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预拌砂浆生产原料及选用

   编辑:阎军燕  邮箱:info@mortar.cn
2012-10-24 09:47:28 保护色:默认白 牵牛紫 苹果绿 沙漠黄 玫瑰红 字体:小字 中字 大字 点击数:0

预拌砂浆生产原料及选用

    2.1胶凝材料

凝材料一般分为无机胶凝材料和有机胶凝材料两大类。通常建筑上所用的胶凝材料是指无机胶凝材料,它是指这样一类无机粉末材料,当其与水或水溶液拌合后所形成的浆体,经过一系列的物理、化学作用后,能逐渐硬化并形成具有强度的人造石。

无机胶凝材料一般分为水硬性胶凝材料和气硬性胶凝材料两大类。气硬性胶凝材料只能在空气中硬化,而不能在水中硬化,如石灰、石膏、镁质胶凝材料等,这类材料一般只适用于地上或干燥环境,而不适宜潮湿环境,更不能用于水中。水硬性胶凝材料既能在空气中硬化,又能在水中硬化,这类材料通常称为水泥,如硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等。

用于混凝土中的水泥,如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣水泥等都可用于砂浆中。对于某些预拌砂浆,如自流平砂浆、灌浆砂浆、快速修补砂浆、堵漏剂等,因要求其具有早强快硬的特性,常常采用铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等

2.1.1 水泥

水泥可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等。硅酸盐水泥是土木建筑工程中用量最大、用途最广的一类水泥,它是以硅酸盐水泥熟料作为主要组分,根据混合材料的品种和掺量分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。各品种水泥的组分和代号见表2-1

2-1    硅酸盐水泥的组分和代号(GB175-2007)

品种

代号

组分(%)

熟料+石膏

粒化高炉矿渣

火山灰质混合材料

粉煤灰

石灰石

硅酸盐水泥

P·I

100

P·Ⅱ

≥95

≤5

≥95

 

≤5

普通硅酸盐水泥

P·O

≥80且<95

5≤20

 

矿渣硅酸盐水泥

P·S·A

≥50且<80

20≤50

P·S·B

≥30且<50

50≤70

火山灰质硅酸盐水泥

P·P

≥60且<80

20≤40

粉煤灰硅酸盐水泥

P·F

≥60且<80

20≤40

复合硅酸盐水泥

P·C

≥50且<80

20≤50

(1) 硅酸盐水泥

硅酸盐水泥不掺混合材或混合材掺量很少( ≤5 %),水泥强度等级较高,因此硅酸盐水泥适用于配制高强混凝土和预应力混凝土等,而不适用于配制普通砂浆。因为,配制普通砂浆时,为了满足砂浆工作性能要求,通常对水泥用量有最小值的限制,因而砂浆强度等级相对较低;如用硅酸盐水泥配制砂浆,这样所配制出的砂浆强度相对较高,势必造成水泥的浪费,而且砂浆的工作性能也不好。

(2) 普通硅酸盐水泥

普通硅酸盐水泥掺一定量的混合材,水泥强度等级适中,是目前建筑工程中用量最大的一种水泥。当用普通硅酸盐水泥配制砂浆时,水泥用量过大,则水泥强度较高,配制出的砂浆强度较高,造成水泥浪费,而当水泥用量少时,砂浆保水性较差,容易水。为了解决这一问题,通常在砂浆中掺入活性矿物掺合料,如粉煤灰等,这样既可以降低水泥的用量,又可以改善砂浆的和易性。

(3) 矿渣水泥

矿渣水泥中水泥熟料矿物的含量比硅酸盐水泥少得多,而且混合材在常温下水化反应比较缓慢,因此凝结硬化较慢。早期强度较低,但在硬化后期(28天以后),由于水化产物增多,使水泥石强度不断增长,最后将超过硅酸盐水泥。一般来说,矿渣掺入量越多,早期强度越低,但后期强度增长率越大。

矿渣水泥需要较长时间的潮湿养护,外界温度对硬化速度的影响比硅酸盐水泥敏感。低温时,硬化速度较慢,早期强度显著降低;而采用蒸汽养护等湿热处理,可有效加快其硬化速度,且后期强度仍再增长。

矿渣水泥中混合材掺量较多,需水量较大,保水性较差,水性较大,拌制混凝土或砂浆时容易析出多余水分,在水泥石内部形成毛细管通道或粗大孔隙,降低均匀性。另外,矿渣水泥的干缩性较大,如养护不当,在未充分水化之前干燥,则易产生裂纹。因此矿渣水泥的抗冻性、抗渗性和抵抗干湿交替循环性能均不及普通水泥。

但矿渣水泥具有较好的化学稳定性,抗淡水、海水和硫酸盐侵蚀能力较强,这是因为矿渣水泥石中的游离氢氧化钙以及铝酸盐含量较少,宜用于水工和海港工程。另外,矿渣水泥的水化热较低,具有较好的耐热性,可用于大体积混凝土工程或耐热混凝土工程。

(4) 火山灰水泥

火山灰水泥强度发展与矿渣水泥相似,早期发展慢,后期发展较快。后期强度增长是由于混合材中的活性氧化物与氢氧化钙作用形成比硅酸盐水泥更多的水化硅酸钙凝胶所致。环境条件对其强度发展影响显著,环境温度低,凝结、硬化显著变慢;在干燥环境中,强度停止增长,且容易出现干缩裂缝,所以不宜用于冬期施工

与矿渣水泥相似,火山灰水泥石中游离氢氧化钙含量低,也具有较高的抗硫酸盐侵蚀的性能。在酸性水中,特别是碳酸水中,火山灰水泥的抗蚀性较差,在大气中CO2的长期作用下水化产物会分解,而使水泥石结构遭到破坏,因而这种水泥的抗大气稳定性较差。

火山灰水泥的需水量和水性与所掺混合材的种类有关,采用硬质混合材如凝灰岩时, 则需水量与硅酸盐水泥相近,而采用软质混合材如硅藻土等时,则需水量较大、水性较小,但收缩变形较大。

(5) 粉煤灰水泥

粉煤灰球形玻璃体颗粒表面比较致密且活性较低,不易水化,故粉煤灰水泥水化硬化比较慢,早期强度较低,但后期强度可以赶上甚至超过普通水泥。

由于粉煤灰颗粒的结构比较致密,内比表面积小,而且含有球状玻璃体颗粒,其需水量小,配制成的砂浆、混凝土和易性好,因此该水泥的干缩性小,抗裂性较好。但粉煤灰水泥水较快,易引起失水裂缝,因此在混凝土和砂浆凝结期间宜适当增加抹面次数。在硬化早期还宜加强养护,以保证混凝土和砂浆强度的正常发展。

粉煤灰水泥水化热低,抗硫酸盐侵蚀能力较强,但次于矿渣水泥,适用于水工和海港工程。粉煤灰水泥抗碳化能力差,抗冻性较差。

(6) 复合水泥

复合水泥的特性取决于其所掺混合材料的种类、掺量及相对比例,与矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥有不同程度的相似之处,其适用范围可根据其掺入的混合材种类,参照其他混合材水泥适用范围选用。

(7) 铝酸盐水泥

铝酸盐水泥是以矾土和石灰石作为主要原料,按适当比例配合后进行烧结或熔融,再经粉磨而成,也称为高铝水泥或矾土水泥。

铝酸盐水泥具有硬化迅速、水泥石结构比较致密、强度发展很快、晶型转化会引起后期强度下降等特点。铝酸盐水泥的最大特点是早期强度增长速度极快,24h即可达到其极限强度的80%左右,Al2O3含量越高,凝固速度越快,早期强度越高。但铝酸盐水泥硬化时放热量大、放热速度极快,1d放热量即可达到总量的70%80%而硅酸盐水泥要放出同样的热量则需7d。因此,铝酸盐水泥不适于大体积工程,但比较适合于低温环境和冬期施工。另外,铝酸盐水泥还具有较好的抗硫酸盐性能、耐高温的特性。

由于铝酸盐水泥具有的这些特点,常被用来配制要求具有早强快硬的材料,如自流平砂浆、灌浆砂浆、快速修补砂浆、堵漏剂等。

(8) 硫铝酸盐水泥

硫铝酸盐水泥是以铝质原料(如矾土)、石灰质原料(如石灰石)和石膏,按适当比例配合后,煅烧成含有适量无水硫铝酸钙的熟料,再掺适量石膏,共同磨细而成。

硫铝酸盐水泥凝结时间很快,水泥硬化也快,早期强度高,其抗硫酸盐侵蚀能力强,抗渗性好。但硫铝酸盐水泥水化放热量大,适宜于冬期施工。

每一品种的水泥都有其不同的性能。在预拌砂浆中应用时,要考虑到水泥性能的稳定性,一般要选用较大型的水泥企业,并应根据不同的预拌砂浆品种,选用不同种类的水泥,从而达到更好的适应性和经济性。

2.1.2 石膏

石膏是一种气硬性胶凝材料,由天然二水石膏(CaSO4·2H2O)脱水形成半水石膏。由于加热条件不同,半水石膏可形成α型和β型两种不同的形态。若将二水石膏置于具0.13MPa124的过饱和蒸汽条件下蒸炼脱水,脱出的水是液体,则得到α型半水石膏,也称为高强石膏。其晶粒较粗,调制成可塑性浆体的需水量较小,凝结时间较慢,硬化后强度较高。若将二水石膏置于炉窑中煅烧,脱出的水是水蒸气,则得到β型半水石膏,也称建筑石膏。其晶体较细,调制成一定稠度的浆体时,需水量较大,凝结时间较快,硬化后强度较低。建筑石膏是一种白色粉末,密度约为2.602.75g/cm3,堆积密度为8001000kg/m3

建筑石膏与水拌和后,可调制成可塑性浆体,经过一段时间反应后,将失去塑性,并凝结硬化成具有一定强度的固体。半水石膏加水后进行下面的化学反应:

          2-1

半水石膏加水后发生溶解,生成不稳定的饱和溶液,溶液中的半水石膏水化后生成二水石膏。由于二水石膏在水中的溶解度比半水石膏小得多,所以半水石膏的饱和溶液对二水石膏来说就成了过饱和溶液。因此,二水石膏很快析晶。由于二水石膏的析出,破坏了原有半水石膏溶解的平衡状态,这样促进了半水石膏不断地溶解和水化,直到半水石膏完全溶解。在这个过程中,浆体中的游离水分逐渐减少,二水石膏胶体微粒不断增加,浆体稠度增大,可塑性逐渐降低,即“凝结”;随着浆体继续变稠,胶体微粒逐渐凝聚成为晶体,晶体逐渐长大、共生并相互交错,使浆体产生强度,并不断增长,即“硬化”。实际上,石膏的凝结和硬化是一个连续的、复杂的物理化学变化过程。

2-1  不同种类石膏间的转化

     建筑石膏是二水石膏在一定温度下加热脱水并磨细制成,其以β型半水石膏为主要组成。建筑石膏密度通常为2500?2700kg/m3,初凝时间不小于6min,终凝时间不大于30min。建筑石膏的细度高,虽能加速半水石膏的水化速度,但是同时也增加石膏的标准稠度需水量,将引起石膏硬化体的孔隙率增加。因此石膏细度提高并不能大幅度地提高其本身的强度。

高强石膏是二水石膏在加压蒸汽热处理条件下形成半水石膏,经干燥磨细而制成。高强石膏的密度通常为2600~2800 kg/m3。高强石膏的细度要求,0.8mm的筛余不大于2%0.2mm的筛余不大于8%。初凝时间不早于3min,终凝时间不早于5 min,不迟于30min。建筑石膏和高强石膏凝结硬化快,常使用缓凝剂延长凝结时间。

建筑石膏广泛用于配制石膏抹面灰浆和制作各种石膏制品。高强石膏适用于强度要求较高的抹灰工程和石膏制品。我国目前生产的主要有纸面石膏板、纤维石膏板、空心石膏亭板、石膏砌块和装饰石膏制品等。

