砂漿施工性試驗方法的研究與應用

王肇嘉，章銀祥，張增壽，蔡魯宏，黃天勇，陳向娟

（1.北京建筑材料科學研究總院有限公司，北京100041；2.北京金隅砂漿有限公司，北京102402；3.北京市預拌砂漿工程技術研究中心，北京100041；4.固廢資源化利用與節能建材國家重點實驗室，北京100041）

0 引言

建筑砂漿量大面廣，其施工性對施工速度、勞動強度及工程質量有顯著影響。絕大多數建筑砂漿都是非流動性砂漿，如普通抹灰砂漿、薄層抹灰砂漿、普通砌筑砂漿、薄層砌筑砂漿、普通地面砂漿、普通防水砂漿、聚合物水泥防水砂漿、外保溫系統用粘結與抹面砂漿、瓷磚粘結砂漿、加氣混凝土用粘結與抹面砂漿、界面砂漿、膩子、抹灰石膏、飾面砂漿等，這些砂漿的施工性主要包含黏聚性、均勻性（分層度）、觸變性、抹灰阻力等。就實際工程而言，抹灰阻力大小的影響最為顯著。

我國建工行業標準JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》中，常規（非流動性）砂漿的施工性試驗方法，與歐標EN 1015-4：1999《Methods of test for mortar for masonry-Part 4：Determination of consistence of fresh mortar（by plunger penetration）》類似，主要用稠度（落錐法）及其損失率等表示砂漿的施工性，以總質量300 g的試錐（EN 1015-4：1999則是總量為90 g的圓柱，距砂漿表面100 mm高處）自由落入新拌砂漿的深度表示稠度值，一般稠度值越大、施工性越好。這種試驗方法比較簡單。然而，正如EN 1015-4：1999的簡介中所述，它們只能間接表征砂漿的施工性，不能直接反映砂漿施工性（抹灰阻力）的好壞。

我國建材行業標準JC/T 958—2005《水泥膠砂流動度測定儀（跳桌）》中，用流動度表示砂漿的施工性，與歐標EN 1015-3：1999《Methods of test for mortar for masonry-Part 3：Determination of consistence of fresh mortar（by flow table）》相同，將新拌砂漿灌入跳桌上的截錐圓模（高60 mm，上底直徑70 mm，下底直徑100 mm）中，取走截錐圓模后，讓跳桌上下跳動指定次數后，以砂漿自由擴張后的直徑表示流動度，一般流動度越大、施工性越好。但該方法測出的流動度不能直接反映常規（非流動性）砂漿施工性（抹灰阻力）的好壞；而且在測試聚合物砂漿時脫模都很困難。

蘇雷[1]、Patural等[2]、Brumaud等[3]、Nguyen等[4]均用流變儀測試纖維素醚對砂漿施工性的影響規律，用流變儀的剪切值表征砂漿的施工性，一般剪切值越小、施工性越好。但該方法也不能直觀、直接地表征砂漿的施工性（抹灰阻力）。

文獻[5]公開了一種砂漿和膩子施工性檢測裝置，通過滑動板滑動的距離或拉力的大小來量化施工性，使得施工性檢測更準確。但該方案存在以下問題：一是不同試驗裝置（特別是滑動組件）自身的摩擦力等阻力干擾不同，導致不同裝置之間的測量結果不具有可比性；二是滑動板（相當于抹子）在砂漿表面移動時，一方面由于砂漿質地不均勻，其彈簧拉力始終處于動態變化狀態，另一方面由于滑動板在移動過程中，其前方堆積的砂漿會越來越多，導致彈簧拉力整體上呈現出逐漸增大的趨勢，致使采用彈簧拉力計無法準確讀數，其測量結果難以準確。

在實際工程中，因沒有直接、量化的方法去檢測砂漿的施工性，而不得不憑借施工工人的實際操作手感去判斷砂漿施工性的好壞；但不同工人以及同一工人不同時間對砂漿施工性的評價不同，使得評價結果差異很大，導致爭執事件屢有發生。因此，很有必要研發一種可對砂漿的施工性進行直接、量化檢測的方法。

