高石粉含量干混砂漿流變-工作性能研究

楊超

（福建潤(rùn)之寶新材料有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

目前在預(yù)拌干混砂漿生產(chǎn)中，天然河砂、海砂被禁止使用，而濕法機(jī)制砂需烘干使用提高了成本，所以干法機(jī)制砂使用逐漸普及。因制砂工藝的改變，機(jī)制砂中石粉含量增至15%~20%[1]，常導(dǎo)致所制干混砂漿的工作性能與產(chǎn)品質(zhì)量惡化。

干法制備的機(jī)制砂在抹灰砂漿實(shí)際施工使用過(guò)程中常出現(xiàn)的2個(gè)問(wèn)題是粗顆粒太多造成的“料渣”與石粉太多造成的“料黏”。要解決此問(wèn)題，需要將經(jīng)驗(yàn)化的工作性能描述轉(zhuǎn)化為可以定量分析的數(shù)據(jù)，在此稠度、保水率、表觀密度已無(wú)法準(zhǔn)確描述，這就要求結(jié)合分析砂漿流變性能相關(guān)參數(shù)[2-3]。

本文從砂漿流變性能角度研究其工作性能，選擇普遍適用且變量較少的賓漢姆（Bingham）模型：τ=τ0+η·γ，為普通干混抹灰砂漿流變學(xué)模型[4-6]，此模型中的屈服應(yīng)力τ0是阻礙塑性變形的最大應(yīng)力，由漿體內(nèi)各顆粒之間的附著力和摩擦力產(chǎn)生，決定砂漿的變形性能，τ0越大漿料手感越重，施工順滑性差；塑性黏度η是漿體內(nèi)部流體結(jié)構(gòu)與流動(dòng)方向相反的阻礙流動(dòng)的一項(xiàng)性能，決定了砂漿流動(dòng)度，η越大漿體手感黏滯，施工時(shí)黏刀。

滿足使用要求的砂漿存在一個(gè)適宜的τ0與η范圍，本實(shí)驗(yàn)研究圍繞這2個(gè)關(guān)鍵的流變參數(shù)，通過(guò)對(duì)機(jī)制砂石粉含量、礦物摻合料、外加劑幾個(gè)方面進(jìn)行調(diào)整，研究τ0、η與砂漿工作性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并結(jié)合既有的表觀密度、稠度、保水率測(cè)試，以解決高石粉含量機(jī)制砂干混砂漿的“可用性”問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：華潤(rùn)P·O42.5，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量25.1%，28 d抗壓強(qiáng)度48.1 MPa；粉煤灰：石獅鴻山熱電廠，F(xiàn)類Ⅱ級(jí)，細(xì)度（45 μm篩篩余）22.2%，需水量比101%；石灰石粉：泉州市旭豐粉體原料有限公司，LⅠA級(jí)，細(xì)度（45μm方孔篩篩余）13.6%；沸石粉：寧波嘉和新材料科技有限公司，Ⅱ級(jí)，細(xì)度（45μm篩篩余）16.6%；外加劑：自主研制復(fù)合型RZB-M1型通用干混砂漿添加劑，為松散干燥粉末與細(xì)顆粒的混合物，主要成分為天然纖維素類提取物，符合JC/T 2380—2016《抹灰砂漿添加劑》標(biāo)準(zhǔn)型的要求；機(jī)制砂：干法制備；水：自來(lái)水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

機(jī)制砂性能：機(jī)制砂的顆粒級(jí)配、石粉含量、MB值參照GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》進(jìn)行測(cè)試，石粉的化學(xué)組成由XRD定性分析測(cè)得。

流變參數(shù)測(cè)試：使用BROOKFIELD公司DV2TRV型數(shù)字式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，在（25±1）℃、相對(duì)濕度（75±5）%實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，測(cè)試砂漿在各剪切速率γ下的表觀黏度，計(jì)算得剪切應(yīng)力τ，采用Origin軟件直線擬合得流變方程，套用賓漢姆（Bingham）模型即可得到被測(cè)砂漿的屈服應(yīng)力τ0和塑性黏度η。

砂漿的表觀密度、砂漿稠度、保水率：參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 機(jī)制砂的性能

