（材料学专业论文）新型墙材配套防裂干混砂浆研究.pdf

河海人学颀十学位论文 摘要 目前，国内建筑大力提倡使用非黏土墙体材料替代黏土砖，但随之而来的墙 体开裂问题十分明显。针对新型墙材建筑开裂的问题，本文结合南京市墙体材料 革新与建筑节能科技计划项目“非黏土墙体材料的裂缝机理与防治对策研究”， 从材料控制的角度出发，对其配套防裂干混砂浆进行了全面系统的研究。 首先，本文对干混砂浆的组分进行了选择性实验。综合从砂浆的工作性和力 学性能考虑，确定砂浆组分中纤维素醚和可再分散乳胶粉的种类。 其次，利用四因素三水平的f 交试验对干混砂浆中纤维素醚、可再分敖乳胶 粉、粉煤灰和减水剂四个组分进行研究。结果表明，纤维素醚和可再分散乳胶粉 有较强的引气作用，对砂浆强度不利，但对砂浆的弹性模量和收缩有利；粉煤灰 对砂浆早期强度不利，但有利于后期强度的提高；减水剂则主要影响砂浆的强度。 综合考虑砂浆的性能和成本，初步确定纤维素醚、可再分散乳胶粉、粉煤狄和减 水剂的掺量依次为胶凝材料用量的1 o 、2 、2 5 、6 o 。 然后，通过调整粉煤灰的掺量，对干混砂浆进行优化，并将最终确定的各组 分掺量运用于三组不同水胶比的对比试验中，将干混砂浆与基准砂浆做各项性能 的对比试验。结果表明，当粉煤灰掺量为2 5 时砂浆的各项性能最优；对比试验 中干混砂浆的收缩率和弹性模量均低于基准砂浆，粘结强度高于基准砂浆，能够 有效地达到防裂的效果。本文还利用灰色理论对干混砂浆的长期收缩性能进行了 分析，并建立了预测收缩的g m ( 1 ，1 ) 模型。 最后，本文通过扫描电镜( s e m ) 和汞压力测孔结构( m i p ) 等现代分析技 术对干混砂浆和基准砂浆进行了微观分析。结果显示，干混砂浆总孔隙率大于基 准砂浆，聚合物成膜形成的网状结构和桥接作用改善了砂浆内部构造。 关键词：新型墙材干混砂浆 收缩粘结强度微观结构 第1 页 * 海人学顾i 二学位论文 a b s t r a c t a tp r e n t t h ed o m e s t i cc o n s t r u c t i o np r o m o t c sw i t i lg r e a te f f o r tu s i n gt h e n o n - c l a yw a l lm a t e r i a ls u b s t i t u t i o nt om o u n tt h ec o bb r i c k , b u tt h ef o l l o w i n gw a l l d e h i s c e n c eq u e s t i o ni se x t r e m e l yo b v i o u s i nv i e wo ft h i sp r o b l e m ，w ee m b a r k sf r o m t h em a t e r i a lc o n t r o la n g l e ，n e c e s s a r yg u a r d e da g a i n s tt h ec r a c kt oi tt om i xt h em o r t a r d r y l yt h ec o m p o n e n ta n dm i x e st h eq u a n t i t yt od ot h ec o m p r e h e n s i v es y s t e mr e s e a r c h f i r s t ，t h i sa r t i c l em a d es e l e c t i v ee x p e r i m e n to nt h ec o m p o n e n to fd r y - m i x e d m o r t a r 1 1 l es y n t h e s i sc o n s i d e r e df r o mt h em o r t a rw o r kr e l a t e da n dm e c h a n i c s p e r f o r m a n c et h a t ，i nt h ed e f i n i t em o r t a rc o m p o n e n tt h ec e l l u l o s ee t h e ra n dm a ya g a i n d i s p e r s ee m u l s i o np o w d e rt h et y p e n e x t ，u s e df o u rf a c t o rt h r e el e v e l so r t h o g o n a le x p e r i m e n t st os t u d yt h eq u a n t i t y o ff o u rc o m p o n e n ti nd r y m i x e dm o r t a r t oc o n d u c tt h er e s e a r c h b u ti sa d v a n t a g e o u s t ot h el a t e rp e r i o di n t e n s i t ye n h a n c