1 施工性測試儀的研究與設計

自主研究、設計的施工性測試儀包括1臺電子萬能試驗機、1只萬向節、2只定滑輪（帶軸承）、1個工作臺（上表面中間有4只定位螺釘）、1根鋼絲繩、1只鐵抹灰刀、1根水平主軸、2只滑塊、2根滑軌、若干連接件等，如圖1所示。

圖1 自主研制的施工性測試儀示意

1.1 試驗材料準備

（1）試驗材料：普通抹灰砂漿、外保溫系統用抹面砂漿、膩子。其中，5組普通抹灰砂漿（CD、DS、HD、DD、BH）分別來自于北京金隅砂漿公司的5個生產廠，性能均符合GB/T 25181—2019《預拌砂漿》的要求；膩子為北京金隅砂漿公司生產，性能符合JG/T 298—2010《建筑室內用膩子》中N型的要求；外保溫系統用抹面砂漿中，含有0.15%纖維素醚HPMC的樣品為北京金隅砂漿公司生產，性能符合GB/T 29906—2013《模塑聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統材料》的要求，4個樣品的組成中，除HPMC的摻量不同外，其余原料種類及配比均相同。

（2）標準混凝土板：符合JC/T 547—2017《陶瓷磚膠粘劑》的要求，尺寸為400 mm×200 mm×40 mm。

所有試驗材料（包含試驗用水）均應在標準試驗條件[溫度（23±2）℃、相對濕度（50±5）%]下放置24 h以上。

1.2 試驗機具準備

（1）施工性測試儀的調整：工作臺水平布置，將試件（標準混凝土板及其上方的新拌砂漿）置于工作臺上表面中間4只定位螺釘限定的固定位置，使抹灰刀可在試件上方、沿著試件長度方向、與試件上表面平行地抹灰，抹灰刀的短邊與水平面成15°（可調）。固定好萬能試驗機行程的起點、終點。

（2）輔件準備：500 mm×45 mm×8 mm鋼板條；500 mm×27 mm×2.5 mm鋼板條；500 mm×27 mm×1 mm鋼板尺。

1.3 試件制備

（1）砂漿制備：在標準試驗條件下，按JGJ/T 70—2009的要求制備普通抹灰砂漿，按JC/T 2559—2020《巖棉外墻外保溫系統用粘結、抹面砂漿》的要求制備外保溫系統用抹面砂漿、膩子。按JGJ/T 70—2009的要求測試稠度。初始稠度均設定為（95±5）mm。

（2）成型：每次成型前均用濕抹布擦抹標準混凝土板，使得標準混凝土板的狀態保持基本一致。

①普通抹灰砂漿：使用500 mm×45 mm×8 mm鋼板條、500 mm×27 mm×2.5 mm鋼板條，在標準混凝土板的上方，對中拼出成型框，向成型框內填充砂漿，壓實、抹平，使得成型后的砂漿尺寸為350 mm×150 mm×10.5 mm，成型后的砂漿表面應平整。

②外保溫系統用抹面砂漿：成型后的砂漿尺寸為350 mm×150 mm×8 mm；其余同普通抹灰砂漿。

③膩子：成型后的砂漿尺寸為350 mm×150 mm×5 mm；其余同普通抹灰砂漿。

1.4 測試步驟

（1）普通抹灰砂漿：將成型好的試件置于施工性測試儀工作臺的定位螺釘之間。調整試件高度，使得混凝土板的上表面與抹灰刀最低邊之間的間隙為8.0 mm。即所有試件測試過程中被抹去的砂漿厚度始終是2.5 mm。將抹灰刀的最低邊置于標準混凝土板之外，將萬能試驗機的拉伸頭置于起始點（低位點）。用鋼絲繩將抹灰刀通過2只定滑輪、萬向節，與萬能試驗機的拉伸頭連接。將萬能試驗機的拉力、位移全部清零，啟動萬能試驗機，以100 mm/min的速度拉至自動停機（拉伸頭上行至終點—高位點）。記錄拉力－位移曲線（即瞬時抹灰阻力－位移曲線）。按上述方法，進行空載（標準混凝土板上無砂漿）測試。