2.1.1 機(jī)制砂的顆粒級(jí)配與石粉含量（見(jiàn)表1）

表1 干法制備機(jī)制砂的顆粒級(jí)配與石粉含量

實(shí)驗(yàn)測(cè)得機(jī)制砂的石粉含量為12.4%、細(xì)度模數(shù)為2.5、MB值為0.9，結(jié)合表1可知，干法制備機(jī)制砂級(jí)配呈兩頭多中間少，在0.60~1.18 mm這一級(jí)明顯斷檔；從細(xì)度模數(shù)上可劃分為中砂，但0.30 mm累計(jì)篩余數(shù)據(jù)已屬于3區(qū)細(xì)砂，MB值為0.9，但石粉含量已達(dá)12.4%。從制砂原料與生產(chǎn)工藝分析，干法制砂所用石料含泥少但風(fēng)化層不可控，采用顎破-圓錐破結(jié)合的破碎方式經(jīng)濟(jì)性好但對(duì)砂顆粒整形能力有限[7-8]，干法生產(chǎn)流程中脫粉與除塵實(shí)際運(yùn)行效果差，這些因素綜合影響造成了干法機(jī)制砂級(jí)配缺陷與石粉含量超標(biāo)。

2.1.2 石粉的化學(xué)組成

取機(jī)制砂篩底，研磨后進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 干法制備機(jī)制砂石粉的XRD圖譜

由圖1可見(jiàn)，石粉主要由石英、方解石、長(zhǎng)石、高嶺石組成，并檢出白云母、白云石、黃鐵礦。高嶺石與白云母為常見(jiàn)的非膨脹性黏土礦物，未檢出蒙脫石（2θ=5.90°處未見(jiàn)強(qiáng)衍射峰），聯(lián)系上文所測(cè)得MB值為0.9，說(shuō)明機(jī)制砂中雖然石粉含量超標(biāo)，但其化學(xué)組成是以惰性非黏土類礦物與非膨脹性黏土礦物為主，因此這類機(jī)制砂是可以調(diào)整使用的[9-10]。

2.2 石粉含量對(duì)砂漿流變-工作性能的影響

采用M7.5抹灰砂漿配合比為實(shí)驗(yàn)配合比（見(jiàn)表2），將機(jī)制砂石粉含量通過(guò)篩分分別調(diào)整為3%、6%、9%、12%，分別測(cè)試所得砂漿拌合物的流變參數(shù)、表觀密度、砂漿稠度和保水率，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)6批，取平均值（下同），結(jié)果見(jiàn)圖2、表3。

表2 砂漿的配合比 kg/t

圖2 不同石粉含量砂漿的流變曲線與參數(shù)

表3 不同石粉含量砂漿的工作性能

由圖2可見(jiàn)，在石粉含量分別為3%、6%、9%、12%時(shí)，各砂漿拌合物的塑性黏度η分別為0.60329、0.70492、0.81153、0.95729Pa·s，屈服應(yīng)力τ0分別為23.85559、21.33132、21.61908、22.71626 Pa，可見(jiàn)隨石粉含量的增加，η相應(yīng)變大且遞增效應(yīng)明顯，而τ0變化幅度不大。同時(shí)分析表3可知，隨石粉含量的增加，砂漿的表觀密度減小，稠度與保水率增大，在石粉含量為9%時(shí)，砂漿的施工手感最符合工人使用習(xí)慣。

在石粉含量為3%時(shí)，砂漿手握顆粒感強(qiáng)、漿體包裹差，對(duì)應(yīng)τ0最大、η最小，說(shuō)明砂中粗顆粒比例高，漿體過(guò)稀；石粉含量為6%時(shí)，相對(duì)3%時(shí)τ0減小、η增大；石粉含量為9%時(shí)，η、τ0對(duì)應(yīng)最優(yōu)砂漿狀態(tài)，這說(shuō)明適當(dāng)增加石粉含量有助于改善砂漿的工作性能；而石粉含量為12%時(shí)，相對(duì)石粉含量為9%砂漿流變參數(shù)τ0、η均增大，說(shuō)明繼續(xù)增加石粉導(dǎo)致砂漿偏黏。

石粉含量為9%與12%時(shí)砂漿的稠度分別為88、89 mm，相差很小，而此時(shí)的工作狀態(tài)卻差異明顯，現(xiàn)場(chǎng)施工人員更愿接受石粉含量為9%時(shí)的砂漿狀態(tài)，再分析二者流變參數(shù)，η分別為0.81153、0.95729 Pa·s，這就與工作狀態(tài)建立了明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