e m e n t ；t h e nw a t e rr e d u c i n ga g e n tm a j o re f f e c t m o r t a ri n t e n s i t y 1 1 1 eo v e r a l le v a l u a t i o nm o r t a rp e r f o r m a n c ea n dt h ec o s t d e t e r m i n e d i n i t i a l l yt h ec e l l u l o s ee t h e r , m a yd i s p e r s et h ee m u l s i o np o w d e r , t h ef a a n dt h ew a t e r r e d u c i n ga g e n tm i x e st h eq u a n t i t yi nt u r ni sa g a i nt h eg e lg e l a t i o ng e l l i n gm a t e r i a l a m o u n t u s e dl ，2 ，2 5 ，6 t h e n ，m i x e st h eq u a n t i t yt h r o u g ht h ea d j u s t m e n tf a ，t om i x e st h em o r t a rd r y l y t h ec o s ta n dt h eq u a l i t yc a r r i e so nt h eo p t i m i z a t i o n , a n df i n a l l yd e t e r m i n e dv a r i o u s c o m p o n e n t sm i xt h eq u a n t i t yt ou t i l i z ei nt h r e eg r o u po fd i f f e r e n th y d r o g e lr a t i o c o n t r a s te x p e r i m e n t ，w i l ld om i x e st h em o r t a ra n dt h ed a t u mm o r t a rm a k e se a c h p e r f o r m a n c et h ec o n t r a s te x p e r i m e n t n i er e s u l ti n d i c a t e d w h e nt h ef am i x e st h e q u a n t i t yi s2 5 m o r t a re a c hp e r f o r m a n c ei sm o s ts u p e r i o r ；t l l i sa r t i c l ea l s ou s e dt h e p e s s i m i s t i ct h e o r yt om i xt h em o r t a rt h el o n g - t e r mc o n t r a c t i o np e r f o r m a n c et oc a r r y o nt h ea n a l y s i sd r y l y , a n dh a se s t a b l i s h e dt h ef o r e c 鹊tc o n t r a c t i o ng m ( i ，1 ) m o d e l f i n a l l y , r e s e a r c h e dt h em i c r o s t r u c t u r eo fd r y m i x e dm o r t a ra n dd a t u mm o r t a r t h r o u g hs e ma n dm i et h er e s u l ts h o w e dt h a t d r y m i x e d m o r t a rt o t a lf a c t o ro f p o r o s i t yi sb i g g e rt h a nt h ed a t u mo n e ，t h ep o l y m e rb e c o m e st h en e t w o r ks t r u c t u r ea n d t h eb r i d g ej o i n tf u n c t i o nw h i c ht h em e m b r a n ef o r m e di m p r o v e dt h em o r t a ri n t e r i o r s t r u c t u r e k e yw o r d s ：n e ww a l lm a t e r i a ld r y m i x e dm o r t a rs h r i n k a g ec a k i n gi n t e n s i t y m i c r o s t r u c t u r e 第2 页 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意如不实，本人负全部责任 