性有較強的影響。本研究選用的粉煤灰為福州開發區華能實業有限公司產的Ⅱ級粉煤灰，其物理性能指標如表 2 所示。

表 2 粉煤灰物理性能指標

2.3 骨料

選用顏色鮮明的黑色金剛砂，為使水泥砂漿成像更加清晰、細致，金剛砂的規格應控制在 20～40 目之間。本研究選用的金剛砂為福州九力城建材有限公司生產的 40 目優質金剛砂。

由于原材料受到地域的限制，采用的是單級配的金剛砂，因此應當選擇細小的填充物。應選擇不與其他原材料發生反應且在色澤、黏度上不會影響制品的填充物。本工程選用的填充物為福州九力城建材有限公司生產的 500 目白色鈣粉。

2.4 干粉添加劑

干粉添加劑可以顯著改善砂漿和易性，對水泥有很好的適應性，能有效分散水泥顆粒，減水率在 20% 以上。本研究所用添加劑為深圳市威鍇眾潤有限公司產的干粉添加劑。

2.5 纖維

在砂漿摻入聚丙烯纖維，能極有效地控制砂漿因塑性收縮干裂或溫度等變化所引起的裂縫，防止并抑制裂縫的發展，從而改善抗滲、抗裂性能，此外還可以大幅度提高砂漿抗沖擊能力，抗磨損，抗凍融，減少塑性沉降和龜裂。本研究所用纖維為 6～12mm 長纖維。

3 試驗

3.1 砂漿配合比設計與調整

砂漿性能及質量要通過配合比設計來保證，本研究從砂漿流動性、強度、粘聚性及使用方式的要求，來進行砂漿配合比設計。

（1）金剛砂堆積密度為 2266kg/m3，表觀密度為3655kg/m3；鈣粉堆積密度為 1935kg/m3，表觀密度為3355kg/m3。水泥的表觀密度為 3100kg/m3，粉煤灰的表觀密度為 2300kg/m3。配制用于本次研究的成像水泥砂漿，強度等級為 M30。

（2）低水膠比是砂漿強度的保證，要求和易性良好、早期強度高的自流平砂漿，初始坍落度在 250mm以上，不離析、不泌水。

（3）計算。

1）設金剛砂為 0.46m3

則金剛砂的用量= 0.46m3×2266kg/m3=1042kg

2）金剛砂的密實體積為

1042kg÷3655kg/m3= 0.285m3

金剛砂的空隙率 PJ=(1-2266/3655)×100%=38.0%

3）鈣粉的堆積體積

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

4）鈣粉的質量 Mg=0.331×1935=640(kg)

鈣粉的密實體=640/3355=0.19(m3)

5）膠凝材料漿體體積=1-0.285-0.19=0.525(m3)

6）參考試驗數據經驗，取水膠比為 0.38。

7）參考試驗數據經驗以及效果，選定膠凝材料中粉煤灰摻量 12%。

8）參考試驗數據經驗向砂漿中加入細小纖維，選定摻量為總膠材的 0.3%。

9）單位體積水泥凈漿膠凝材料用量為：

B=1/(C/γc+F/γf+W/C)

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

單位體積砂漿中粉煤灰用量為：

0.12×716×0.525=45(kg)

單位體積砂漿中水泥用量為：

0.88×716×0.525=330(kg)

單位體積砂漿中水用量=0.38×716×0.525=142(kg)

（4）按前述步驟計算出配合比，試拌砂漿拌合物總質量為 2kg，先摻干粉添加劑 3.7%（以總膠凝材料質量計），試拌后測得砂漿流動度 230mm，再摻 0.3%，測得砂漿流動度 260 mm，且無泌水和離析現象。最后確定聚羧酸型干粉高效減水劑的摻量為膠凝材料總量的4.0%。[2]

（5）經計算得到水泥砂漿的配合比（1m3砂漿各組成材料用量）：金剛砂 1042kg；鈣粉 640kg；水泥330kg；粉煤灰 45kg；水 142kg；添加劑 15.0kg；纖維 1.13kg。測得砂漿的流動度為 260mm；1d 抗折強度為 4.1MPa，1d 抗壓強度為 19.8MPa；28d 抗折強度為7.2MPa，28d 抗壓強度為 38.4MPa，各項指標滿足目標要求。

3.2 驗證

在實驗室中拌制 40L 的按前述步驟計算出配合比設計的砂漿，原材料種類和比例未變，以不高于 20cm 的高度緩慢地將其倒入小型的圖像模中。試拌后確定干粉添加劑的摻量為膠凝材料總量的 4.2%，測得砂漿拌合物的流動度為 260mm。選用的小型成像模具分別為塑料以及鋼模具，待脫模后揭開成像膜，并用高壓水槍沖洗制品表面，制品表面金剛砂砂粒均勻，色澤鮮艷，線條清晰，滿足施工要求（成型效果見圖 1、圖 2）。

圖 1 塑料模具制作出的樣品

圖 2 鋼模具制作出的樣品

4 結論

（1）在考慮了對成像砂漿和易性良好、早期強度高、初始坍落度在 250mm 以上，不離析、不泌水等要求，且最終砂漿制品的成像清晰、色彩鮮明，對原材料進行了優選、對配合比進行了初步的設計，并通過試驗進行驗證。

（2）經過試驗得出：砂漿的強度等級決定于水膠比和礦物摻合料的種類及摻量；砂漿的流動度決定于添加劑的摻量。

（3）按照本文提出成像砂漿配合比的設計方法和步驟及給定的原材料，1m3砂漿各組成材料用量：金剛砂 1019kg；鈣粉 627kg；水泥 337kg；粉煤灰 46kg；水 145kg；添加劑 16.1kg；纖維 1.15kg。測得砂漿的流動度為 265mm；1d 抗折強度為 4.1MPa，1d 抗壓強度為 19.8MPa；28d 抗折強度為 7.2MPa，28d 抗壓強度為38.4MPa，各項指標滿足初選目標要求。