2.1.3 石灰

石灰是一种气硬性胶凝材料,是将以CaCO3为主要成分的原料(如石灰石),经过适当的煅烧,分解和排出二氧化碳所得到的成品,其主要成分是CaO。通常根据加工方法,将石灰分成以下几种:

(1)块状生石灰:由原料煅烧而成的白色疏松结构的块状物,主要成分为CaO

(2)磨细生石灰:由块状生石灰磨细而成的细粉,主要成分为CaO

(3)消石灰(也称熟石灰):将生石灰用适量的水经消化和干燥制成的粉末,主要成分为Ca(OH)2

(4)石灰膏:将生石灰用过量水约为生石灰体积的34消化,或将消石灰与水拌和,所得具有一定稠度的膏状物,主要成分为Ca(OH)2和水。

生石灰是一种白色或灰色的块状物质,因石灰原料中常含有一些碳酸镁成分,所以经煅烧生成的生石灰中,也相应含MgO的成分。

在实际生产中,为了加快石灰石的分解过程,使原料充分煅烧,并考虑到热损失,通常将煅烧温度提高至10001200。若煅烧温度过低、煅烧时间不充分,则CaCO3不能完全分解,将生成欠火石灰。欠火石灰使用时,产浆量较低,质量较差,降低了石灰的利用率;若煅烧温度过高,将生成颜色较深、密度较大的过火石灰,它的表面常被黏土杂质融化形成的玻璃釉状物包覆,熟化很慢,使得石灰硬化后它仍继续熟化而产生体积膨胀,引起局部隆起和开裂而影响工程质量。所以在生产过程中,应根据原材料的性质严格控制煅烧温度。

生石灰熟化时要放出大量的热,使熟化速度加快,当温度过高,且水量不足时,会造成Ca(OH)2凝聚在CaO周围,阻碍熟化进行,而且还会产生逆方向,所以要加入大量的水,并不断搅拌散热,控制温度不至于过高。

石灰与水作用后,迅速水化生成氢氧化钙,并放出大量热量,其反应式如下:

                   2-2

石灰和水作用后,石灰浆体大量放热,在最初比所放出的热量几乎是普通水泥1d放热量的9倍,是28d放热量的3倍,如此大的放热量,使水变成蒸汽而沸腾,从而破坏了石灰的凝聚-结晶结构,致使石灰浆体变成松散毫无联系的消石灰,而不能像其他胶凝材料那样凝结和硬化。因此,使用生石灰时,应先加水拌和消化成消石灰或石灰膏,然后再使用。

石灰在空气中的硬化包括两个过程,即石灰浆体的干燥硬化和硬化石灰浆体的碳化。

石灰浆体的干燥硬化:石灰浆体在干燥过程中,因水分蒸发形成孔隙网,使石灰粒子更加紧密而获得附加强度。另外,水分蒸发引起溶液某种程度的过饱和,使Ca(OH)2逐渐结晶析出,促进石灰浆体的硬化。

碳化:Ca(OH)2与空气中的CO2作用,生成不溶解的碳酸钙晶体,从而提高了强度。碳酸钙在自然条件下具有较大的稳定性,为石灰浆体获得的最终强度。由于空气中CO2的含量很低,按体积计算仅占整个空气的0.03%,碳化作用主要发生在与空气接触的表层上,而且表层生成的致密CaCO3薄膜阻碍了空气中C02进一步渗入,同时也阻碍了内部水分向外蒸发,使Ca(OH)2结晶作用也进行得较慢,所以石灰硬化是个非常缓慢的过程。由于石灰浆体的硬化,只能在干燥状态下,通过水分的蒸发,Ca(OH)2进一步析晶以及水化粒子逐渐靠拢而形成强度。其后,在空气中CO2的作用下生成碳酸钙,使强度进一步提高。因此,预先消化而成的石灰浆体,硬化后强度并不高,因此石灰不宜在长期潮湿环境中或有水的环境中使用,只能用于干燥环境。另外,石灰硬化过程中要蒸发掉大量水分,引起体积干燥收缩,易出现干缩裂缝。

在建筑工程中,石灰主要用于墙体砌筑或抹面工程。石灰膏在水泥砂浆中作为保水增稠材料,具有保水性好、价格低廉等优点,有效避免了砌体如砖的吸水而导致的砂浆与基层或块材粘结差,是传统的建筑材料。但由于石灰耐水性差,石灰膏质量不稳定,导致所配制的砂浆强度低、粘结性差,影响砌体工程质量,而且由于石灰粉加时粉尘大,施工现场劳动条件差,环境污染严重,不利于文明施工。

石灰使用前,需将生石灰熟化成石灰膏或消石灰粉,然后再按其用途或是加水稀释成石灰乳用于室内粉刷,或是掺入适量的砂或水泥、砂,配制成石灰砂浆或水泥石灰混合砂浆用于墙体砌筑或饰面。但消石灰粉不能直接用于砌筑砂浆中。

配制砌筑砂浆时,当将生石灰熟化成石灰膏时,应用孔径不大于3mm×3mm的网过滤, 熟化时间不得少于7d;磨细生石灰粉的熟化时间不得少于2d。沉淀池中贮存的石灰膏,应釆取防止干燥、冻结和污染等措施。严禁使用脱水硬化的石灰膏。砂浆试配时石灰膏的稠度控制在(120±5)mm。水泥砂浆中掺入石灰,可改善砂浆的和易性及施工性,提高粘结强度,减少开裂、弥补微裂缝等。石灰膏掺量较小时对砂浆强度影响不大,但掺量较大时,则会显著降低砂浆强度。

砂浆中掺入石灰虽然可以提高砂浆的和易性和保水性,但硬化后砂浆的耐水性差、收缩大、抗压强度降低,而且生产、使用过程中易对环境造成污染,不提倡使用石灰改善砂浆的和易性和保水性。现在已出现许多种改善砂浆性能的保水增稠材料,如砌筑砂浆增塑剂、砂浆稠化粉、纤维素醚等。

2.2 骨料

2.2.1 天然

细骨料的主要品种是砂。砂是自然界中比较常见的物质,是由岩石风化等自然条件作用而形成的。根据国家标GB/T14684-94 《建筑用砂》的规定,砂按产源分为海砂、河砂、湖砂、山砂;按细度模数MX分为粗、中、细、特细四种规格,按其技术要求分为优等品、一等品、合格品。

河、湖、海砂由于受水流的冲刷作用,颗粒多呈圆形,表面较光滑,在水泥基材料中使用时需水量小,砂粒与水泥间的黏结力较弱,海砂中还含有贝壳碎片和可溶性盐类等有害杂质。山砂颗粒多具棱角,表面粗糙,需水量较大,和易性差,但砂粒与水泥间的黏结力强,有时含有较多的黏土等有害杂质。

(1) 砂的粒度及颗粒级配

砂的粒度是指不同粒径的砂混合在一起后的平均粗细程度;颗粒级配则是指砂中大小颗粒的搭配情况。砂的粒度和颗粒级配都通过筛分法确定。用细度模数表示砂的颗粒级配情况。

筛分法是使用一套孔径为5.000mm2.500mm1.250mm0.630mm0.315mm0.160mm的标准筛,按照筛孔的大小顺序,将500g干砂由粗到细依次过筛,称得余留在各个筛网上的砂的质量,并计算出各筛网上余留砂的分计筛余百分率a1a2a3a4a5a6(各筛上的筛余量占砂样总重的百分率)以及累计筛余百分率A1A2A3A4A5A6。其关系如表2-2所示。

2-2   计筛余与累计筛余之间的关系

筛孔尺寸

计筛余/%

累计筛余/%

4.75mm

a1

A1= a1

2.36mm

a2

A2= a1+ a2

1.18mm

a3

A3= a1+ a2+ a3

600um

a4

A4= a1+ a2+ a3+ a4

150um

a5

A5= a1+ a2+ a3+ a4+ a5

 

砂的细度模数(MX)是衡量粗细程度的指标,它是上面2.500mm1.250mm0.630mm0.315mm0.160mm五种孔径的筛累计筛余百分率的总和。细度模数MX按照下式计算:

               2-3

细度模数MX越大,表示砂越粗。其中,细度模数MX=3.7~3.1为粗砂,最适合于配制混凝土使用;细度模数MX=3.0~2.3为中砂;细度模数MX=2.2~1.6为细砂;细度模数MX=1.5~0.7为特细砂。配制混凝土使用的砂为中、粗砂;某些粉状建材产品中使用的砂为特细砂。

(2) 砂的技术性能要求

有害物质限量砂中不宜混有草根、树叶、树枝、塑料品、煤块、炉渣等杂物。砂中所含有的黏土、淤泥、有机物、云母、硫化物和硫酸盐等,是会对材料性能产生不利影响的有害杂质。黏土、淤泥黏附于砂粒表面,影响水泥与砂粒的黏结,降低材料的强度、抗冻性和耐磨性等,并增大混凝土的干缩。根据(GB/T14684-94)的规定,砂的含泥量应符合表2-3中的规定。云母呈薄片状,表面光滑,与水泥的黏结不牢,能够降低强度。有机物、氯盐和硫酸盐对水泥均有腐烛作用,都是砂中的有害物质,其含量都必须符合表2-3的规定。由于自流平地坪材料中水泥是主要组分,选用细砂时应考虑到这些有害物质的含量,防止其对自流平地坪材料性能产生不利影响。但同时,由于聚合物树脂的加入,有些有害物质比之在普通的水泥混凝土或砂浆中的危害已经被减缓或消除。

2-3    砂的有害物质含量(GB/T14684-2001

     

       

云母(质量分数)/%                

1.0

2.0

2.0

轻物质(质量分数)/%               

1.0

1.0

1.0

有机物(比色法)

合格

合格

合格

硫化物及硫酸盐(SO3质量分数)/%  

0.5

0.5

0.5

氯化物(氯离子质量分数)/%         

0.01

0.02

0.06

注:对于预应力混凝土、接触水体或潮湿条件下的混凝土所用砂,其氯化物(以NaCl计)含量应小于0.03%

砂的坚固性  砂的坚固性用坚固性指标表示,是指气候环境变化或其他物理因素作用下抵抗破裂的能力。砂的坚固性标用硫酸钠溶液检验,试验经5次循环后其质量损失应符合表2-3的规定。

密度、体积密度、空隙率砂的密度、体积密度、空隙率等符合如下规定:密度大于2.58g/cm3,松散体积密度应大于1400kg/m3,空隙率小于45 %

碱集料反应  碱集料反应是指水泥和混凝土的有关添加剂中碱性氧化物质(K2ONa2O)、与砂中活性二氧化硅等物质在常温常压下缓慢反应生成碱硅胶后,吸水膨胀导致混凝土破坏的现象。经碱集料反应试验后,由砂制备的试件无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象-试件养护6个月龄期的膨胀率值应小于0.1%

(3) 颗粒级配

砂的颗粒级配应符合表2-4的规定。

2-4  砂的颗粒级配区

筛孔尺寸/mm

累计筛余(按质量计)/%

10.0(圆孔)

0

0

0

5.00(圆孔)

10~0

10~0

10~0

2.50(圆孔)

35~5

25~0

15~0

1.25(方孔)

65~35

50~10

25~0

0.630(方孔)

85~71

70~41

40~16

0.315(方孔)

95~80

92~70

85~55

0.160(方孔)