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明： 年月日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：年月日 洲海人学硕 ：学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 黏土砖在我国悠久的建筑历史长河中曾一度扮演着重要的角色，远至秦砖汉 瓦，近至农院小舍，无处不见其踪影，但随着我国经济建设的快速发展，黏土类 墙材耕地资源消耗大、质量参差不齐的劣势也越发突显，为了保护耕地，提高建 筑物质量，在1 9 9 9 年。国务院办公厅转发了建设部等部门关于推进住宅产业 现代化提高住宅质量的若干意见的通知，要求1 7 0 个沿海城市和其他土地资源 稀缺城市禁止使用实心黏土砖。并根据可能的条件限制其他黏士制品的生产和使 用。随着禁止使用实心黏土砖的墙体改革的全面铺开，墙材绿化进程全面提速， 2 0 0 4 年全国绿色墙材占墙材总量的3 5 ，应用率达到4 0 ，其中1 7 0 个城市的 应用率达到4 5 ；到2 0 0 4 年底，已有7 8 个城市提前实现“禁实”目标。多种新 型墙体材料也如雨后春笋般出现，其中，又以混凝土类砌块的应用最为广泛，随 着这些新型墙材的大量使用，对其配套砂浆的研发要求也越发迫切。 在大量新型墙材运用于工程的实例中，我们发现，开裂这一房屋建筑中 最普遍也是最难以解决的问题越发显得突出。裂缝的类型按其产生原因分类主要 有地基沉降裂缝、温度裂缝、于缩裂缝和温度干缩混合裂缝1 2 】，除此之外还有些 裂缝是由材料、施工等因素造成的，本文就不从这几个方面加以分析了。裂是绝 对的，不裂是相对的。原先的普通黏土砖干缩变形比较小，且变形完成比较快， 只要不使用新出窑的砖，一般不用考虑砌体本身的干缩变形引起的附加应力，而 新型的墙体材料与普通黏土砖相比干缩性大，对湿度的变化敏感，吸水性差，且 砌体本身坐浆面小，因此更易丌裂。 资料【3 7 l 显示，温度和干缩是墙体丌裂最主要的两个因素，且常常同时对墙 体产生影响，温度的影响多表现在建筑结构上，而干缩的影响多表现在建筑材料 上。从砌体裂缝产生的原因分析可知，无论是温度裂缝还是干缩裂缝，其裂缝形 态大多是沿砂浆和砌体的界面，很少出现裂缝穿过砌块。所以墙体中最薄弱的环 节应在砌筑面上，也就是砂浆与墙体材料之间的粘结强度不足。新型的墙体材料 如混凝土砌块、混凝土多孔砖等与黏土砖砌块相比，力学性能有明显的差异。相 同砂浆强度等级下，砌块砌体的抗拉，抗剪强度比砖砌块小。沿齿缝截面弯拉强 第l 页 海人学坝i ：学位论史 度仅为砖砌体的3 0 ，沿通缝弯拉强度仅为砖砌体的4 5 一5 0 ，抗剪强度仅为 砖砌体的5 0 一5 5 。因此，在相同受力状态下。混凝土砌块砌体的抗拉，抗弯 能力要比黏土砖砌体小很多，特别是粘结强度，混凝土砌块的表面比较光洁，等 强度砂浆的粘结强度只有普通黏土砖的一半左右，再加上实际粘结面积只有 3 0 ，故实际的墙截面的粘结强度只有普通黏土砖的1 5 左右，再加上砌块自身 的收缩比黏土砖大，且砌块吸水率比砖小，砂浆自身的收缩大，因此砌块建筑出 现阶梯缝就成为必然。同样，其他新型墙体材料也有类似的情况，如粉煤灰砖， 狄砂砖和墙板的表面也非常光洁，粘结强度远小于普通黏土砖，自身收缩也较大， 因而极易产生界面裂缝。因此，在目前国内全面禁止使用实心黏土砖，大力推广 混凝土砌块等非黏土墙体材料的形势下，为了有效的防治墙体的开裂，除了努力 提高砌块本身的性能外，开发设计出一种自收缩小、粘结能力强、弹性模量低的 有一定韧性的防裂砂浆是很有必要的，而砂浆的研究中又以干混砂浆的质量最为 优良，利于施工，且目前正为国家所大力推广。 1 2 干混砂浆 1 2 1 干混砂浆的概念 干混砂浆( d r y m i x e dm o r t a r ) 办称为预混砂浆、商品砂浆、预拌砂浆，也称干 混料等，是由胶凝材料、细集料，掺合料及外加剂等固体材料，按照一定配合比 通过于混工艺进行预拌而制成的一种干混建筑材料。它是在工厂经准确配料和均 匀混合而制成的砂浆半成品，到施工现场只需加水搅拌即可使用。 1 2 2 干混砂浆的优势 l ，品质稳定、性能优良 干混砂浆实现了工业生产，其配合比是通过优化设计和试配后得出的，采用 电脑自动配料，计量准确，质量稳定；另一方面，干混砂浆工艺对各种原材料进 行预处理，如对砂进行烘干和级配优化，对水泥和外加剂品种进行优选，使二者 相容，为砂浆性能稳定提供了可靠的保证【8 l 。通过在砂浆中添加纤维素醚、可再 分散乳胶粉、早强剂、引气剂，增厚剂、消泡剂、分散剂等添加剂，可以提高砂 浆的粘结强度和内聚力，降低成型砂浆弹性模量，增强砂浆的弹性和抗弯曲程度， 第2 贾 # q 海人学硕l 学位论文 提高砂浆的耐磨性和耐候性，降低砂浆的吸水性和提高使用过程中的保水性。提 高砂浆的保温、防水、抗下垂等性能，并能根据不同要求配制不同性能的砂浆。 2 、生产效率高、施工效率高 干混砂浆生产工艺简单，可大规模地机械化作业，提高生产效率：建筑施工 企业使用干混砂浆。