石粉含量對(duì)砂漿流變-工作性能的影響可從漿體總量與級(jí)配改善這兩點(diǎn)來(lái)討論。與混凝土不同，砂漿強(qiáng)度要求低且不含粗集料，因而膠材用量少，但需要包裹的集料比表面積更大，所需漿體總量更多。在用水量足夠情況下，增加石粉可提高拌合物中漿體總量；同時(shí)，石粉增加改善了機(jī)制砂級(jí)配，降低了空隙率，需要漿體填充的空間相對(duì)減小。二者結(jié)合，在調(diào)整石粉含量至9%時(shí)，以石粉填充膠凝體系增加總漿量、充分包裹、潤(rùn)滑集料表面，同時(shí)空隙率減小使得漿體不易泌出，此時(shí)砂漿的η、τ0適宜、工作性能最佳。

2.3 礦物摻合料對(duì)砂漿流變-工作性能的影響

分別選用粉煤灰、石灰石粉、沸石粉3種經(jīng)濟(jì)易得的礦物摻合料，考察在不同用量時(shí)其對(duì)砂漿拌合物流變參數(shù)、表觀密度、砂漿稠度和保水率的影響，實(shí)驗(yàn)配合比同表2，各類礦物摻合料分別摻至膠凝材料總質(zhì)量的35%、40%、45%、50%，并固定機(jī)制砂石粉含量為9%。

2.3.1 粉煤灰的影響（見(jiàn)圖3、表4）

圖3 不同粉煤灰用量砂漿的流變曲線與參數(shù)

表4 不同粉煤灰用量砂漿的工作性能

由圖3可知，在粉煤灰用量分別為35%、40%、45%、50%時(shí)，各砂漿拌合物η分別為0.90964、0.81729、0.76058、0.59157 Pa·s，τ0分別為21.32662、20.95726、20.57871、18.98765 Pa。隨粉煤灰用量的增加，τ0逐漸減小但變化幅度不大；η相應(yīng)變小且遞減效應(yīng)明顯。結(jié)合表4可知，隨粉煤灰用量的增加，砂漿的表觀密度與保水率減小、稠度增大，在粉煤灰用量為40%時(shí)，砂漿的施工手感最符合工人使用習(xí)慣。

因砂漿強(qiáng)度要求較混凝土大為降低，將粉煤灰應(yīng)用在砂漿中，與混凝土中的最大區(qū)別在于其用量可以大幅增加。粉煤灰作為一種最為常用的礦物摻合料，具有火山灰效應(yīng)與形貌效應(yīng)[11]，在砂漿中主要發(fā)揮作用的應(yīng)是形貌效應(yīng)：在用量較大的前提下，大量的球形玻璃體顆粒分布在砂漿拌合物中，如滾珠般減小摩擦，使砂漿的稠度與流動(dòng)性增大，屈服應(yīng)力與塑性黏度降低，觀察粉煤灰用量50%時(shí)，稠度陡增，而τ0、η降至最低，砂漿已呈流態(tài)。

2.3.2 石灰石粉的影響

較粉煤灰而言，石灰石粉來(lái)源廣泛、組成穩(wěn)定、成本更低，在控制好細(xì)度與MB值條件下，本研究嘗試將其作為低活性礦物摻合料引入砂漿體系中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4、表5。

圖4 不同石灰石粉用量砂漿的流變曲線與參數(shù)

表5 不同石灰石粉用量砂漿的工作性能

由圖4可知，在石灰石粉用量分別為35%、40%、45%、50%時(shí)，各砂漿拌合物的η分別為0.81056、0.88819、0.91082、0.93189 Pa·s，τ0分別為20.12211、20.78261、22.24685、24.39215 Pa。隨石灰石粉用量的增加，τ0、η都相應(yīng)變大且遞增效應(yīng)明顯。結(jié)合表5可知，隨石灰石粉用量的增加，砂漿的表觀密度遞增，稠度、保水率逐漸降低，在用量35%時(shí)，砂漿施工手感最符合工人使用習(xí)慣。