（2）外保溫系統用抹面砂漿：調整標準混凝土板的高度，使其上表面與抹灰刀最低邊之間的間隙為5.5 mm。即所有試件測試過程中被抹去的砂漿厚度始終為2.5 mm。其余同普通抹灰砂漿。

（3）膩子：調整標準混凝土板的高度，使其上表面與抹灰刀最低邊之間的間隙為2.5 mm。即所有試件測試過程中被抹去的膩子厚度始終為2.5 mm。其余同普通抹灰砂漿。

1.5 試驗結果處理

在拉力－位移曲線中，去掉后端20 mm的數據，再前推300 mm，以所得中間300 mm的系列數據作為計算數據（單次約3000個）。以所得數據的算術平均值，減去當日多次空載實驗所得拉力的算術平均值，為該試件的平均抹灰阻力，精確至0.1 N。

2 部分實驗結果

2.1 空載拉力

表1為2個不同日期的空載試驗結果，可見，相同日期的空載試驗結果的誤差較小。

表1 不同日期的空載試驗結果

2.2 普通抹灰砂漿

圖2為5個不同廠家的普通水泥基抹灰砂漿DP7.5在初始稠度基本相同時測得的瞬時抹灰阻力。平均抹灰阻力和稠度見表2。

圖2 不同廠家普通抹灰砂漿的瞬時抹灰阻力

表2 不同廠家普通抹灰砂漿的平均抹灰阻力和稠度

由表2可見，不同廠家、相同型號抹灰砂漿DP7.5的初始（10 min）稠度為93～97 mm，90 min稠度為69～78 mm，90 min稠度損失率均小于30%。在稠度基本相同的情況下，抹灰阻力卻相差很大，尤其是90 min時，CD、DS二個廠家樣品的抹灰阻力已超過20 N，基本不能施工了。這與工人師傅的感覺基本相符。

其他原料種類與配比相同時，不摻及摻0.03%HPMC普通抹灰砂漿的抹灰阻力及稠度隨時間的變化見圖3。

圖3 不摻及摻0.03%HPMC普通抹灰砂漿的抹灰阻力及稠度隨時間的變化

由圖3可見，不摻HPMC的普通抹灰砂漿初始抹灰阻力（10 min）就較大（10.8 N）；新拌砂漿存放至60 min時，其抹灰阻力更大（22.7 N），已很難施工了。摻加0.03%HPMC的普通抹灰砂漿，初始（10 min）抹灰阻力僅為3.6 N，60 min時的抹灰阻力也不大（8.3 N），至120 min時，其抹灰阻力（24.1 N）才基本與前者60 min時的抹灰阻力持平。

可見，本文測得的抹灰阻力比稠度更真實直接地反映了抹灰砂漿的施工性。

2.3 膩子

石灰基膩子的抹灰阻力及稠度隨時間的變化見表3。

表3 膩子的抹灰阻力及稠度隨時間的變化

由表3可見，在48 h內，該膩子的抹灰阻力均小于8 N，說明該膩子的可操作時間較長。隨著陳放時間的延長，膩子稠度的變化規律基本與抹灰阻力的變化規律相反。

2.4 外保溫系統用抹面砂漿

外保溫系統用抹面砂漿是特種水泥基砂漿的一個典型代表。不同HPMC摻量外保溫系統用抹面砂漿（水泥基）的抹灰阻力和稠度隨時間的變化如圖4、圖5所示。

圖4 HPMC摻量對抹面砂漿抹灰阻力的影響

圖5 HPMC摻量對抹面砂漿稠度的影響

由圖4可見，HPMC摻量分別為0、0.05%、0.15%、0.25%時，初始（0.5 h）抹灰阻力分別為4.0、2.9、2.3、3.2 N，相差不大；但隨著存放時間的延長，抹灰阻力差別越來越大，至8 h時，抹灰阻力分別為21.9、12.1、2.2、3.1 N，其中不摻HPMC的抹面砂漿實際上人工抹灰很難了；10 h時，不摻HPMC的抹面砂漿已不能成型了，而HPMC摻量分別為0.05%、0.15%、0.25%的抹灰砂漿的抹灰阻力分別為26.4、3.1、4.2 N，其中摻0.05%HPMC的抹面砂漿實際上人工抹灰也很難了。可見，HPMC對抹面砂漿的施工性影響很大：在一定范圍內（≤0.15%），HPMC摻量越大，施工阻力越小、經時損失越小，即HPMC摻量越大，施工性越好、可操作時間越長。