施工更加流畅合理，既可提高建筑施工的速度，而且又便于 施工过程的管理和现代化施工机具的推广使用。 3 、绿色环保 大规模集中生产干混砂浆，不仅原料损耗低、浪费少，而且对环境污染小。 干混砂浆采用定量包装，便于运输与存放。施工单位可以根掘不同建筑部位以及 不同使用要求购买专用牌号的砂浆，既节约成本又方便施工管理。传统砂浆在施 工现场拌制使用，需要占用一定的场缝，而且粉尘对场地会造成一定的环境污染， 同时材料露天堆放，杂质较多，含泥量大，配料计量不准确，和易性难控制，骨 料筛分随意性大，导致砂浆空隙率偏高、干缩率大、抗渗性差，最终导致外墙的 抹灰出现空鼓、裂缝和渗透等问题。相比之下，干混砂浆所有配料在生产车问按 照精确的计量，充分混合均匀后，到现场按照确定的水灰比加水搅拌即可，它克 服了配料计量不准确、污染环境、含泥量超标等众多问题，具有泌水性小、干缩 率小、粘结牢固、抗渗等特点，基本可满足新型墙体材料的要求，而建筑工地没 有了各种堆积如山的原料，减少对周围环境的影响【引。干混砂浆在生产中多采用 一些工业废弃物作为原料，以改善和提高砂浆的工作性、耐久性等性能，通过加 入不同种类的工业废弃物得到不同性能要求的砂浆，这使得一些废料得以循环再 利用。干混砂浆作为一种新型的绿色环保建材对建材行业的可持续发展起到了积 极的推动作用。 1 2 3 干混砂浆在国内外应用发展现状 1 2 3 1 国外应用发展现状 干混砂浆于1 8 9 3 年在欧洲首先发明，由奥地利的特里诺瓦( t e r ra n o v a ) 首先申请矿物质纹理外观的饰面千混砂浆的生产专利【。然而2 0 世纪5 0 年代 以前欧洲绝大部分仍然使用现场搅拌砂浆，干混砂浆产业的兴起是在二次大战后 的奥地利、德国。商品砂浆首先是以预拌砂浆的形式出现，后来逐步发展了干混 第3 页 自海人学硕| ：学位论义 砂浆。5 0 、6 0 年代期阳j ，在西欧和美国，尤其是德国，建筑行业对新型建筑材 料和技术的需求增长迅速，因此，西方国家建筑行业对从技术上去开发和提高适 用于特殊用途的建筑材料。从2 0 世纪6 0 年代到8 0 年代，中欧各国的增长强劲， 现在发展主要在东欧和西欧，以及亚洲和拉丁美洲的一部分市场。 目前，在欧、美、同等发达国家和地区干混砂浆已基本取代了传统技术。欧 洲最大干混砂浆生产企业德国m a x i t 公司在欧洲的年销量达5 0 0 万吨，年产 l o 万吨以上的工厂有2 0 0 余家1 1 1 】。法国、意大利、澳大利亚、新西兰、美国、 同本等发达国家，干混砂浆已经成为建筑业不可缺少的材料。在发展中国家，干 混砂浆也有较快的发展。一些亚洲国家( 如新加坡，泰国、马来西亚等) 虽起步 较晚，但发展非常迅速。1 9 8 4 年，新加坡建立了第一个干混砂浆生产厂，主要 生产墙面砂浆产品，马来西亚于1 9 8 7 年也投产了一条干混砂浆生产线，同样用 于生产墙面砂浆产品干混砂浆。随着商品砂浆市场的迅速发展，东南亚市场上的 干混砂浆产品的种类也丰富起来，许多新产品如自流平砂浆、防火砂浆、彩色墙 面砂浆等都已成功投放市场。目前在韩国、泰国、马来西亚、新加坡等亚洲国家 和地区，都有大规模的专业干混砂浆生产厂【1 2 l 。总之，干混砂浆在国外已取得 了十分成功的开发、生产和应用经验。无论是外加剂的发明和制备技术、已经形 成的砂浆品种、新的砂浆品种的开发研究还是干混砂浆生产工艺的研究完善以及 在产品系列标准的制订方面都已取得了很大的成绩。 1 2 3 2 国内应用发展现状 国内发展干混砂浆仅有十几年的历史，在上世纪8 0 年代才开始关注，发展速 度十分缓慢。至9 0 年代丌始，才陆续在北京、上海、广州等建筑较为发达的城 市，出现一些小型的进口产品代理商，部分国内的建材研究单位也就是从这个时 候丌始了一些以特殊用途而模仿进口产品的配方型产品。 目阿，国内在上海、广东、江苏、唐山等地从国外引进了生产线，部分国外 大型的干混砂浆企业也在国内投资建厂，例如，上海具有一定规模的干混砂浆生 产线就有5 条，小厂有几十家，年生产能力达1 0 0 多力吨。广东的生产量与上海 接近，其部分大型生产企业的产品还销售到香港，澳门等邻近地区0 3 1 。现在几 乎世界上所有与干混砂浆有关的大公司都在中国设有分公司或办事处，德国海德 堡水泥集团麦克斯特公司在北京建设一座年产4 0 万吨的干混砂浆工厂，是目前 第4 页 河海人学硕七学位论文 国内最大的干混砂浆生产线，德国汉高公司、法国圣哥班等都在中国建有干混砂 浆工厂，德国海德堡水泥集团摩泰克公司在上海建立了干混砂浆生产设备、物流、 施工机械生产厂，德国瓦克公司在江苏张家港建立了用于干混砂浆的聚合物干混 生产厂，这些合作项目的建立，不仅为中国建筑市场带来高质量的建筑材料，也 为我国建筑建材业带来世界最新的建筑材料理念和先进的管理经验【i 。 干混砂浆的技术核心在于其外加剂的性能与配比，但目的国内这方面的研究 与国外还有很大的差距，大部分国内的研究机构在外加剂的研发上往往仅限于模 仿国外产品，而缺乏独立创新的意识，且由于设备、人员素质等因素的影响，国 内产品的总体水平大大低于进口产品，进口产品性能优异、稳定但价格往往较 高，因此，要全面推广和发展干混砂浆，使之成为一个产业，我们任重而道远。 