100~90

100~90

100~90

注:砂的实际颗粒级配与表中所列数字相比,除5.00mm0.630mm筛外,可以允许略超出分界线,但总量应小于5%

(4) 砂的选用

砂浆中的集料是不参与化学反应的惰性材料,在砂浆中起骨架或填料的作用。通过集料可以调整砂浆的密度,控制材料的收缩性能等。砂浆中所用的细集料粒径一般小于5㎜,所以必须经过筛分,最大粒径应通过5mm筛孔。由于砂越细,其总表面积愈大,包裹在其表面的浆体就越多。当砂浆拌合物的稠度相同时,细砂配制的砂浆就要比中粗砂配制的砂浆需要更多的浆体,由于用水量多了,砂浆强度也会随之下降,因此,优先选用中粗砂配制建筑砂浆。但还需根据砂浆的用途、使用部位、基体等进行选取。如砌筑砂浆,对于砖砌体,宜采用中砂;对于毛石砌体,由于毛石表面多棱角,粗糙不平,宜采用粗砂。对于抹灰砂浆,砂的细度模数不宜小于2.4。

2.2.2 人工

国家标准《建筑用砂》中明确了砂按产源分为天然砂和人工两类。天然包括河砂、湖砂、山砂及淡化海砂;人工砂是经除土处理的机制砂和混合砂的统称,其中机制砂是由机械破碎、筛分制成的、粒径小于4.75mm的岩石颗粒,但不包括软质岩、风化岩的颗粒;混合砂为机制砂和天然混合制成的砂。人工具有以下特性:

人工颗粒表面较粗糙且具有棱角,用其拌制的混凝土或砂浆和易性较差、水量较大,但人工砂中含有的石粉可以部分改善砂浆的工作性能。

人工砂是一种粒度、级配良好的砂,一个细度模数只对应一个级配,同时它的细度模数和单筛的筛余量呈线性关系。对于一种砂,先通过试验建立关系式后,只要测定一个单筛的筛余量即可快速求出细度模数。

    机制砂中石粉含量的变化是随细度模数变化而发生变化的,细度模数越小,石粉含量就越高;反之,细度模数越大,石粉含量越低;当石粉含量小于17%免时,细度模数大于3 当石粉含量大于20%时,细度模数小于2.8

    从砂颗粒组成统计结果分析,当砂石粉含量在20%左右时,砂各粒径的含量基本在中砂区,而0.315mm以下的颗粒在细砂区,这表明人工粗颗粒偏多,细颗粒偏少,特别是0.63~0.315mm一级的颗粒。

人工砂是由机械破碎、筛分而成的,颗粒形状粗糙尖锐、多棱角,通常用人工配制的混凝土砂率要比河砂混凝土大;并且人工颗粒内部微裂纹多、空隙率大、开口相互贯通的空隙多、比表面积大,加上石粉含量高等特点,用人工配制的砂浆与河砂砂浆有较大的差异。

人工砂的质量在很大程度上取决于加工人工砂的机械设备,此外还与原材料和制造工艺等密不可分。在设备方面,制砂机按照破碎原理分为颚式、圆锥式、旋回式、捶式、旋盘式、反击式、对辊式和冲击式等,导致最终产品颗粒形状的优劣排序为:棒磨式、锤式和冲击式等优于反击式、圆锥式和旋盘式,颚式、辊式和旋回式最差, 但前者制造成本较高。在我国水电建设中,生产人工通常采用国产棒磨机加工,再通过洗砂机脱水而得。每生产1m3的砂需水4m3,产量一般较小。有些工程单位采用螺旋洗砂机 细砂流失严重,有的高达30%35%。为了弥补这一损失,改善砂的级配,只得再设一套细砂回收设施。国内一些小规模工地常用锤式破碎机,锤式破碎机有生产率高、破碎比大、构造简单、便于维护等优点,但也存在锤头、篦头、衬板、转子圆盘磨损较快等缺点,如制砂母岩较坚硬,则砂料粒度级配难以控制,从而影响混凝土质量的均匀性。另外,也有用反击式破碎机和小型颚式破碎机或其他破碎机制砂的。但许多专业人士认为建设工地或专业生产人工砂的石料厂选择棒磨机为宜。因为棒磨机的生产过程是利用筒体内棒与棒之间的线接触进行的,棒对石料的粉磨有选择性,先磨大块石料,然后逐步将石料按粒度的大小依次粉磨,过磨现象少,同时棒磨机制砂可以通过多种参数进行质量控制,产品质量较为稳定,且砂料颗粒形较好。

人工砂与河砂相比,由于有一定数量的石粉,使得人工砂浆的和易性得到改善,在一定程度上可改善砂浆的保水性、水性、聚性,还可以提高砂浆强度。有关专家认为: 由石灰石破碎而成的人工砂,其成分是碳酸钙,处于高浓度氢氧化钙中,其表面会发生微弱化学反应,而天然山砂成分中二氧化硅含量高,不能发生类似反应;且人工质地坚硬,有新鲜界面,表面能高;人工表面粗糙、棱角多,有助于提高界面的粘结。鞠丽艳等人认为:0.08㎜以下的石粉可以与水泥熟料生成水化碳铝酸钙。周明凯等人的研究认为:石粉对水泥具有增强作用,认为石粉在水泥水化反应中起晶核作用,诱导水泥的水化产物析晶, 加速水泥水化并参加水泥的水化反应,生成水化碳铝酸钙,并阻止钙矾石向单硫型水化硫铝酸钙转化。但李兴贵认为:当石粉含量增大到21%以上时,由于石粉含量太高,颗粒级配不合理,使混凝土密实性降低,和易性变差;粗颗粒偏少,减弱了骨架作用;非活性石粉不具有水化及胶结作用,在水泥含量不变时,过多的石粉使水泥浆强度降低,并使混凝土强度减小。在选用上以天然砂为标准,并进行砂浆的各种性能测试,以达到满足施工要求和质量保证。

2.2.3 轻集料

轻集料是堆积密度小于1200kg/m3的天然或人工多孔轻质集料的总称。轻集料按原材料来源可分为天然轻集料、人造轻集料和工业废料轻集料,见表2-5。
2-5    轻集料按材料来源分类

类别

原材料来源

主要品种

天然轻集料

火山爆发或生物沉积形成的天然多孔岩石

浮石、火山渣、多孔凝灰岩、珊瑚岩、钙质贝壳岩等及其轻砂

人造轻集料

以黏土、页岩、板岩或某些有机材料为原材料加工而成的多孔材料

页岩陶粒、黏土陶粒、膨胀珍珠岩、沸石岩轻集料、聚苯乙烯泡沫轻集料、超轻陶粒等

工业废料轻集料

以粉煤灰、矿渣、煤矸石等工业废渣加工而成的多孔材料

粉煤灰陶粒、膨胀矿渣珠、自燃煤矸石、煤渣及轻砂

下面简要介绍市场上常见的几种轻集料

(1) 膨胀珍珠岩

珍珠岩是在酸性熔岩喷出地表时,由于与空气温度相差悬殊,岩浆骤冷而具有很大黏度,使大量水蒸气未能逸散而存于玻璃质中。焙烧时,珍珠岩突然升温达到软化点温度,玻璃质结构内的水汽化,产生很大压力,使稠的玻璃质体积迅速膨胀,当它冷却到其软化点以下时,便凝成具有孔径不等、空腔的蜂窝状物质,即膨胀珍珠岩。

膨胀珍珠岩颗粒内部呈蜂窝结构,具有质轻、绝缘、吸声、无毒、无味、不燃烧、耐腐蚀等特点。除直接作为绝热、吸声材料外,还可以配制轻质保温砂浆、轻质混凝土及其制品等。膨胀珍珠岩一般分为两类:粒径小于2.5mm的称为膨胀珍珠砂;粒径为2.5~30mm的称为膨胀珍珠岩碎石,习惯上统称为膨胀珍珠岩。

膨胀珍珠岩砂也称为膨胀珍珠岩粉或珠光砂,是珍珠岩等矿石经破碎、预热,在900~1250下急速受热膨胀而制得。其粒径小于2.5mm,堆积密度约40~150kg/m3时,常温热导率为0.03~0.05W/m·k),使用温度为200~800

膨胀珍珠岩碎石又称大颗粒膨胀珍珠岩,是珍珠岩等矿石经破碎、预热处理后,在1300~ 1450高温下焙烧而成的一种轻集料。其粒径为2.5 ~30mm,堆积密度250 ~600kg/ m3热导率为0.05~0.10 W/(m·k)。

但由于大多数膨胀珍珠岩含硅量高(通常超过70%,多孔并具有吸附性,对隔热保温极为不利,特别是在潮湿的地方,膨胀珍珠岩制品容易吸水致使其热导率急剧增大,高温时水分又易蒸发,带走大量的热,从而失去保温隔热性能。因此,需采取一些措施降低其吸水率,提高保温隔热性能。

(2) 膨胀蛭石

蛭石是由黑云母、金云母、绿泥石等矿物风化或热液蚀变而来的,自然界很少产出纯的蛭石,而工业上使用的主要是由蛭石和黑云母、金云母形成的规则或不规则层间矿物,称之为工业蛭石。膨胀蛭石是将蛭石破碎、筛分、烘干后,在800 ~1100℃的温度下焙烧膨胀而成。产品粒径一般为0.3~25mm,堆积密度约80~200 kg/m3,热导率为0.04~0.07 W/m·k),化学性质较稳定,具有一定机械强度。最高使用温度达1100℃

蛭石被急剧加热煅烧时,层间的自由水将迅速汽化,在蛭石的鱗片层间产生大量蒸汽。急剧增大的蒸汽压力迫使蛭石在垂直解理层方向产生急剧膨胀。在850~1000的温度煅烧时,其颗粒单片体积能膨胀20多倍,许多颗粒的总体积膨胀5~7倍。膨胀后的蛭石中细薄的叠片构成许多间隔层,层间充满空气,因而具有很小的密度和热导率,成为一种良好的保温隔热和吸声材料。

同膨胀珍珠岩一样,采用膨胀蛭石制作保温砂浆时由于其吸水率高造成水分不易挥发,容易引起涂层鼓泡开裂和保温性能的下降。

(3) 化微珠

一种无机玻璃质矿物材料,经过特殊生产工艺技术加工而成,呈不则球状体颗粒,内部多孔空腔结构,表面化封闭,光泽平滑,理化性能稳定,具有质轻、绝热、防火、耐低温、抗老化、吸水率小等优异特性,可替代粉煤灰漂珠、玻璃微珠、膨胀珍珠岩、聚苯颗粒等传统轻质集料在保温材料中使用。

(4) 膨胀聚苯乙烯(EPS)泡沫颗粒

新发的聚苯乙烯泡沫颗粒或将膨胀聚苯乙烯泡沫塑料生产厂的边角废料或通过其他渠道收集的膨胀聚苯乙烯泡沫废料进行减容破碎、清洗、分选、造粒等'制成EPS破碎料,可以作为轻质集枓与水泥、其他填料和添加剂混合制备轻质保温砂浆。

2.3 矿物掺合料

2.3.1 石灰石粉

利用水泥厂磨机制备的石灰石粉,其比表面积一般在300m2/kg。参照日本石灰石粉应用技术委员会提出的质量标准,制定如下的干拌砂浆用石灰石粉质量标准,见表2-6。

表2-6      石灰石粉的质量标准

项 目

要 求

项 目

要 求

比表面积(m2/kg)

≥250

三氧化硫含量(%)

≤0.5

碳酸钙含量(%)

≥90

水分含量(%)

≤1.0

氧化镁含量(%)

≤5.0

 

 

重质碳酸钙,简称重钙,是用机械方法直接粉碎天然的方解石、石灰石、白垩、贝壳等而制得。由于重质碳酸钙的沉降体积(1.1~1.4mL/g)比轻质碳酸钙(2.4~2.8mL/g)的小,所以称之为重质碳酸钙。

根据粒径的大小,可以将重质碳酸钙分为单飞粉(95%通过0.745mm)、双飞粉(99%通过0.045mm)、三飞粉(99.5%通过0.045mm)、四飞粉(99.95%通过0.037mm)和重质微细碳酸钙(0.018mm)