石灰石粉用量增多導(dǎo)致砂漿不但變黏而且料渣，施工手感遲重，本文認(rèn)為主要原因在細(xì)度與顆粒形貌上，石灰石粉與粉煤灰不同，是由機(jī)械磨粉加工制得，較粉煤灰比表面積更大，顆粒形貌上呈多棱片、尖角不規(guī)則多面體[12]，在相同用水量條件下比表增大導(dǎo)致潤(rùn)濕不足使?jié){體黏性增加，而不規(guī)則多面體之間的摩擦與搭接增大了漿體流動(dòng)阻力。這就造成砂漿既黏又渣，反映在流變參數(shù)上就是τ0、η均增大。

2.3.3 沸石粉的影響

沸石粉與粉煤灰一樣，都是活性鋁硅酸鹽礦物摻合料[13]，且不同于粉煤灰源于火電副產(chǎn)，沸石粉可由天然沸石礦磨細(xì)制得，品質(zhì)更加穩(wěn)定，加工時(shí)細(xì)度接近粉煤灰時(shí)成本增加不大，可以應(yīng)用于干混砂漿，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5、表6。

圖5 不同沸石粉用量砂漿的流變曲線與參數(shù)

表6 不同沸石粉用量砂漿的工作性能

由圖5可知，沸石粉用量分別為35%、40%、45%、50%時(shí)，各砂漿拌合物的η分別為0.89744、0.91888、0.96704、1.12335 Pa·s，τ0分別為18.89686、18.97873、19.12348、18.46204 Pa。隨沸石粉用量的增加，η相應(yīng)變大且遞增效應(yīng)明顯，而τ0基本穩(wěn)定不變，相較摻入粉煤灰與石灰石粉，摻入沸石粉后砂漿的屈服應(yīng)力明顯降低，但塑性黏度從起始的35%用量就達(dá)到了0.89744 Pa·s。結(jié)合表5可知，與摻入粉煤灰與石灰石粉時(shí)不同，隨沸石粉用量的增加砂漿的稠度、保水率基本穩(wěn)定不變，表觀密度減小較大，此外砂漿施工手感雖然爽滑，但是愈加黏滯，工人反饋黏刀，說(shuō)明在實(shí)際應(yīng)用中沸石粉的用量需降低。

從沸石粉顆粒的表面形貌與內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析，沸石粉顆粒同樣呈不規(guī)則棱角多面體，其表面不同于粉煤灰顆粒光滑而呈溝回褶皺，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)多孔，存在大量連通的空腔與管道[14]；拌和時(shí)吸收自由水進(jìn)入這些孔道，使得砂漿塑性黏度與保水率提高。從界面角度考慮，沸石粉優(yōu)良的親水性[15]，改善了復(fù)合漿體-集料的界面性能，可能是砂漿拌合物屈服應(yīng)力降低、施工砂漿手感爽滑的主要原因。天然磨細(xì)沸石粉較石灰石粉具有活性優(yōu)勢(shì)，較粉煤灰具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，更適合作為礦物摻合料在干混砂漿中使用。

綜上對(duì)比3種礦物摻合料，石粉過(guò)少導(dǎo)致料渣、粉煤灰過(guò)多導(dǎo)致料稀、沸石粉過(guò)多導(dǎo)致料黏，當(dāng)需要調(diào)整工作性能適應(yīng)工人施工時(shí)，最為常用的稠度指標(biāo)都無(wú)法準(zhǔn)確指導(dǎo)調(diào)整方向，如在粉煤灰用量為35%與40%時(shí)，二者稠度相差2 mm；石灰石粉用量為35%與40%時(shí)，二者稠度相差3 mm；沸石粉用量為40%與45%時(shí)，二者稠度相同。但再分析塑性黏度η分別為粉煤灰0.90964 Pa·s（35%）、0.81729 Pa·s（40%）；石灰石粉0.81056 Pa·s（35%）、0.88819 Pa·s（40%）；沸石粉0.91888 Pa·s（40%）、0.96704 Pa·s（45%）。差異明顯的黏度說(shuō)明以流變參數(shù)表征砂漿的狀態(tài)來(lái)指導(dǎo)砂漿調(diào)整方向更為明確。