1 2 4 干混砂浆的发展中需要解决的问题 干混砂浆在我国的推广最主要的制约因素就是成本较高，我们应该从以下几 个方面努力： 1 、扩大干混砂浆市场。一方面需要国家在政策上限制现场搅拌砂浆，鼓励 使用干混砂浆：另一方面也需要更多的试点工程提供给干混砂浆，以利于我国的 干混砂浆产业积累经验，不断改善而开发出全面的、符合市场需要的砂浆品种， 使其使用范围不受限制，为其顺利推广创造有利条件。 2 、利用工业废料和地方材料为主要原材料生产干混砂浆。粉煤厌、矿渣、 废石粉、炼油废渣、膨润土等的利用，不但能够降低干混砂浆成本，改善砂浆性 能，而且有利于保护环境，节约资源。 3 、化学外加剂的价格较高，而我国干混砂浆外加剂主要依靠进口。所以中 国应自己生产相应的化学外加剂，以降低干混砂浆的制作成本。 4 、开发自己的生产工艺与生产设备。目前我国的生产工艺还不成熟，一般 生产企业的生产线都是从国外引进的。投资一条生产线一般在2 0 0 0 3 0 0 0 力| 人 民币。价格昂贵。我国干混砂浆企业的设备多数依赖进口，其成本较高。只有丌 发出符合我国国情的生产工艺与设备，才能为全面建设干混砂浆企业创造条件， 不但降低了投资成本，而且降低了生产成本。 5 、由小作坊型生产转向规模化经营，由粗放型向集约型转变。国内现有的 第5 页 l j 海人学坝i 学位论义 一些干混砂浆生产企业多依附于中小型商品混凝土公司，经营规模小，技术力量 薄弱，从而不能实现资源的最优化配置，使得生产成本提高。大规模、商品化的 生产，产研结合，不但可以有效的控制成本，而且可以吸引到更多优秀的人才， 使产品质量进一步提高，从而也可以达到降低成本的目的。 1 3 本文的研究目的和研究内容 1 3 1 研究目的 根掘目前江苏省内新型墙材运用于建筑中出现的墙体开裂的情况，从粘结材 料的角度对砂浆的性能进行研究，寻求在不降低抗压强度的基础上，研制出一种 低弹性模量、低收缩、粘结强度较大、有一定韧性的干混砂浆，并为江苏省建筑 行业制定相关干混砂浆地方规程提供参考依据，以推动干混砂浆的应用和发展。 本文在参照国内外同类干混砂浆研究成果的基础上，采用物理复合的方法对 干混砂浆的性能进行改性，并做了较为全面和深入的研究，以期得到较为优异的 干混砂浆配方以适应新型墙材的配套使用。 1 3 2 研究内容 本文通过对于混砂浆中保水性、粘结性、收缩性等性能影响较大的各外加剂 做物理复合并优化而得出最优配比，主要研究内容如下： 1 、收集近几年国内外相关的资料，了解本课题的最新研究动态，确定研究 方法。 2 、原材料性能试验：选择适当的原材料( 水泥，河砂、粉煤灰、高效减水 剂、保水增稠材料等) ，进行材料质量检测试验，试验所用原材料必须满足相应 的产品标准要求。 3 、原材料探索试验：根据相关文献资料，将对砂浆性能作用相同的材料进 行对比试验，按照标准建筑砂浆基本性能试验方法( j g j 7 0 9 0 ) 和聚合物 改性水泥砂浆试验规程( d l 广r 5 1 2 6 2 0 0 1 ) 要求，以2 8 d 强度为主要选取指标， 优选外加剂的组成成分。 4 、将上述试验中得到的性能较优的外加剂成分以三个水平进行正交试验， 对砂浆的各项性能进行对比测试，以得到大致的干混砂浆配合比。 第6 页 * 海人学硕i j 学位论文 5 、为了最大限度的降低干混砂浆的成本和优化砂浆的配方，对上一步试验 中得到的初选配比进行优化对砂浆中的粉煤灰掺量进行调整。 6 、选取l ：7 、1 ：5 和l ：4 三个不同胶砂比的砂浆，将最终得到的配比与同等 级的基准砂浆作对比试验，用以做纵向的比较。 7 、应用扫描电镜( s e m ) 和汞压力孔结构分析( m i p ) 等现代测试分析手 段对砂浆的结构进行测试分析，探讨砂浆相关性能的微观机理。 第7 页 l l 海人学颂i 学位论史 2 1 试验原材料 2 1 1 水泥 第2 章试验原材料和试验研究方案设计 砂浆中胶凝材料的使用以水硬性胶凝材料居多，其中又以水泥的使用最为 广泛。通常情况下，干混砂浆宜选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐 水泥。水泥应该在出厂三个月内使用，并满足相应的性能指标，有特殊性能要求 的砂浆应用特种水泥。本文所用的水泥为中国水泥厂生产的海螺牌3 2 5 普通硅 酸盐水泥，其性能满足硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥国家标准( g b l 7 5 1 9 9 9 ) 的要求，具体见表2 1 。 表2 1试验用3 2 5 普通砗酸盐水泥性能 2 i 2 天然河砂 干混砂浆中常使用的骨料分为三类：普通骨料、装饰骨料和轻质骨料，它们 的粒径都在o - - 8 m m 之日j 。其中，普通骨料应用得最为广泛，主要有天然骨料和 人工骨料两种，天然骨料包括河砂、湖砂、海砂和山砂，而人工骨料则是由机械 破碎、筛分制成的粒径小于8 m m 的岩石颗粒。砂的细度模数和颗粒级配对砂浆 的性能有一定的影响。