根据重质碳酸钙生产方法的不同,可以将重质碳酸钙分为干磨石粉和湿磨石粉。重质碳酸钙制造方法分干法和湿法。前者将方解石等天然矿石经开采、选矿、除渣等预处理后,粗碎、细磨、分级等制取重质碳酸钙产品。干法生产最小粒径可达3μm。如果产品粒径小于3μm,干法生产在技术上可行,经济上则不可行。该法生产过程中无提纯过程, 因此矿石的品位至关重要,必须选择铅、锰、硅、铁含量低的方解石等高纯、高白度的矿石为原料。湿法是在干法粗碎后,加水及有关助剂后在研磨器中混合研磨,根据要求不同,逐级研磨、浮选等除去矿石中杂质,磨细粒度,提高纯度和白度,制成浆状或膏状产品,也可经分离、干燥制取粉状产品。

重质碳酸钙颗粒性质不规则,且表面粗槌,粒径分布较宽,粒径较大,平均粒度一般为5~10μm,颜色随原料不同而变化,晶体结构与原料中碳酸钙的晶体结构相同

轻质碳酸钙,又称沉淀碳酸钙,是用化学加工方法制得的。由于轻质碳酸钙的沉降体积比重质碳酸钙的大,所以称之为轻质碳酸钙。

根据碳酸钙晶粒形状的不同,可将轻质碳酸钙分为纺捶形、立方形、针形、链形、球形、片形和四角柱形碳酸钙,这些不同晶形的碳酸钙可由控制反应条件制得。

轻质碳酸钙按其原始平均粒径(d)分为:微粒碳酸钙(>5μm)微粉碳酸钙 (1~5μm)、微细碳酸钙(0.1~1μm)、超细碳酸钙(0.02~0.1μm)、超微细碳酸钙(<0.02μm)

轻质碳酸钙的粉体特点:颗粒形状规则,可视为单分散粉体,但可以是多种形状;粒度分布较窄;粒径小,平均粒径为1~3μm

价格上看,石灰石粉的价格最低,重质碳酸钙的价格次之,轻质碳酸钙的价格最高。粉体的细度越细,则价格越高。因此,需根据干拌砂浆的品种来选择适当的种类和细度。

2.3.2 粉煤灰

粉煤灰是以燃煤发电的火力发电厂排出的废渣。煤粉在高温悬浮的燃烧过程中,其所含的黏土质矿物熔融并形成液滴,在排出炉外时经过急速冷却,即成为粒径为1~50μm的细球形颗粒。由于煤的品种、煤粉细度以及燃烧条件不同,粉煤灰的化学成分的波动范围较大。粉煤灰的活性取决于活性Al203和活性Si02的含量。CaO对粉煤灰的活性是有利的。少量Fe203能起熔剂作用,促使玻璃体形成,提高粉煤灰的活性。

粉煤灰中玻璃体的形态、大小及表面状况与其性能有密切的关系。致密的玻璃球其成分主要为硅、铝和铁的氧化物。多孔颗粒则比较复杂。有的是煤粉在燃烧时产生挥发物和某些矿物分解,所产生的气体使熔融玻璃相形成了空心球体,有的球壁还形成蜂窝状结构。也有的是由许多小的玻璃球粘连在一起形成的组合粒子。由于颗粒形貌差异,对其性能的影响也不同。细小的致密玻璃球含量越多,粉煤灰活性也越髙。不规则的多孔玻璃体表面粗糙,蓄水孔腔多,需水量增多,使粉煤灰活性减小。

粉煤灰中所未燃尽炭对其质量是有害的。炭粒粗大多孔,当含炭量高的粉煤灰掺入水泥后,往往使需水量增多,而大大降低强度。并且未燃遇水后,能在颗粒表面形成一层憎水薄膜,阻碍了水分向粉煤灰颗粒内部渗透,从而影响Ca(OH)2与活性氧化物的相互作用, 降低粉煤灰的活性。通常用粉煤灰的烧失量表示未燃炭的含量。

粉煤灰的颗粒组成也是影响其质量的主要因素。有资料认为,5~45μm的细颗粒愈多,粉煤灰活性愈高;含80μm以上颗粒愈多,则活性愈低。因此,对粉煤灰重新助磨,将有效地改善其质量。

根据国家标准GB 1596-91《用于水泥和混凝土中粉煤灰》的规定,不同品粉煤灰的技术要求见表2-7

2-7   混凝土和砂浆掺合料的粉煤灰的质量要求

 

I

II

III

1

细度(0.045mm方孔筛余)/%

≤12

≤20

≤45

2

需水量比/%)

≤95

≤105

≤115

3

烧失量/%)

≤5

≤8

≤15

4

含水量/%)

≤1

5

三氧化硫/%)

≤3

(1) 粉煤灰的活性评定

对于粉煤灰活性的评定,应当考虑它的化学成分中CaOSiO2的比例,当然更确切的是应当考虑(CaO+MgO+R2O)(SiO2+Al2O3)的比例。由于CaOSiO2的比不同,所形成的玻璃体中[SiO4]4-四面体的聚合度也就存在差别,CaOSi02的比小,[SiO4]4-四面体将形成二维、三维的结构,这时Si—O—Si键较难破裂,玻璃体的活性也难被激发,矿渣中低聚合度(1~4)[SiO4]4-四面体中SiO2的量占其中50%~73%,而粉煤灰却不足10%,这是因为粉煤灰玻璃体中SiO 2的含量高,它们的[SiO4]4-四面体的聚合度高,而且基本已是成链状甚至网状结构。对于粉煤灰活性评定也可以用直接分析法,用稀HCL测定其中活性Si02和活性A12O3的含量。评定粉煤灰活性的物理方法是在硅酸盐水泥中掺30%粉煤灰,比较两者之间28d的抗压强度。也有用粉煤灰的活性指数h来表示,h按照正式计算:

                             2-3

h值越大,粉煤灰的活性就越高。即,A1203含量越高,活性越高;烧失量越高(反应碳含量),活性越低。粉煤灰的水化反应速度较慢,因而其早期强度较低,而后期强度高,能够达到甚至超过水泥的强度。

(2) 粉煤灰水泥的性质

粉煤灰在水泥基材料中能够与水泥的水化产物Ca(OH)2反应。这种反应首先是粉煤灰颗粒表面形成一层C-S-H外壳,这层C-S-H凝胶是硅酸盐水泥的水化产物。然后,粉煤灰表面的玻璃体溶解,溶解的快慢通常受水泥基本系统孔隙中含有高浓度碱性水化产物溶液的影响。接着,粉煤灰再与Ca(OH)2反应形成水化产物。

粉煤灰与水泥的反应将显著影响硬化水泥浆体的性能。粉煤灰的CaO含量不同,与水泥反应的差别会很大。在低钙粉煤灰中,能够与水泥反应的组分主要是玻璃体。粉煤灰颗粒中的石英、赤铁矿、磁铁矿等晶体相在水泥中是没有反应性的,而玻璃体通常温度下与水泥的反应也很慢。在高钙粉煤灰中,不仅玻璃体,还有一些晶体组分也有化学反应性。一些粉煤灰中含有游离氧化钙、硫酸钙、C3A,这些活性晶体加水后可直接生成钙矾石、单硫型水化硫铝酸钙,甚至C-S-H凝胶等。

粉煤灰在水泥基材料中的后期水化,既能够提高水泥基材料的强度,又能够改善水泥基材料中的矿物结构,提高抗冻融耐久性。粉煤灰在水泥水化的后龄期,在氢氧化钙的激发作用下开始水化,由于这时水泥已经进行了充分的水化,在结构中存在着大量毛细孔隙,粉煤灰的水化产物能够堵塞结构中的这些毛细孔隙,提高混凝土的密实性和抗渗性。粉煤灰还有许多其他优异性能,如干缩性小、抗裂震性能好、耐腐蚀性好,特别是它还能对氧化镁含量高的水泥的安定性起稳定作用,对活性集料有抑制碱集料反应的作用,因为粉煤灰水泥浆体液相中OH-浓度低,粉煤灰又起到了稀释作用。但是,粉煤灰应是低碱、低钙的,否则也难抑制碱集料反应,至于对碳酸反应,粉煤灰的抑制效果很差。然而粉煤灰水泥最大的缺点就是早期强度低,有时耐大气稳定性略差。因此,如何提高粉煤灰水泥的早期强度就十分必要。

(3)预拌砂浆中粉煤类的选用

传统的建筑砂浆分为水泥砂浆和混合砂浆,混合砂浆是以水泥和石灰膏微胶凝材料,其优点是砂浆柔软,保水性好,易施工,缺点是耐水性差,收缩打,粘结强度低,耐久性差,目前建筑工程中基本使用的是水泥砂浆。目前外墙粉刷大多采用水泥砂浆。但水泥砂浆也有本身的不足,因水泥砂浆中缺乏保水增稠组分,砂浆保水性差、分层度大,即砂浆和易性差、泌水率大,且水泥用量偏高、砂浆硬化快、易开裂等。在建筑砂浆中合理使用粉煤灰,既改善了建筑砂浆的工作性,又不会对建筑砂浆的其他使用性能产生不良影响。试验表明,在建筑砂浆中适量掺入粉煤灰,对改善砂浆的和易性起着很大的作用。

粉煤灰是由各种颗粒机械混合而成的群体,其中多为球形玻璃体,比表面积较大,其矿物组成主要是玻璃相,莫来石相,石英,赤铁矿,磁铁矿及少量未燃烧碳的颗粒。粉煤灰通过其形态效应,火山灰效应和微集料效应,可以提高砂浆的保水性,塑性,后期强度,同时还可以节约水泥和石灰,降低材料成本。砂浆中掺入粉煤灰不但可以降低成本,还可以改善砂浆的和易性。掺入粉煤灰代替部分水泥,可以起到填充致密的作用,而且粉煤灰具有一定的活性,可以和水泥的水化产物发生二次反应,使砂浆强度提高。

粉煤灰具有潜在的化学活性,颗粒微细,且含有大量的玻璃微珠,参入砂浆中可以发挥三种效应,即形态效应,活性效应和微集料效应。

预拌砂浆中可掺入粉煤灰或其他矿物掺合料。粉煤灰一般采用干排灰,粉煤灰品质要求等同于混凝土用粉煤灰技术要求。使用高钙粉煤灰时要密切注意高钙灰中游离氧化钙含量的波动,要加强检测,防止游离氧化钙含量高而破坏砂浆中水泥石的体积安定性。

2.3.3 粒化高炉矿渣粉

粒化高炉矿渣粉(简称矿渣粉)是用符合GB/T203标准规定的粒化高炉矿渣经干燥、粉磨(或添加少量石膏一起粉磨)达到相当细度且符合相应活性指数的粉体。矿渣粉磨时允许加入助磨剂,加入量不得大于矿渣粉质量的1%助磨剂

髙炉矿渣的主要化学成分为SiOCaOAl2O3。一般情况下,这三种氧化物含量达约90% ,另外还含有少量MgONa2OK2O等。

矿渣粉的活性与其化学成分有很大关系。各钢铁企业的高炉矿渣,其化学成分虽大致相同,但各氧化物的含量并不一致,因此,矿渣有碱性、酸性和中性之分,以矿渣中碱性氧化物和酸性氧化物含量的比值M来区分M大于1为碱性矿渣;M小于1为酸性矿渣;M等于1为中性矿渣。酸性矿渣的胶凝性差,而碱性矿渣的胶凝性好,因此,矿渣粉应选用碱性矿渣,其M值越大反映其活性愈好。