2.4 外加劑對(duì)砂漿流變-工作性能的影響

實(shí)驗(yàn)所用外加劑主要由減水、增稠、保水、引氣、緩凝組分復(fù)配而成，實(shí)際生產(chǎn)中常以摻量調(diào)整應(yīng)對(duì)地材的變化，固定機(jī)制砂石粉含量為9%，實(shí)驗(yàn)配合比同表2，外加劑摻量分別為砂漿干粉總質(zhì)量的0.030%、0.035%、0.040%、0.050%、0.070%，考察其對(duì)砂漿流變-工作性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6、表7。

圖6 不同外加劑摻量砂漿的流變曲線與參數(shù)

表7 不同外加劑摻量砂漿的工作性能

由圖6可知，在外加劑摻量分別為0.030%、0.035%、0.040%、0.050%、0.070%時(shí)，各砂漿拌合物的η分別為0.95067、0.88826、0.81464、0.89856、1.37265 Pa·s，τ0分 別 為24.37723、22.53447、21.76065、18.45515、17.48057 Pa。隨外加劑摻量的增加，砂漿拌合物的η先減小再增大，而τ0則一直減小。結(jié)合表7可知，隨外加劑摻量的增加，砂漿的表觀密度遞減，稠度、保水率增大，在摻量為0.040%時(shí)，砂漿施工手感最符合工人使用習(xí)慣。

這里需要區(qū)別分析的是η的變化，在外加劑摻量為0.030%偏低時(shí)，其對(duì)膠材顆粒的分散、對(duì)集料顆粒的潤(rùn)濕以及二者之間的潤(rùn)滑作用不充分，此時(shí)η值較大、流動(dòng)性不佳，是漿液內(nèi)被分散相的膠材顆粒與石粉顆粒粘連造成的；而在摻量為0.070%偏高時(shí)，外加劑充分作用后砂漿流動(dòng)提升，但過(guò)量摻入使得漿液內(nèi)分散相水相自身黏度的增大，反而急劇提升η值到1.37265 Pa·s。而τ0與表觀密度的減小，最直觀的原因是含氣量增大導(dǎo)致，更重要的是引入的微小氣泡，其泡沫穩(wěn)定性因水相自身黏度的增加而提高了，著重觀察摻量從0.050%增加到0.070%時(shí)，τ0變化趨穩(wěn)而表觀密度驟降至1636 kg/m3。在普通砂漿中，強(qiáng)度與表觀密度直接相關(guān)，雖然通過(guò)調(diào)整外加劑摻量可優(yōu)化砂漿的流變-工作性能，但必須考慮其對(duì)強(qiáng)度的影響。

對(duì)于預(yù)拌砂漿而言，應(yīng)用研究的重點(diǎn)常在保水增稠組分如纖維素醚[16-17]。基于此，如能結(jié)合流變性能參數(shù)圍繞砂漿拌合物中的氣泡總量、尺寸、表面吸附性、泡沫穩(wěn)定性展開(kāi)研究，對(duì)提高外加劑與日益復(fù)雜劣化地材的適應(yīng)性很有幫助。

3 結(jié)論

（1）級(jí)配斷檔、石粉較多的干法機(jī)制砂滿足生產(chǎn)使用的前提是，石粉化學(xué)組成是以惰性的非黏土類礦物與非膨脹性的黏土礦物為主。

（2）從砂漿流變性能角度研究其工作性能，選擇普遍適用且變量較少的賓漢姆（Bingham）模型：τ=τ0+η·γ為流變學(xué)模型，實(shí)驗(yàn)表明，以屈服應(yīng)力τ0、塑性黏度η這2個(gè)流變參數(shù)表征砂漿的工作性能較稠度更為準(zhǔn)確，在本研究中較為適宜的τ0為21~22 Pa、η為0.80~0.82 Pa·s，此時(shí)砂漿狀態(tài)符合工人使用習(xí)慣，可用性良好。

（3）可通過(guò)調(diào)整石粉、礦物摻合料與外加劑摻量?jī)?yōu)化砂漿的工作性能。在本研究中適宜的干法機(jī)制砂石粉含量為9%；摻用粉煤灰時(shí)其用量為膠凝材料總質(zhì)量的40%、摻用石灰石粉時(shí)其用量為膠凝材料總質(zhì)量的35%、摻用沸石粉時(shí)其用量應(yīng)小于膠凝材料總質(zhì)量的35%；外加劑摻量為砂漿干粉總質(zhì)量的0.040%。