如果砂的细度模数越小，则它的颗粒越多，总表面积越大， 空隙率也越高，从而影响砂浆的抗渗性能【5 】，而细度模数过大，同样对抗渗性 和和易性不利，所以本文试验所用的天然河砂为中砂，其性能满足普通混凝土 用砂质量标准及检验方法( j g j 5 2 ) 中规定的要求，具体见表2 2 。 第8 页 河海人学硕 ：o f 位论文 表2 2 试验j j 砂物理性能 2 1 3 粉煤灰 粉煤灰是由钢厂或电厂燃烧煤粉的锅炉烟气中收集到的细粉，属于火山灰质 活性混合材料，其主要成分是硅、铝和铁的氧化物，具有潜在的水化活性。影响 粉煤灰性能的因素有细度、烧失量、s 0 3 含量等，我国业内按照这些指标将粉煤 灰分为三个等级，其中以i i 级粉煤狄的应用最为广泛。通常粉煤狄的颜色越浅， 表明其含碳量越低，从而烧失量越小，颗粒也越细，粉煤灰的品质也就越高。 粉煤灰具有潜在的化学活性，颗粒微细，且含有大量玻璃体微珠。掺入干混 砂浆中可以发挥以下三种效应： l 、活性效应 二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁等活性物质的含量超过7 0 ，尽管这些 活性成分单独不具有水硬性，但在氢氧化钙和硫酸赫的激发作用下。可生成水化 硅酸钙、钙矾石等物质，使强度增加，尤其使材料的后期强度明显增加。 2 、形态效应 粉煤灰中含有大量的玻璃体，呈球形，掺入砂浆中可以减少砂浆的内摩擦阻 力，提高砂浆的和易性。 3 、微粒填充效应 耢煤灰粒径大多小于o 0 4 5 r a m ，尤其是i 级灰，总体上比水泥颗粒还细，可 以填充在水泥凝胶体中的毛细孔和气孔之中，使水泥凝胶体更加密实。 此外，粉煤灰的加入能够替代部分水泥，从而降低成本，减少砂浆收缩，由 于其有效的堵塞了砂浆的毛细孔道，增加砂浆的密实度，从而还提高了砂浆的抗 渗性1 1 6 1 。本文所用粉煤灰为南京热电厂生产的l i 级粉煤灰，其性能见表2 3 ，同 时还列出了上海干粉砂浆生产与应用技术规程( d g t j 0 8 5 0 2 2 0 0 0 ) 中对i l 级粉煤灰的技术要求，见表2 4 ，以便比较。 第9 页 i j 海人学颂i 学位论史 表2 3 试验川i i 级粉煤灰的性能 表2 4i i 级粉煤灰技术要求( d g t j 0 8 5 0 2 2 0 0 0 ) 2 。1 4 纤维素醚 随着人们对干混砂浆性能研究的发展，纤维素醚作为一种优良的保水增稠添 加剂被越来越多的业内人士所重视，它的添加量小，但对干混砂浆的性能的影响 十分显著。纤维素醚分为离子型和非离子型两类，由于离子型纤维素醚在钙离子 存在情况下不稳定，所以在水泥、熟石灰等为胶凝材料的干混产品中很少使用， 目前应用最为广泛的纤维素醚主要有羟乙基甲基纤维素醚( h e m c ) 和羟丙基甲 基纤维素醚( h p m c ) 。本试验选用的是某地产羟丙基甲基纤维素醚，其物理性 能见表2 5 。 表2 5 纤维素醚物理性能 纤维素醚( c e l l u l o s e ) 的分子组成为( c 6 h 1 0 0 5 ) 。，由b 葡萄糖苷键与脱水d - 六环葡萄糖所组成的线型多糖，是一类非常重要的天然高分子化合物。纤维 素醚由葡萄糖环链节单元所组成，分子构型是b 1 ，4 型，没有歧化点，分子结构 非常对称，通过氢键等力的作用，形成较强固的结晶结构1 1 8 】。正是由于结晶良 好而分子| 日j 的结合力强使其难于溶解。然而纤维素醚分子链上有大量反应性强的 羟基，通过化学反应可以制备很多性能优异的化学物质。包括纤维素醚类、纤维 素醚酯类以及酯醚混合衍生类，纤维素醚是纤维素醚衍生物的最主要品种。纤维 第1 0 页 河海人学顾十学位论文 索醚是以天然纤维素醚为原料经化学改性制得的一类半合成型高分子水溶性聚 合物，是一种亲水性的高分子材料，在水中能溶解或溶胀而形成溶液或分散液， 在纤维素醚衍生物中，占有重要地位。纤维素醚的制备，j 下是在纤维素醚分子中 引入足够的亲水基团，降低聚合物结晶度或利用聚电解质的反离子作用，使其成 为水溶性化合物，从而具备宝贵性能。 纤维素醚是以天然纤维素醚( 包括棉短绒或木浆粕) 经过碱化、醚化反应而 生成的一系列产品的总称【9 l 。一般可根据取代基种类、醚化程度、溶解性能以 及有关应用性能进行分类。按分子链上取代基类型可分为单醚和混合醚两类，l ； 者取代基只是一种( 相同) ，后者有两种以上不同的取代基，可视为单醚的改性 衍生物，如甲基纤维素醚( m c ) 为单醚，羟丙基甲基纤维素醚( h p m c ) 为混 合醚，它是甲基纤维素醚重要的改性衍生物之一。根据溶解性能，所有纤维素醚 大致可以分为两类，即水溶性纤维素醚和有机溶剂可溶纤维素醚。现代工业上生 产重要的纤维素醚，几乎都是水溶性的，有机溶性的极少。就水溶性纤维素醚来 说，习惯上按取代基电离性质分为离子型和非离子型两类，前者指的是溶解于水 能电离的纤维素醚，仅羧甲基纤维素醚( c m c ) 和磺酸乙基纤维素醚( s e c ) 两 种，其余都是非离子型。水溶性非离子型纤维素醚主要是由烷基醚和羟烷基醚两 大系列品种组成，最重要的品种为甲基纤维素醚( m c ) 和羟乙基纤维素醚( h e c ) 1 1 8 1 。 