在国家标准中规定,粒化矿渣的品质可用品质系数K的大小来评定。

                 2-4

式中, 、为相应氧化物的质量分数。品质系数反映了矿渣中活性组分与低活性组分和非活性组分之间的比值。品质系越大,则矿渣的活性越高。

与使用矿渣水泥相比,直接将矿渣粉加人干拌砂浆中具有以下优点:粒化高炉矿渣比较坚硬,与水泥熟料混在一起,不容易同步磨细。所以矿渣水泥往往保水性差,容易水,而且较粗颗粒的粒化矿渣活性不能得到充分发挥。而将粒化高炉矿渣单独粉磨或加入少量石膏、或助磨剂一起粉磨,可以根据需要控制粉磨工艺,得到所需细度的矿渣粉,有利于其中活性组分更快、更充分水化。可根据干拌砂浆品种灵活选用矿渣粉的细度和掺量。

目前矿渣粉的生产有几种不同的工艺,不同工艺制备的矿渣粉的性能存在较大差异。国内大中型生产厂家一般使用大型立式磨,立磨产量高,产品比表面积在400~300m2/kg时,粉磨能耗比较经济;但当比表面积大于430 m2/kg时,则能耗陡然上升。而国内小型生产厂家一般采用球磨机进行生产,产品单位能耗较高。另外有些厂家也采用振动磨进行生产,但产量较低。

根据砂浆的要求灵活选用粒化高炉矿渣的细度和掺量。国家标准《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》 GB/T 18046—2000,可以将矿渣粉分为S105 S95S75三个等级。矿渣粉的技术要求见表2-8

表2-8  矿渣粉的技术要求

S105

S95

S75

密度/(g/cm3)             

2.8

比表面积/(m2/kg)           

350

活性指数/%) ≥

7d

95

75

55

28d

105

95

75

流动度比/%    

85

90

95

含水量/%              

1. 0

三氧化硫/%         

4.0

氯离子/%             

0.02

烧失量/%             

3.0

①可根据用要求协商提高。

②选择性指标。当用户有要求时,供货方应提供矿渣粉的氯离子和烧失量数据。

矿渣粉的细度用比表面积表示,用氏法测定。矿渣粉的细度越高,则颗粒越细,其活性效应发挥的越充分,但过细需要消耗较多的生产能耗,因此,细度的选择应根据自流平砂浆要求来确定。

矿渣粉的活性大小用活性指数来衡量。掺矿渣粉的受检胶砂为水泥225g、矿渣粉225g IS0标准1350g、水225mL受检胶砂相应龄期的强度与基准胶砂相应龄期的强度比为矿渣粉相应龄期的活性指数。受检胶砂的跳桌流动度与基准胶砂的跳桌流动度之比为矿渣粉的流动度比。

由于矿渣粉的化学组成和颗粒形态与粉煤灰和硅灰有较大的差别,因此,在砂浆中表现出不同的行为,起到不同的作用。

(1)需水量   一般认为,矿渣粉对需水量影响不大。从化学组成和矿物组成看,矿渣粉与水泥较接近,因而表现出与水泥熟料相似的表面性质。从颗粒形态上看,由于矿渣粉是经过粉磨而成的,它不具有一些优质粉煤灰和硅灰那样的球形颗粒形态,而是与水泥颗粒相似,因而也不具有好的润滑作用。从颗粒尺度上看,矿渣粉不具有一些优质粉煤灰和硅灰那样较细的颗粒尺度,因而也不表现出好的填充行为。而且相对密度也比粉煤灰和硅灰大,更接近于水泥熟料。因此,矿渣粉对需水量影响不大。

(2)保水性   大量研究表明,矿渣粉的保水性能远不及一些优质的粉煤灰和硅灰,掺入一些级配不好的矿渣粉会出现水现象。因此,使用矿渣粉时,要选择保水性能较好的水泥,并适当掺入一些具有保水功能的材料。

(3)流动性   在掺用同一种减水剂和砂浆配合比相同的情况下,矿渣粉砂浆的流动度得到明显的提高,且流动度经时损失也得到明显缓解。流动度的改善是由于矿渣粉的存在,延缓了水泥水化初期水化产物的相互搭接,还由于C3A矿物含量的降低而与减水剂有更好的相容性,而且达到一定细度的矿渣粉也具有一定的减水作用。

(4)凝结时间   矿渣粉砂浆的初凝、终凝时间比普通砂浆有所延缓,但幅度不大。

(5)强度   在相同配合比、强度等级与自然养护的条件下,矿渣粉砂浆的早期强度比普通砂浆略低,但28d及以后的强度增长显著高于普通砂浆。

(6)耐久性   由于矿渣粉砂浆的浆体结构比较致密,且矿渣粉能吸收水泥水化生成的氢氧化钙晶体而改善了砂浆的界面结构。因此,矿渣粉砂浆的抗渗性、抗冻性明显优于普通砂浆。由于矿渣粉具有较强的吸附氯离子的作用,因此能有效阻止氯离子扩散进入,提高了砂浆的抗氯离子能力。砂浆的耐硫酸盐侵蚀性主要取决于砂浆的抗渗性和水泥中铝酸盐含量和碱度,矿渣粉砂浆中铝酸盐和碱度均较低,且又具有高抗渗性,因此,矿渣粉砂浆抗硫酸盐侵蚀性得到很大改善。矿渣粉砂浆的碱度降低,对预防和抑制碱-集料反应也是十分有利的。

2.3.4 硅灰

硅灰又称硅粉或硅烟灰,是从生产硅铁合金或硅钢等时所排放的烟气中收集到的颗粒极细的烟尘。

硅灰的主要成分是二氧化硅,一般占90%左右,绝大部分是无定形的氧化硅,其他成分如:氧化铁、氧化钙、氧化硫等一般不超过1%,烧失量约为1.5%?3%

由于硅灰具有高比表面积,因而其需水量很大,将其作为活性细填料须配以减水剂,以保证砂浆的和易性。

硅灰用作活性细填料有以下几方面效果:

(1)提高砂浆强度,配制髙强砂浆。

普通硅酸盐水泥水化后生成的Ca(OH)2约占体积的20%硅灰能与该部分Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙,均匀分布于水泥颗粒之间,形成密实的结构。由于硅灰细度细,活性高,掺加硅灰对砂浆早期强度没有不良影响。

(2)改善砂浆的孔结构,提高抗渗性、抗冻性及抗腐蚀性。掺入硅灰的砂浆,其总孔隙率虽变化不大,但其毛细孔会相应变小,大于0.1μm的大孔几乎不存在。因而掺入硅灰的砂浆抗渗性明显提髙,抗冻等级及抗腐蚀性也相应提高。

在国家标准《高强高性能混凝土用矿物外加剂》(GB/T 18736—2002)中,规定了硅灰的技术要求。硅灰的技术要求见表2-9

2-9   硅灰的技术要求

序号

序号

1

比表面积m2/kg)

≥15000

5

二氧化硅/%

≥85

2

需水量比(%)

125

6

氯离子含量/%

≤0.02

3

284活性指数(%

85

7

烧失量/%

6

4

含水量(%)

3.0

 

 

 

由于硅灰的细度大,活性高,用其拌制的砂浆的收缩值较大,在使用时需特别注意养护,以避免出现砂浆开裂。

目前市场上也存在一些用石英砂超细粉磨制备的“硅粉”,这种“硅粉”没有活性,属于惰性细填料,在使用时应注意两者之间的区别。

2.3.5 沸石粉

沸石粉是以天然沸石岩为原料,经破碎、磨细制成的,属于火山灰类材料的粉状物料。

天然沸石粉的矿物组成主要为沸石族矿物,这种矿物为骨架铝硅酸盐结构,其结构特征为:具有稳定的正四面体硅(铝)酸盐骨架;骨架内含有可交换的阳离子和大量的孔穴和通道,其直径为0.3~1.3nm,因此,具有很大的内比表面积;沸石结构中通常含有一定数量的水,这种水在孔穴和通道内可以自由进出,空气也可以自由进出这些孔穴和通道。

(1) 天然沸石粉在水泥基材料中的作用

尽管天然沸石粉与粉煤灰都是一种火山灰质材料,但是由于组成和结构的差异,在水泥基材料中表现出不同的行为,也将发挥不同的作用。

①天然沸石粉的需水行为和减水作用  影响矿物外加剂需水行为的三个基本要素:颗粒大小、颗粒形态和比表面积。颗粒大小决定其填充行为,影响填充水的数量;颗粒形态影响决定其润滑作用;比表面积决定其表面水的数量。

对于天然沸石粉,颗粒大小是由粉磨细度决定的。细度越高,越有利于填充在水泥颗粒堆积的空隙中,从而减少填充水的数量。天然沸石粉是通过粉磨而成的,具有不规则的颗粒形状,这种颗粒运动阻力较大,因此,不具有润滑作用。天然沸石粉具有很大的内比表面积,能吸附大量的水。由这三个基本要素来看,天然沸石粉不具有减水作用。将天然沸石粉磨得很细,可以更好地填充减少颗粒堆积的空隙,减少填充水量;但是,在提高细度的同时,也增大了比表面积,相应地增加了表面水量。这两个互为相反的作用常常是得不偿失,因此,即使增大粉磨细度,也不能使天然沸石粉表现出减水作用。大量试验结果证明了这一点。非但如此,掺入天然沸石粉通常都使得需水量较大幅度地增加。

②天然沸石粉的活性行为和胶凝作用  天然沸石粉一般比粉煤灰等其他一些火山灰材料的活性行为和胶凝作用高。粉煤灰等一些工业废渣是经过高温煅烧的,它们的活性主要是由于保留了高温时的结构特征,使其处于高能量状态。而天然沸石粉是经过长期地质演变而形成的。尽管它也经过一个高温过程,但经过长期的地质演变,高温型的结构特征已经变得不明显,特别是玻璃体结构的无序化特征已经基本消失。天然沸石粉之所以具有较高的火山灰活性是因为在它的骨架内含有可交换的阳离子以及较大的内比表面积。结构中存在着活性阳离子是凝胶材料具有活性的一个本质因素。天然沸石粉结构中这些活性阳离子的存在,使得它具有较高的火山灰反应能力。同时,硅酸盐矿物的水化反应是一种固相反应,天然沸石粉结构中的孔穴为水和一些阳离子的进入提供了通道,而较大的内比表面积为水和阳离子提供较多与固体骨架接触和反应的面,使反应能够较快地进行。由于这两个方面的因素,天然沸石粉常常表现出较高的活性。

③天然沸石粉的填充行为和致密作用  天然沸石粉的填充行为取决于它的细度。一般来说,天然沸石粉表现出较好的填充行为,能使硬化水泥石结构致密。

④天然沸石粉的稳定行为和益化作用在新拌混凝土中,由于天然沸石粉对水的吸附作用,使水不容易出,因而表现出较好的稳定行为。天然沸石粉具有较好的保水作用,这是天然沸石粉的一个重要特征,是其他矿物外加剂所不及的,以至于一些人把天然沸石粉看成是一种保水剂。此外,由于掺入天然沸石粉后,水泥浆较稠,增大了集料运动的阻力,因而有效地防止了离析。

天然沸石粉的稳定性为砂浆的均匀性提供了保证。在自流平的施工过程中,离析和水将导致各部位砂浆不均匀,上部可能水或水泥浆多一些,而下部则可能集料多一些。组成上的不均匀必然导致性能的不均匀。然而,天然沸石粉的稳定行为避免或减少了水,也就减少了这些缺陷形成的可能性。另一方面,天然沸石粉对砂浆干缩性能的影响,天然沸石粉表现出负效应。也就是说,掺入天然沸石粉使混凝土的干缩增大,其原因如下。

掺入天然沸石粉使砂浆用水量增加。用水量越大,砂浆的干缩也越大。由于天然沸石粉需水量较大,掺入天然沸石粉后砂浆的用水量增加,因而使得硬化砂浆的干缩增大。

较高的碱含量使硬化水泥石干缩增大。一些研究表明,硬化水泥石的干缩与碱含量有着密切的关系。当水泥石中碱含量增加时,其干缩变形也增大。天然沸石粉通常含碱量较高,因而掺入天然沸石粉使得水泥石中的碱含量增加,导致水泥石的收缩增大。