由圖5可見，隨著陳放時間的延長，外保溫系統用抹面砂漿的稠度變化規律基本與抹灰阻力的變化規律相反。

3 討論

建筑砂漿中量大面廣的非流動性砂漿，其施工性主要包含黏聚性、均勻性（分層度）、觸變性、抹灰阻力等；就實際工程而言，抹灰阻力大小的影響最顯著（即使是砌筑砂漿、地面砂漿，都需要抹平，其他類似）。

通過自制的試驗工作臺，直接模擬非流動性建筑砂漿施工的實際抹灰過程，并利用電子萬能試驗機直接記錄抹灰拉力，將所測抹灰拉力作為抹灰阻力，以此表征非流動性砂漿的施工性。

（1）空載試驗結果的誤差較小，在一定時間（≤8 h）內，石灰基膩子的抹灰阻力差距也很小。故本試驗方法本身的誤差較小。

（2）隨著陳放時間的延長，特種砂漿抹灰阻力的增大規律與稠度的減小規律基本一致。這說明對于某些特種砂漿，稠度與抹灰阻力均可以代表施工性。不過，稠度是間接表征，而本文的方法可直接、精確地測試出抹灰阻力。但由表2可見，不同廠家、相同型號普通抹灰砂漿DP7.5，在稠度基本相同的情況下，抹灰阻力卻相差很大，尤其是90 min時，CD、DS二個廠家樣品的抹灰阻力已超過20 N，基本不能施工了。對于普通水泥基砂漿而言，即使初始稠度基本一致，摻與不摻纖維素醚的砂漿，其初始抹灰阻力、經時抹灰阻力也相差較大。上述結果與工人師傅的手感基本一致。可見，本文提出的試驗方法，比稠度更真實、更直接地反映了抹灰砂漿的施工性，更適宜表征砂漿的施工性。

（3）本文研究的施工性試驗方法，通過數字化方式控制抹子移動速度并記錄試驗過程中的拉力-位移曲線，能夠整體、客觀、全面地呈現出砂漿的施工性能數據；通過對數據的處理，可以有效排除掉設備因摩擦力等產生的外界干擾，不同試驗人員間的測試結果具有可比性；由于砂漿樣品的尺寸固定，抹子通過活動軸與滑塊及滑道固定高度與角度，拉力機單位時間內的位移固定，使得測試樣品的測試面積、測試厚度、測試速度固定，從而使樣品砂漿施工性的測試結果具有高度可比性；由于可以調整樣品的厚度、抹子的高度及角度，因此，可精確地測試出不同品種砂漿的施工性差異；由于使用了精加工的滑道與滑塊配合滑動，既有效承載了抹灰過程中的豎向力，又有效降低了抹灰過程中的水平摩擦力，從而提高了測試精度；由于使用了精加工的帶軸承的滑輪，又使用細鋼絲繩配合，從而大大減小了工作臺與拉力機之間的配合對測試結果的影響。

（4）纖維素醚能顯著改善砂漿的施工性，這與文獻[1-4]中的結果類似；不過相關文獻均是間接測試、間接表征，而本試驗方法則能直接、數字化地檢測出不同纖維素醚摻量的砂漿，在經歷不同時間后的實際施工阻力。纖維素醚能顯著改善砂漿的初始及經時施工性，且在一定范圍內（≤0.15%），摻量越大，砂漿的初始及經時抹灰阻力越小，即改性作用越顯著。

4 結論

（1）利用自制的測試臺結合電子萬能試驗機，可直接、數字化地測試出新拌砂漿的抹灰阻力，所測試抹灰阻力可更好地表征常規（非流動性）砂漿的施工性。

（2）稠度相同的新拌砂漿，其施工性不盡相同。

（3）纖維素醚能顯著改善新拌砂漿的初始及經時施工性；在一定范圍內，其摻量越大，改性作用越顯著。