一般而言，由于羟乙基纤维素醚、羟乙基甲基纤维素醚或经憎水处理的羟乙 基纤维素醚具有粘结性、保持悬浮乳液稳定性和保水性能，而常被用于水泥中， 来防止水泥浆体的离析和泛浆分层 2 0 - 2 3 】。纤维素醚除了能够显著改善水泥浆体保 水性外，还能够降低吸水性，一定程度上能改善水泥浆体的粘结强度、粘结剪力 强度、抗折强度、抗冲击强度、柔韧性以及水泥砂浆耐高温和耐介质侵蚀性等 1 2 4 1 1 2 5 1 ，但会降低水泥砂浆的抗压强度和弹性模量，且显著延缓凝结时日j 1 2 6 1 。 2 1 5 可再分散乳胶粉 在很早以前人们就发现用天然树脂或蛋白质类材料可以显著提高无机胶凝 材料的耐久性和粘结性能，随着水泥的发明和普及，人们又将聚合物乳液用于混 凝土和砂浆中，直到1 9 5 3 年。德国瓦克化学公司在试验室罩成功喷雾干燥出第 第l i 页 i i j 海人学硕j 学位论文 一批实用的可再分散乳胶粉，由此带来了干混砂浆革命性的发展。 可再分散乳胶粉是高分子聚合物乳液经喷雾干燥，以及后续处理而成的粉状 热塑性树脂，其中主要应用于建筑方面特别是干混砂浆增加内聚力、粘聚力和柔 韧性。目f ； 市场上使用最广泛的可再分散乳胶粉是醋酸乙烯酯与乙烯共聚胶粉 ( v a c e ) ，本文试验中选用的可再分散乳胶粉性能见表2 6 。 表2 6 可再分散乳胶粉性能 当町再分散乳胶粉加入到水泥中时，球形的聚合物颗粒分别填充在水泥颗粒 中i 日j ，硬化后水化产物聚集在聚合物颗粒周围。聚合物干混在水泥中的溶解分散 类似于聚合物乳液，聚合物颗粒分散在硬化水泥浆体中起到增韧效果，从而提高 了水泥粘结强度拥。由于胶粉形成的高分子树脂薄膜的拉伸强度通常高于水硬 性材料一个数量级以上，使得砂浆自身强度得以增强，即内聚力得以提高。由于 聚合物的柔性，形变能力远高于如水泥等形成的刚性结构，砂浆的可变形性得以 提高，分散应力的作用得到大幅提高，从而提高了砂浆的抗裂能力【l 捌。在干混 砂浆加水搅拌时，聚合物颗粒自行分散，并不会同水泥粘聚，一方面，由于可再 分散聚合物可再分散乳胶粉颗粒之自j 润滑效应，使砂浆的组分能够单独流动；另 一方面，可再分散聚合物可再分散乳胶粉对空气有诱导效应，赋予砂浆可压缩性， 因此，可以改善砂浆的施工和易性。试验证明，加入可再分散聚合物可再分散乳 胶粉的砂浆具有下列优点：( 1 ) 砂浆的强度发展好，与基体粘结性好，尤其是早 期粘结强度高；( 2 ) 具有良好的抗裂性和抗冻性；( 3 ) 工作性能好，易于快速抹 灰【2 8 j 。 2 1 6 减水剂 掘资料显示1 2 9 】【3 0 l ，由于纤维素醚的引气作用使砂浆体积密度下降，从而使 抗压强度、抗折强度及弹性模量有所降低。为了改善这种情况，本文同时选取减 水剂( j ) 作为砂浆外加剂的有机组分，通过其减水效应缓解纤维素醚对砂浆强 度的降低作用。减水剂为南京瑞迪高新技术公司产萘系高效减水剂，性能指标如 第1 2 页 河海人学硕f ：学位论文 2 1 7 膨润土 膨润土又称斑脱岩，是一种以含蒙脱石类矿物为主的粘土，它是一种具有层 状或链状晶体构造的含水铝硅酸盐，在水泥胶浆中主要有以下几种作用i 3 l 】：( 1 ) 膨润土吸收水泥水化中多余的水，防止水份蒸发形成毛细孔道。被吸收的水随着 水化体系温度升高可逐步被放出供水泥水化的需要；( 2 ) 膨润士吸水后体积膨胀， 可补偿水泥石的干燥收缩，减少收缩裂纹的产生；( 3 ) 粘土微粒形成的胶体可以 增加水泥浆体的粘结力，同时填充孔隙，起密实作用；( 4 ) 层间的水膜央层使硅 氧链似乎形成了“皂纤维”，在受力时，宏观表现为具有一定的韧性，而其硅氧链 或六方平面网中的羟基通过离子交换能与水化物雪硅钙石晶体很好的连接；( 5 ) 吸水后形成的胶体或水膜央层在层问的“润滑”作用使掺加膨润土后。增加水泥砂 浆的流动性与成型性，起到保水增稠的作用。本文试验中所用的膨洞土为南京瑞 迪高新技术公司提供。 2 2 试验研究方案 2 2 1 试验方法与试验仪器 2 2 1 1 砂浆基本性能试验 砂浆的稠度、密度、分层度、抗冻性能均按照标准建筑砂浆基本性能试验 方法( j g j 7 0 9 0 ) 规定的方法测试，抗折强度、抗压强度、收缩性能均按照聚 合物改性水泥砂浆试验规程( d l 厂r 5 1 2 6 2 0 0 1 ) 规定的测试方法进行。 2 2 1 2 粘结强度试验 由于我国目前还没有测试砂浆粘结强度的试验方法及试件类型国家标准， 国际上也无通用的试验方法和试件形式【3 2 1 。故本文按照广东省标准 第1 3 页 f i i 海人学坝j ：学位论义 d b j l 5 x x 一2 0 0 4 中的规定的砂浆粘结强度试验方法用拉拔法测量砂浆的2 8 d 粘 结强度。 仪器没备： ( 1 ) 试验机：用力能材料试验机，在较大的血分之四量程范围内使用时记 录的荷载应有士1 精度，最小示值为l n ，并具有按3 0 n s - - t ：5n s 速率 的加荷能力。 ( 2 ) 试模：试模分上下两层。上层为金属试模，内部尺寸为 4 0 m m 4 0 m m x l o m m ，下层为普通水泥砂浆基底块，其尺寸为 7 0 m m 7 0 m m x 6 0 m m 。两层之间用固定央连接。 ( 3 ) 央具及连接器：上部夹具为4 0 m m x 4 0 m m x l o m m 的钢板，正中间有 m 9 的钢制连杆；下部夹具为一凹形结构，在其j 下中间有0 1 3 的钢制 连杆( 可改为铰接连接) ，用于与试验机连接。 ( 4 ) 钢制挚板：外部尺寸为6 8 m m 6 8 m m ，内部尺寸为4 3 m m x 4 3 m m ，厚 度为3 m m 。 ( 5 ) 捣棒：直径为9 m m ，长度为3 0 0 m m ，顶端呈半球状的钢棒。 试验步骤： ( 1 ) 制备基底水泥砂浆块；采用p 1 1 4 2 5 水泥和符合g b 1 7 6 7 1 的中国i s o 标准砂及饮用水，按配合比：水泥：标准砂：水= l ：2 5 ：o 4 5 成型 基底块，将上述配合比的水泥和标准砂先在胶沙搅拌机中干混合 l m i n ，然后加入规定用量的水，继续搅拌3 m i n 后装入 7 0 m m 7 0 m m x 2 0 m m 的试模中用捣棒捣成型。捣实刮平后带模放入水 泥试件标准养护箱( 或其他相同温度和湿度的条件下) 养护2 4 h ，脱 模后再放入到2 0 士2 的水中养护3 d 后取出备用。基底一般需在2 5 d 内使用完毕。试验前应先用钢丝刷打毛并清洗除去脱模剂。 ( 2 ) 粘结试件的制作：把基底水泥砂浆试块打毛面用水浸湿，用拧干的湿 毛巾吸干表面水，将上试模按放在基块上。检验砂浆在砂浆搅拌机中 搅拌3 m i n 后，在上试模筐内成型，成型时充分均匀插捣( 插捣1 5 次以上) 并轻敲基底以密实，带模放入水泥试件标准养护箱内，2 4 h 后脱去上试模，试件置于2 0 j ：3 c ，相对湿度8 5 以上的室内，继续 第1 4 页 河海人学硕十学位论文 养护至2 8 d 龄期。 粘结强度测试： ( 1 ) 试件养护龄期i i i 4 8 h ，在试件表面涂上环氧树脂粘结剂( 或结构胶) ， 然后将上部央具对正位置放在粘合剂上，确保上央具不得歪斜。 ( 2 ) 将钢制挚板放在基底砂浆块上，再把试件嵌入拉伸下央具中，装入试 验机上开机加荷，加荷速率为3 0 n s - - l 5 n s ，直至试件破坏，记下破坏 荷载和试件破坏情况。 试验结果计算： 粘结强度按下式计算： 婿_ 弋l s 式中 f 胛粘结强度，m p a t - 破坏荷载，n s - 一粘结面积，m m 2 以5 个试件为一组，计算5 个试件的算术平均值，若单个试件强度超过平均 值的1 5 时，应予以剔除，取其余试件强度的算术平均值为试验结果，结果精确 至o 0 1 m p a 。当5 个试件中有效值不足3 个时，则此组结果作废。 在试验操作过程中发现，用结构胶将夹具与试件粘接时，钢制连杆与钢板直 接焊接的夹具由于钢制连杆不能保证竖直的焊接，从而使得央具容易产生偏移， 不容易与试件对正，如图2 1 所示，故本文设计将钢板与钢制连杆分开，在钢板 中间开一个与钢制连杆直径相同的螺纹口，如图2 2 所示，将钢板与试件对i f 粘 接牢固后，再将钢制连杼旋入钢板中，这样有利于降低试件偏心拉伸所带来的误 差。粘结强度的拉伸试验见图2 3 。 图2 1 连杆与钢块焊接的试件图2 2 连杆与钢块分离的试仆 第1 5 页 w 海人学颁i ：学位论文 例2 3 粘结强度拉伸试验 2 2 1 3 弹性模量试验 弹性模量试验所用水泥标准砂浆试件，尺寸为4 0i m x 4 0 咖x 1 6 0 咖，其测试 方法为： l ，轴心抗压强度测试 试验机为w e 1 0 0 型液压万能试验机。试验| j 将试件擦拭干净，测量尺寸， 并检查外观，取3 个试件做轴心抗压强度。把试件直立放置于试验机的下压板上， 试件中心与压力机下压板中心对准，开动试验机，连续而均匀地加荷，加荷速度 为每秒钟0 5 1 5 k n ，当试件破坏而开始迅速变形时，停止调整试验机油门，直 至试件破坏，然后记录破坏荷载；砂浆轴心抗压强度按下式计算，结果精确至 o 1 m p a 。 ，一 ，： o “一了 式中： 。砂浆轴心抗压强度，m p a ：一棱柱体破坏压力，n a 一试件承压面积，彻2 2 、弹性模量测试 弹性模量试验用z y 0 1 型智能应变仪测定其变形。试件两侧面的中线上粘贴 b q l 2 0 5 0 a a 型电阻应变片，调整试件在试验机上的位置直至物理对中，见图 2 4 、图2 5 ；然后按每秒o 5 1 5 k n 的加荷速度连续而均匀地加荷至其轴心抗压 强度的4 0 ，再以同样的速度卸载至零，观察仪表工作并调整使其正常工作，如 此反复三次，然后进行第四次加荷。先加荷到应力为0 3 m p a 的初始荷载，恒载 3 0 s ，读取并记录两侧应变片的应变，取其平均值，然后加荷到控制荷载( o 4 厶。) ， 第1 6 炙 河海人学硕i ：学位论文 恒载3 0 s 后，读取并记录两侧应变片的应变，取其平均值；按上述速度卸载至初 始荷载，恒载3 0 s 后，再记录两侧应变片的应变，如此反复，直至前后两次试验 的变形差不大于o 0 0 2 测量标距：然后。以同样速度加载至破坏测得试件棱柱体 抗压强度。 图2 4z y 0 1 型智能戍变仪图2 5 弹性模鼙测试 砂浆的弹性模量值按下式计算，结果精确至1 0 m p a 。 b =