由上述分析可以看出,天然沸石粉与粉煤灰的差异主要表现在三个方面:一是它的火山灰活性通常比粉煤灰高;二是它的需水量也比粉煤灰高,但具有较强的保水作用;三是体积稳定性较差。这些差异必将对砂浆的性能产生一系列的影响,必须引起注意。

(2) 天然沸石粉的性能指标

在我国建筑工业行业标准JG6/T 3048—1998《混凝土和砂浆用天然沸石粉》中,对天然沸石粉提出了四项技术指标要求,即吸氨值、细度、水泥胶砂需水量比和水泥胶砂28抗压强度比。这些指标要求在表2-10中给出。其中水泥胶砂28抗压强度比也是采用固定加水量的方法。


2-10   天然沸石粉的性能指标

技术指标

质量等级

I

II

III

吸铵值(mmol/100g)

130

100

90

细度(%)

4

10

15

沸石粉水泥胶砂需水量比(%)

125

120

120

沸石粉水泥胶砂28d抗压强度比(%)

75

70

62

2.3.6 膨润土

膨润土的颗粒粒径是纳米级的,是亿万年前天然形成的,因此,国外有把膨润土称为天然纳米材料的。膨润土又叫蒙脱土,是以蒙脱土为主要成分的层状硅铝酸盐。膨润土的层间阳离子种类决定膨润土的类型,层间阳离子为Na称钠基膨润土,为Ca称钙基膨润土,为H时称氢基膨润土(活性白土),为有机阳离子时称有机膨润土。

膨润土具有很强的吸湿性,能吸附相当于自身体积8~20倍的水而膨胀至30倍。在水介质中能分散成胶体悬浮液,并具有一定的滞性、触变性和润滑性,它和泥砂等的掺合物具有可塑性和黏结性,有较强的阳离子交换能力和吸附能力。膨润土素有万能黏土之称,广泛应用于冶金、石油、铸造、食品、化工、环保及其他工业部门。

膨润土为溶胀材料,其溶胀过程将吸收大量的水,使砂浆中的自由水减少,导致砂浆流动性降低,流动性损失加快;膨润土为类似蒙脱土的硅酸盐,主要具有柱状结构,因而其水解以后,在砂浆中可形成卡屋结构,增大砂浆的稳定性,同时其特有的滑动效应,在一定程度上提高砂浆的滑动性能,增大可泵型。

施工时需注意的问题:膨润土的加入具有必要性,但无需进行预水化处理,可直接加入砂浆中进行搅拌,简化施工工序。膨润土不管是预水化或未预水化,它对砂浆稳定性积极作用不变。但膨润土预水化足够的时间后,与之混合的水大部分已渗入其结构之中,而约束水,自由水减少,不利于流动性的增加;膨润土未经预水化时,虽然其与水相遇,就开始水解吸水,但这是一个较慢的过程,其水解时,一定时间内还不能将大量的自由水吸收而成为约束水,因而有更多的自由水在砂浆中存在,其砂浆流动性并不定降低。

   膨润土用于预拌砂浆,一般用量很小,起到优化配方作用,它对砂浆的防沉降有一定的帮助。

2.4  外加剂

添加剂是指可再分散乳胶粉(或乳液)、纤维、调凝剂、流化剂、调节砂浆体积变形剂以及憎水剂等能改变砂浆某些性能的少量物质的总称。添加剂赋予预拌砂浆特殊的性能,是区别于传统建筑砂浆的关键所在。

预拌砂浆中关键的原材料是添加剂,虽然其掺量很少,但所起的作用却很大,它能显著改善砂浆的性能。例如,可以通过掺加可再分散乳胶粉使砂浆具有弹性,通过增加流化剂用量使地坪砂浆可以自由流淌,通过掺加纤维使砂浆表面裂缝大幅度减少等等。因此,现代砂浆技术的发展就是将各种添加剂经济合理地应用到预拌砂浆中,以满足现代建筑技术发展的需求。在预拌砂浆产品成本中,添加剂占了很大的比例,而最常用的添加剂如可再分散乳胶粉,价格较贵,导致预拌砂浆的成本大幅提高。因,如何选用、选好添加剂,是预拌砂浆的核心,通过调配添加剂来改善预拌砂浆的性能,使之满足工程的需要。

在添加剂应用于预拌砂浆时,应充分注意的问题是,应整体考虑添加剂对砂浆性能的影响,不能仅考虑提高某一性能,而忽略了对其他性能的不利影响。例如,掺加可再分散乳胶粉可大大提高砂浆与基层的粘结性能,但胶粉会降低砂浆的耐水性。憎水剂可提高砂浆抵抗微压力水的能力,但憎水剂可能降低砂浆的粘结性。因此,在配制预拌砂浆产品时,我们应综合考虑各组分对砂浆各项性能指标的影响,通过试验确定经济合理、技术先进的砂浆配方。

2.4.1 可再分散乳胶粉

可再分散乳胶粉是将高分子聚合物乳液通过高温高压、喷雾干燥、表面处理等一系列工艺加工而成的粉状热塑性树脂材料,这种粉状的有机胶粘剂与水混合后,在水中能再分散,重新形成新的乳液,其性质与原来的共聚物乳液完全相同。

目前市场上常见的可再分散乳胶粉品种有:醋酸乙烯酯与乙烯共聚乳胶粉(EVA)、乙烯与氯乙烯及月桂酸乙烯三元共聚乳胶粉E/VC/VL)、醋酸乙烯酯与乙烯及髙级脂肪酸乙烯三元共聚乳胶粉(VAC/E/VEOVA)醋酸乙烯酯与高级脂肪酸乙烯共聚乳胶粉VAC/VEO/VA)、丙烯醋酯与苯乙烯共聚乳胶粉(A/S)、醋酸乙烯酯与丙烯酸酯及高级脂肪酸乙烯三元共聚乳胶粉(VAC/A/VEOVA)醋酸乙烯酯均聚乳胶PVAC)、苯乙烯与丁二烯共聚乳胶粉SBR等。

前三种可再分散乳胶粉在全球市场上占有绝大多数份额(超过80%)。尤其是第一种醋酸乙烯酯与乙烯共聚乳胶粉在全球占有领先的地位,并代表了可再分散乳胶粉特征的技术特性。

图2-2     可再分散胶粉生产过程

(1)乳液的聚合   

乳液聚合所采用的单体决定了可再分散乳胶粉的类型,用于制备可再分散乳胶粉的聚合物单体主要为烯,属不饱和单体,包括各种乙烯酯类和丙烯酸酯类。由于可再分散乳胶粉主要用于建筑结合材和黏合剂中,而醋酸乙烯聚合物具有低廉的价格、较高的粘结强度、无毒无害、生产和使用安全方便等优势,故其在应用于建筑结合材和黏合剂的聚合物乳液中用量最大。

一般来讲,制备可再分散乳胶粉所用的乳液,其聚合方法没有特别的限制,可以使用各种以水为分散介质的乳液聚合方法,但大多推荐使用连续或半连续乳液聚合法,也可以使用种子乳液聚合法,一般使用保护胶体和阴离子或非离子乳化剂,或不用乳化剂。制备可再分散乳胶粉所得的聚合物乳液其固体含量一般在40% ~ 60%之间,可以根据干燥器的性能、产品性能要求和干燥前需要加人的其他助剂量调节合适,对于乙烯-醋酸乙烯共聚型乳液,则应该稀释到40%以下。

为提高可再分散乳胶粉的可再分散性和防止在干燥和贮存时结块,在干燥前一般应加入保护胶体或表面活性剂(乳化剂),使可再分散乳胶粉具有较强的亲水性和对碱的敏感性,最常用的保护胶体是部分水解的聚乙烯醇。聚乙烯醇中含有大量的羟基,耐水性相当差,而且醋酸乙烯聚合物由于其带有极性的酯基和羧基,本身的耐水性,尤其是耐热水性较差。在含有PVA和羧基的可再分散乳胶粉中,可以添加多价金属盐来提高其耐水性,尤其是耐热水性,因为PVA和羧基可与金属盐反应而变得不溶于水,在含有PVA的乳液中,还可以加入醛类,使PVA缩醛而降低其吸水性。除了PVA外,还可以选用其他一些耐水性较好的保护胶体,以保证产品的耐水性,如聚丙烯酸、改性聚丙烯酸等。

在乳液干燥之前,其他一些助剂,如消泡剂、增稠剂、憎水剂等,可以和乳液分散体一起干燥。

(2)乳液的干燥

制备可再分散乳胶粉最常用的干燥方法是喷雾干燥法,也可以用减压干燥法和冰冻干燥法。干燥是可再分散乳胶粉制备中的一个难点,并不是所有的乳液都可以转变成为可再分散乳胶粉的,因为必须在高温下将这些室温下就可成膜甚至发黏的热塑性聚合物乳液转变为可自由流动的粉末。乳液分散体中乳液粒子的直径在数微米左右,在喷雾干燥过程中,乳胶粒子会凝聚,因此通常可再分散乳胶粉的粒径在10 ~500um之间,从扫描式电子显微镜(SEM)下可以看到,乳胶粒子凝结形成的是空心结构。可再分散乳胶粉再分散后,乳胶粒子的直径一般在0. 1 ~5um之间,由于可再分散乳胶粉在分散时再分散液的乳胶粒子粒径分布是可再分散乳胶粉的主要质量指标之一,它决定了可再分散乳胶粉的粘合能力和作为添加剂的各种效果,因而要选用适当的分散和干燥方法,尽量使用分散液的粒子粒径与原来乳液的粒子粒径有相同的分布,以保证再分散液与原来乳液性质相近。

大部分可再分散乳胶粉使用并流式喷雾干燥工艺,即粉料运动方向和热风一致,也有使用逆流式喷雾干燥工艺的,其干燥介质一般使用空气或氮气。由于在喷雾干燥时,乳胶粒子容易出现凝结和变色等问题,因此,要严格控制乳液的添加剂、分散情况、乳液固体含量以及喷雾形式、喷雾压力、雾滴大小、进出口热风温度、风速等工艺因素。一般而言,双喷嘴或多喷嘴的效果和热利用率要优于单喷嘴,一般喷嘴的压力在4x105Pa左右,热风进口温度在100~250之间,出口温度在80左右。加人高岭土、硅藻土、滑石粉等惰性矿物防结块剂,可以防止结块,但如在干燥之前加入,那么防结块剂可能被聚合物包裹成微胶囊而失去作用,大部分都是在干燥器顶部与乳液分别独立地喷入,但也容易随气流流失和在干燥器与输送管道上结壳,较好地加入方法是分成两部分加入:一部分在干燥器上部用压缩空气喷入;另一部分在底部与冷空气一起进入。为防止结块,也可以在乳液聚合过程中,当聚合达到80%-90%时,对剩余部分进行皂化,或是在乳液中加人三聚氰胺-甲醛縮合物,也可利用某种乳化剂乳液。

在可再分散乳胶粉的生产过程中,胶粉是由单体乳化液滴转变而成的聚合物“固体” 颗粒。严格来说,这些颗粒并不是固体,因为此处考虑的聚合物是热塑体,只有在低于某一临界温度时才成为固体,该临界温度被称为玻璃化温度(Tg)。只有在该温度以上,热塑体才失去其所有的结晶态性质,但由于聚合物像网那样相互交织在一起,这种材料实际上仍处于准固体状态。

(3)胶粉在砂浆中的成膜过程

掺入可再分散乳胶粉的预拌砂浆加水搅拌后,可再分散乳胶粉对水泥砂浆的改性是通过胶粉的再分散、水泥的水化和乳胶的成膜来完成的。可再分散乳胶粉在砂浆中的成膜过程大致分为三个阶段。

第一阶段,砂浆加水搅拌后,聚合物粉末重新均匀地分散到新拌水泥砂浆内而再次乳化。在搅拌过程中,粉末颗粒会自行再分散到整个新拌砂浆中,而不会与水泥颗粒聚结在一起。可再分散乳胶粉颗粒的“润滑作用”使砂浆拌合物具有良好的施工性能;它的引气效果使砂浆变得可压缩,因而更容易进行抹作业。在胶粉分散到新拌水泥砂浆的过程中,保护胶体具有重要的作用。保护胶体本身较强的亲水性使可再分散乳胶粉在较低的剪切作用力下也会完全溶解,从而释放出本质未发生改变的初始分散颗粒,聚合物粉末由此得以再分散。在水中的快速再分散是使聚合物的作用得以最大程度发挥的一个关键性能。

第二阶段,由于水泥的水化、表面蒸发或基层的吸收造成砂浆内部孔隙自由水分不断消耗,乳胶颗粒的移动自然受到了越来越多的限制,水与空气的界面张力促使它们逐渐排列在水泥砂浆的毛细孔内或砂浆-基层界面区。随着乳胶颗粒的相互接触,颗粒之间网络状的水分通过毛细管蒸发,由此产生的高毛细张力施加于乳胶颗粒表面引起乳胶球体的变形并使它们融合在一起,此时乳胶膜大致形成。

    第三阶段,通过聚合物分子的扩散(有时称为自黏性),乳胶颗粒在砂浆中形成不溶于水的连续膜,从而提高了对界面的粘结性和对砂浆本身的改性。

水泥砂浆中掺入可再分散乳胶粉后,砂浆的抗拉伸强度和抗折强度明显提高,而抗压强度没有明显改善,甚至有所下降。其原因是可再分散乳胶粉的增韧作用,提高了砂浆内部抗拉强度和界面粘结抗拉强度,大大改善了砂浆与基材的粘结抗拉强度。

我们知道,脆性材料的开裂主要是受拉伸破坏,当拉伸应力超过其自身的抗拉强度值时就会产生开裂。因此,具有较高的拉伸强度值是抵抗开裂的必要条件。

研究表明,随着聚灰比的提高,聚合物改性水泥砂浆的抗拉强度一般先提高,然后呈下降趋势,说明存在一个最佳的掺量范围。下降的原因一般是加入过量的可再分散乳胶粉导致引人过多的气泡,造成抗压强度呈下降趋势。因此,需通过调整灰砂比、水灰比、集料级配及集料种类来提高抗压强度。而提高抗拉强度、抗折强度,改善柔性、抗裂性能、憎水性能,则通过掺加可再分散乳胶粉实现,但不是掺加量越多就越好。胶粉掺量过低时,仅起到些塑化作用,而增强效果不明显;胶粉掺量过大时,强度降低;只有当胶粉掺量适中时,既增加抗变形能力、拉伸强度及粘结强度,又提高抗渗性以及抗裂性。灰砂比、水灰比、集料的级配和种类、集料的特性都会最终影响到产品的综合性能。

(4)胶粉的主要技术指标

可再分散乳胶粉的基本质量控制指标为固含量、堆积密度、灰分、PH值和残余水分。这些控制指标同生产时在不同工艺步骤过程中许多附加的内部质量控制措施一起来保证客户所得到的产品具有稳定的质量和性能。但最重要的评估是可再分散乳胶粉在最终产品中的性能。这可通过用固定原材料的标准配方,标准检测方法,评估关键的性能,如粘结性、流动性、柔性等。

作为高分子聚合物热塑性树脂,不同型号的可再分散乳胶粉的主要物理性能不尽相同,如某一公司生产的某一型号的可再分散乳胶粉的物理性能指标如下:

固含量:(99±1)%

灰分:(102)%

堆积密度:(49050g/L

外观:白色粉末;

保护胶体:聚乙烯醇;

粒径:大于400μm≤4% ,主要胶粒分布:1-7μm

最低成膜温度:0℃

成膜外观:透明,弹性;

2.4.2 纤维素

纤维素醚是以木质纤维或精制短棉纤维作为主要原料,经化学处理后,通过氯化乙烯、氯化丙烯或氧化乙烯等醚化剂发生反应所生成的粉状纤维素醚。

纤维素醚的生产过程很复杂,它是先从棉花或木材中提取纤维素,然后加入氢氧化钠后经过化学反应(碱溶)转化成为碱性纤维素,碱性纤维素在醚化剂的作用(醚化反应)下, 并经水洗、干燥、研磨等工序生成纤维素醚。

不同的醚化剂可把碱性纤维素醚化成各种不同类型的纤维素醚。纤维素的分子结构是由失水葡萄糖单元分子键组成的,每个葡萄糖单元内含有三个羟基,在一定条件下,羟基被甲基、羟乙基、羟丙基等基团所取代,可生成各类不同的纤维素品种。如被甲基取代的称为甲基纤维素,被羟乙基取代的称为羟乙基纤维素,被羟丙基取代的称为羟丙基纤维素。由于甲基纤维素是一种通过醚化反应生成的混合醚,以甲基为主,但含有少量的羟乙基或羟丙基, 因此被称为甲基羟乙基纤维素醚或甲基羟丙基纤维素醚。由于取代基的不同(如甲基、羟乙基、羟丙基)以及取代度的不同(在纤维素上每个活性羟基被取代的物质的量),因此可生成各类不同的纤维素品种和牌号,不同的品种可广泛应用于建筑工程、食品和医药行业,以及日用化学工业、石油工业等不同的领域。

纤维素醚按其取代基的电离性能分为离子型和非离子型。离子型主要有羧甲基纤维素盐,非离子型主要有甲基纤维素、甲基羟乙基纤维素醚MHEC)甲基羟丙基纤维素醚MHPC)、羟乙基纤维素醚。

图2-3  羧甲基纤维素盐的分子结构图

 

图2-4 甲基羟乙基纤维素醚的分子结构图

图2-5 甲基羟丙基纤维素醚的分子结构图

由于离子型纤维素(羧甲基纤维素盐)在钙离子存在的情况下不稳,因此在以水泥、熟石灰为胶凝材料的预拌砂浆中很少使用。羟乙基纤维素也用于某些预拌砂浆中,但所占市场份额极少。现在预拌砂浆中使用的主要是甲基羟乙基纤维素醚(MHEC)和甲基羟丙基纤维素醚(MHPC),它们所占的市场份额超过90%

保水性和增稠性的效果依次为:甲基羟乙基纤维素醚(MHEC)>甲基羟丙基纤维素醚(MHPC)>羟乙基纤维素醚(HEC)>羧甲基纤维素(CMC)。表2-11纤维素醚在建筑预拌砂浆中的技术要求。

2-11      纤维素醚在建筑预拌砂浆中的技术要求

项目

技术要求

MC

HPMC

HEMC

HEC

保水率/ (%)             

90.0

滑移/ (mm )              

0.5

终凝时间差/ (min )       

360

—(认为需规定时间)

抗压强度比/ (%)         

40

拉伸粘结强度/ (MPa )    

0.3

 

纤维素醚是预拌砂浆的一种主要添加剂,虽然添加量很低,但却能显著改善砂浆性能,它可改善砂浆的稠度、工作性能、粘结性能以及保水性能等,在预拌砂浆领域有着非常重要的作用。其主要特性如下:

(1) 优良的保水性

保水性是衡量纤维素质量的重要指标之一,特别是薄层施工中显得更为重要。提高砂浆保水性可有效地防止砂浆因失水过快而引起的干燥,以及水泥水化不足而导致的强度下降和开裂现象。影响砂浆保水性的因素有纤维素醚的掺量、黏度、细度以及使用环境等。一般黏度越高,细度越细,掺量越大,则保水性越好。纤维素保水性与纤维素醚化程度相关, 甲氧基含量高,保水性好。

(2) 粘结力强、抗垂性

纤维素具有非常好的增稠效应,在预拌砂浆中掺入纤维素醚,可使黏度增大数千倍, 使砂浆具有更好的粘结性,可使粘贴的瓷砖具有较好的抗下垂性。纤维素醚的黏度大小可影响砂浆的粘结强度、流动性、结构稳定性和施工性。

一般来说,黏度越高,保水效果越好,但黏度越高,纤维素醚的分子量越高,其溶解性能就会相应降低,这对砂浆的强度和施工性能有负面的影响。黏度越高,湿砂浆会越;容易粘刮刀,且对湿砂浆本身的结构强度的增加帮助不大,改善抗下垂效果不明显。

(3) 溶解性好

因纤维素表面颗粒经特殊处理,无论在水泥砂浆、石膏中,还是涂料体系中,溶解性都非常好,不易结团,溶解速度快。

在预拌砂浆中,纤维素起着保水、增稠、改善施工性能等方面的作用,良好的保水性可避免砂因缺水、水泥水化不完全而导致的起砂、起粉和强度降低;增稠效果使新拌砂浆的结构强度大大增强,粘贴的瓷砖具有较好的抗下垂性;掺入纤维素可以明显改善湿砂浆的湿黏性,对各种基材都具有良好的黏性,从而提高了湿砂浆的上墙性能,减少浪费。

不同品种纤维素醚在砂浆中发挥的作用也不尽相同,如纤维素醚在瓷砖粘结砂浆中可以提高开放时间,调整时间;在机械喷涂砂浆中可以改善湿砂浆的结构强度;在自流平砂浆中可以起到防止沉降、离析分层的作用。由于不同品种预拌砂浆对纤维素提出的技术要求不尽相同,因此,纤维素醚的生产厂家会对相同黏度的纤维素进行改性,以适用不同预拌砂浆产品的不同技术要求,以便于砂浆配方设计人员选用。

2.4.3 淀粉

淀粉醚是从天然植物中提取的多糖化合物,与纤维素相比具有相同的化学结构及类似的性能,基本性质如下:

溶解性:冷水溶解       颗粒度:≥98%(80目筛)

黏度:300800Pa.s        水分: ≤10%

颜色:白色或浅黄色

淀粉醚在水泥砂浆中的典型掺量为0.01%~0.1%在石膏基产品中为0.02%~0.06%。掺量低,它仍可以显著增加砂浆的稠度,同时需水量和屈服值也略有增加。

尽管淀粉本身的黏度较低(2%水溶液中黏度为100~500mPa·s),但在与纤维素醚要配合使用时,可以使砂浆的稠度显著增加,新拌砂浆的垂流程度降低。这样使得批抹砂浆垂直墙面上可以批得更厚,瓷砖胶能够黏附更重的瓷砖而不产生滑移。特殊类型的淀粉可以降低砂浆对刀的黏附或延长开放时间。但应该注意的是淀粉并不能提高砂浆的保水能力,这一点与纤维素醚有很大的区别。

淀粉应用于建筑砂浆中,可显著增加砂浆的稠度,改善砂浆的施工性和抗流挂性。淀粉通常与非改性及改性纤维素醚配合使用,它对中性和碱性体系都适合,能与石膏和水泥制品中的大多数添加剂相容,如表面活性剂、MC、淀粉及聚乙酸乙烯等水溶性聚合物等。

淀粉主要用于以水泥和石膏为胶凝材料的手工或机喷砂浆、瓷砖粘结砂浆、嵌缝料和粘结剂、砌筑砂浆等。

2.4.4 纤维

预拌砂浆中普遍采用化学合成纤维和木纤维。化学合成纤维,如聚丙烯短纤维、丙纶短纤维等,这类纤维经过表面改性后,不仅分散性好,而且掺量低,能有效改善砂浆的抗塑性、抗裂性。同时,对硬化砂浆的力学性能影响不大。木纤维则直径更小,掺加木纤维应注意其对砂浆需水量的增加。

目前,抹面砂浆、内外墙膩子粉、保温材料薄罩面砂浆、灌浆砂浆、自流平地坪砂浆等的生产中都开始添加合成纤维或木纤维,而有些抗静电地面材料中则以金属纤维和碳纤维为主。

维纶纤维即维尼纶纤维(vinylon),化学名称为聚乙烯醇纤维或PVA纤维。这种纤维抗碱性强、亲水性好、可耐日光老化。产品有低弹性模量的普通维纶纤维、中强中模维纶纤维和高强高模维纶纤维。

腈纶纤维的化学名称为聚丙烯腈纤维或称PANF纤维。腈纶纤维具有较好的耐碱性与耐酸性,有一定的亲水性,吸水率为2%。左右;受潮后强度下降较少,保留率为80%~90%;对日光和大气作用的稳定性较好;热分解温度为220-235,可短时间用于200丙纶纤维的化学名称为聚丙烯纤维或称为PANF纤维。丙纶纤维是合成纤维中强度最小的一种,耐碱性与耐酸性能好,具有较好的使用温度,在混凝土和路面混凝土中已大量使用。

聚丙烯(PP)纤维具有良好的力学性能和化学稳定性及适宜的产品价格,应用最为广泛。常选用较细的纤维,单丝直径只有12 ~ 18μm,能很好地分散在砂浆中,不需特殊工艺,就能将纤维很均匀地分散开,使用起来很方便,对防止砂浆的水和离析有一定的作用。因这种纤维很细,但在砂浆中的根数很多,非常多的乱排纤维在砂浆中构成一个较密的纤维网,阻止砂浆中各种颗粒的运动,因而有效地防止了砂浆的水和离析。

木质纤维是采用富含木质素的高等级天然木材(如冷杉、山毛榉等)以及食物纤维、蔬菜纤维等,经过酸洗中和,然后粉碎、漂白、碾压、分筛而成的一类白色或灰白色粉末状纤维。木质纤维是一种吸水而不溶于水的天然纤维,具有优异的柔韧性、分散性。在水泥砂浆产品中添加适量不同长度的木质纤维,可以增强抗收缩性和抗裂性,提高产品的触变性和抗流挂性,延长开放时间和起到一定的增稠作用。

复合纤维是以聚丙烯、聚酯为主要原料复合而成的一类新型的混凝土和砂浆的抗裂纤维,被称为混凝土的次要增强筋。随着复合材料的发展,抗裂纤维已开始大量应用于土木工程中。

在水泥砂浆和混凝土中掺入体积率为0.05%~0.2%的复合抗裂纤维时,能产生明显的抗裂、增韧、抗冲击、抗渗、抗冻融及抗疲劳等效果。这些优良的性能在抹灰砂浆、内外墙膩子和嵌缝剂的抗裂、增韧、抗渗方面起着非常重要的作用。

复合抗裂纤维适用于水泥基以及石膏基的抹灰砂浆、抗裂抹面砂浆、内外墙腻子、防水浆、石膏板及轻质混凝土板的嵌缝腻子、保温砂浆等品种。

2.4.5 其他外加剂

对预拌砂浆的性能要求较高,某些砂浆还要求具有多种功能。如自流平砂浆,除要求具有良好的流淌性能,能自动流动找平,还要求早期强度高,收缩小,耐磨,这就需要掺入不同的外加剂来满足其要求。

对于湿拌砂浆,由于砂浆生产厂一般都是每次运输一整车(几个立方米)砂浆到工地, 而目前施工仍采用手工操作,使用砂浆的速度较慢,这就要求运到现场的砂浆有较长的缓凝时间。因此,一般需要掺加缓凝型外加剂来调整砂浆的凝结时间,但又不能影响砂浆强度的正常发展。

在选用砂浆外加剂时,应根据砂浆的性能要求及气候条件,结合砂浆的原材料性能、配合比以及对水泥的适应性等因素进行选取,并通过试验确定其掺量。如防水砂浆通常需要掺加防水剂;灌浆砂浆通常需要掺加膨胀剂等。下面简要介绍几种常用外加剂。

(1) 减水剂

目前使用较为广泛的减水剂种类为:木质素系减水剂、系减水剂、三聚氰胺高效减水剂,以及聚羧酸盐系高效减水剂。

木质素系减水剂

木质素系减水剂主要成分为木质素磺酸盐,包括木钙、木钠和木镁三种,为普通减水剂。其减水率不高,而且缓凝、引气,因此使用时要控制适宜的掺量,否则掺量过大会造成强度下降且不经济,甚至很长时间不凝结,造成工程事故。一般适宜掺量为水泥质量的0.2%~0.3%

系高效减水剂

系、甲基系、系、古马隆系、煤焦油混合物系减水剂,因其生产原料均来自煤焦油中的不同馏分,因此统称为煤焦油系减水剂。此类减水剂皆为含单环、多环或杂环芳烃并带有极性磺酸基团的聚合物电解质,相对分子质量在1500 ~10000的范围内。因磺酸基团对水泥分散性很好,即减水率高,故煤焦油系很好,即减水率高,故煤焦油系减水剂均属高效减水剂的范畴,在适当分子量范围内缓凝、不引气。由于系减水剂生产工艺成熟,原料供应稳定,且产量大、应用广,逐渐占了优势,因而通常煤焦油系减水剂主要是指系减水剂。系高效减水剂喷雾干燥后,可用于灌浆料做流平剂。适宜掺量一般为水泥质量的0.2% ~1.0%

三聚氰胺系高效减水剂

三聚氰胺系高效减水剂(俗称密胺减水剂),化学名称为磺化三聚氰胺甲醛树脂,其性能与系减水剂近似,均为非引气型,且无缓凝作用。其减水增强作用略优于系减水剂, 但掺量和价格也略高于系减水剂。三聚氰胺系高效减水剂喷雾干燥后,已广泛用于灌浆料、自流平砂浆等产品。适宜掺量一般为水泥质量的0.5%~2.0%

羧酸盐系高效减水剂

羧酸盐系高效减水剂是随着高性能混凝土的发展和应用而开发、研制的一类新型高性能混凝土减水剂,它具有强度高,耐热性、耐久性、耐候性好等优异性能。其优点是掺量小、减水率高,具有良好的流动性;保性好,90min内坍落度基本无损失;合成中不使用甲醛,对环境不造成污染。聚羧酸盐系高效减水剂用于预拌砂浆还处于起步阶段。适宜掺量一般为水泥质量的0.05%1.0%

    减水剂的品种繁多,从理论上讲,木质素系、磺酸盐系、密胺系、氨基磺酸盐系、脂肪族系和聚羧酸盐系减水剂都可用作水泥浆体系的分散剂使用,但由于这些减水剂不仅自身分散、塑化和增强效果差异较大,而且与所用水泥、粉煤灰、矿渣粉等存在一定的适应性。更重要的是,预拌砂浆是一种多组分、各组分比例相差悬殊的混合体,尤其是增稠剂和保水剂的存在,大大影响了减水剂的塑化分散效果。当某种组分的增稠剂或保水剂存在于水溶液相中时,某些种类的减水剂不仅无法发挥其应有的塑化效果,有时甚至会使砂浆流动性更差。因此,在生产高流动性砂浆,选择减水剂时,必须经过大量的试验验证,选择最合适的减水剂品种,并确定其最佳掺量。

(2)缓凝剂

缓凝剂按其化学成分可分为有机物类缓凝剂和无机盐类缓凝剂两大类。有机物类缓凝剂是较为广泛使用的一大类缓凝剂,常用品种有木质素磺酸盐及其衍生物、羟基羧酸及其盐(如酒石酸、酒石酸钠、酒石酸钾、柠檬酸等,其中以天然的酒石酸缓凝效果最好)、多元及其衍生物和糖类(糖钙、葡萄糖酸盐等)等碳水化合物。其中多数有机缓凝剂通常具有亲水性活性基团,因此其兼具减水作用,故又称其为缓凝减水剂。无机盐类缓凝剂包括硼砂、氯化锌、碳酸以及铁、铜、锌的硫酸盐、磷酸盐和偏磷酸盐等。

普通水泥砂浆或水泥石灰混合砂浆中的水泥一般为普通硅酸盐水泥,其初凝时间为2h,终凝时间3~4h所以,砂浆的凝结时间在3 ~ 8h。湿拌砂浆的特点是一次生产量大,而目前现场施工大部分为手工操作,施工速度较慢,因此湿拌砂浆在工地不会很快使用完,需要储存在密闭容器中,在规定时间内逐步地使用完。因此,需采用专用缓凝剂来延长湿拌砂浆的可操作时间。湿拌砂浆的凝结时间可根据要求划分8h, 12h24h

湿拌砂浆专用的缓凝外加剂应具有推迟水泥初凝时间的性质,使砂浆在密闭容器内最长可保持24h不凝结,超过上述时间或者砂浆中的水分被吸附蒸发后,砂浆仍能正常凝结硬化。与商品混凝土施工速度快、需求量大的特点不同,预拌砂浆施工速度较慢(目前现场仍采用手工砌筑或抹面的施工工艺),且每次的需求量较少。为使现场的砂浆能保持一定时间的施工性,要求砂浆具有一个时间段的休眠期;但为保证砂浆能满足施工进度的需要,又要求施工后的砂浆能尽快凝结硬化。因此,湿拌砂浆专用缓凝外加剂必须同时具有这两种功能。专用缓凝外加剂品质指标见表2-12

表2-12   专用缓凝外加剂品质指标

项目

氯离子含量(%)

砂浆凝结时间(h)

质量要求

≤0.4

≥24

(3) 引气剂

引气剂属于表面活性剂,可分为阴离子、阳离子、非离子与两性离子等类型,使用较多的是阴离子表面活性剂,常用的有以下几类:

① 松香类引气剂

松香类引气剂系松香或松香酸皂化物与苯酚、硫酸、氢氧化钠在一定温度下反应、缩聚形成大分子,经氢氧化钠处理,成为松香热聚物。

  ② 非松香类引气剂

非松香类引气剂包括烷基苯磺酸钠、0P乳化剂、丙烯酸环氧脂、三萜皂苷。这类引气剂的特点是在非离子表面活性剂基础上引入亲水基,使其易溶于水,起泡性好,泡沫细致, 而且能较好地与其他品种外加剂复合。其中烷基苯磺酸钠易溶于水,起泡量大,但泡沫易于消失。

(4) 消泡剂

消泡剂是一种抑制或消除泡沫的表面活性剂,具有良好的化学稳定性;其表面张力要比被消泡介质低,与被消泡介质有一定的亲和性,分散性好。有效的消泡剂不仅能迅速使泡沫破灭,而且能在相当长的时间内防止泡沫的再生。消泡剂的功能与引气剂相反。消泡剂的作用机理可分为破泡作用与抑泡作用。破泡作用:破坏泡沫稳定存在的条件,使稳定存在的气泡变为不稳定的气泡并使之进一步变大、析出,并使已经形成的气泡破灭。抑泡作用: 不仅能使已生成的气泡破灭,而且能较长时间抑制气泡的形成。

由于预拌砂浆中掺有纤维素醚、可再分散乳胶粉以及引气剂等,在砂浆中引人了一定的气泡;另外,干粉料与水搅拌时也会产生气泡。这就影响了砂浆的抗压、抗折及粘结强度,降低了弹性模量,并对砂浆表面产生了一定影响。有些预拌砂浆产品,对其外观有较高的要求,如自流平砂浆,通常要求其表面光滑、平整,而自流平砂浆施工时,表面形成的气孔会影响最终产品的表面质量和美观性,这时需使用消泡剂消除表面的气孔;又如防水砂浆,产生的气泡会影响到砂浆的抗渗性能等等。因此,在某些预拌砂浆中,可使用消泡剂来消除砂浆中引入的气泡,使砂浆表面光滑、平整,并提高砂浆的抗渗性能和增加强度。

消泡剂的种类很多,如有机硅、聚醚、脂肪酸、磷酸酯等,但每种消泡剂各有其自身的适应性。预拌砂浆是一种强碱性环境,应选用粉状、适合碱性介质的消泡剂。

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