保水增稠材料对再生骨料干混砂浆性能的影响研究

何秀强，黎碧云，凌幸昂

（1.广西建筑材料科学研究设计院有限公司，广西南宁 530007；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西南宁 530007；3.广西交科集团有限公司，广西南宁 530007）

0 引 言

近些年来，由于人们对天然河砂过度开采，导致市场出现河砂供不应求的局面，成为了建筑行业快速发展的一道障碍。另一方面，随着我国城市化进程加快，城市建设中产生了体量十分庞大的建筑垃圾，对生态环境造成了严重的影响。因此，建筑材料的短缺和建筑垃圾的处理成为行业亟待解决的两大难题。以建筑垃圾制备再生骨料并加以应用是解决上述两大难题的有效方式。与天然细骨料河砂相比，再生细骨料颗粒不仅棱角多、表面粗糙，且其孔隙率大、吸水性强。因此，采用再生细骨料制备的干混砂浆相对于普通砂浆而言其保水性常达不到工程需求，此时再生细骨料干混砂浆更依赖于可以提高砂浆保水性能的外加剂。

保水增稠剂被广泛应用于干混砂浆中，用于调节砂浆的稠度、保水性等，减少砂浆泌水及水分散失，提高砂浆的可操作性。其中，纤维素醚和淀粉醚是干混砂浆中最为常见的保水增稠材料。研究表明[1-3]，纤维素醚对砂浆具有较好的保水增稠作用，然而由于纤维素醚还会产生引气效果，这将会增加硬化浆体的孔隙率，降低密实性，从而导致强度降低。淀粉醚对砂浆的增稠效果良好，且其无引气特性，但保持性能较差[4]。黄莉红等[5-6]认为，若适当将纤维素醚和淀粉醚配合使用，可达到二者优势互补的效果，产生较好的协同效应，是保水增稠材料研究发展的方向。此外，以蒙脱石为主体矿物的膨润土具有优异的吸水增稠、悬浮稳定性，不仅对砂浆有保水增稠的作用，而且对提高砂浆的抗渗性能等也有帮助[6]，具备作为预拌砂浆保水增稠矿物外加剂的潜力。但3 种保水增稠材料同时掺加情况下的作用效果未见系统研究。

本文采用正交试验，研究纤维素醚、改性淀粉醚、钠基膨润土3 种保水增稠材料对再生细骨料干混砂浆性能的影响，以期可对相关工程的应用提供参考。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：海螺牌P·O42.5 水泥，实测28 d 抗压强度51.9 MPa；矿渣粉：S95 级，28 d 活性指数为96%，比表面积432 m2/kg；骨料：来源于建筑垃圾，将MU7.5 级废弃混凝土空心砌块采用颚式破碎机破碎并筛分得到，粒径6～10 mm；纤维素醚：甲基纤维素醚，黏度100 Pa·s；改性淀粉醚：80 目通过率为100%，医药级；钠基膨润土：2 h 吸水率≤150%，200 目通过率95%；减水剂：聚羧酸系减水剂，固体，减水率为20.6%。

1.2 干混砂浆配合比

本试验中干混砂浆的基准配合比如表1 所示。

表1 干混砂浆的基准配合比 g

设计L16（43）正交试验，以纤维素醚、改性淀粉醚、钠基膨润土掺量（按占胶凝材料质量计）为因素，以稠度、保水率、拆模密度和28 d 抗压强度为指标，正交试验因素水平见表2。

表2 正交试验因素水平

1.3 试验方法

本试验中新拌浆体的性能测试均在温度（20±2）℃、相对湿度（60±5）%的条件下，参考JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行。浆体拌合完成后，立即进行稠度与保水率测试。成型70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 砂浆试件，室温下养护1 d 后测试其密度，然后置于温度（20±2）℃、相对湿度90%以上的养护箱中养护至规定龄期，再进行抗压强度测试。

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果

正交试验设计及试验结果见表3。

表3 正交试验设计及试验结果

2.2 保水增稠材料对砂浆性能的影响

2.2.1 保水增稠材料对砂浆稠度的影响（见表4）

表4 各因素对砂浆稠度影响的极差分析

由表4 可知：

（1）各因素对砂浆稠度影响的顺序为纤维素醚掺量>改性淀粉醚掺量>钠基膨润土掺量，即影响砂浆稠度的主要因素为纤维素醚掺量。因此，在掺加纤维素醚作为保水增稠材料的砂浆中，应严格控制纤维素醚的掺量。

（2）随着纤维素醚与改性淀粉醚材料的增加，砂浆的稠度均先增大后减小，且二者均在掺量为0.10%时稠度达到最大值，说明在一定的掺量情况下改性淀粉酶可以替代纤维素醚作为保水增稠材料，改善砂浆的性能；随钠基膨润土掺量的增加，砂浆的稠度变化不大，说明钠基膨润土在较小掺量下即可表现出较好的增稠能力。

（3）综合考虑，采用A3B3C2组合为增稠最优方案。

2.2.2 保水增稠材料对砂浆保水率的影响（见表5）

表5 各因素对砂浆保水率影响的极差分析

由表5 可知：

（1）各因素对砂浆保水率影响的顺序为纤维素醚掺量>改性淀粉醚掺量>钠基膨润土掺量，即影响砂浆保水率的主要因素为纤维素醚掺量。

（2）增加钠基膨润土掺量无法提高砂浆的保水性；增加改性淀粉醚掺量可一定程度上提高砂浆的保水性；而增加纤维素醚掺量可以较为显著地提高砂浆的保水性，且随着纤维素醚掺量的增加，砂浆保水率先提高后降低。

（3）综合考虑，采用A3B3C1组合为提高保水率最优方案。

2.2.3 保水增稠材料对拆模密度的影响（见表6）

表6 各因素对砂浆拆模密度影响的极差分析

由表6 可知：

（1）各因素对砂浆拆模密度影响的顺序为纤维素醚掺量>钠基膨润土掺量>改性淀粉醚掺量，纤维素醚掺量对拆模密度的影响显著，且远大于改性淀粉醚和钠基膨润土掺量。

（2）改性淀粉醚掺量对拆模密度无显著影响；随钠基膨润土掺量的增加，拆模密度先稍有提高后降低；随着纤维素醚掺量的增加，砂浆的拆模密度明显降低。这是由于纤维素醚具有较强的引气作用，砂浆在拌合过程中引入了大量气泡[7-10]。在整体体积一定的情况下，由于气泡分布在砂浆中并占据了一部分体积，砂浆的密实度降低，因此纤维素醚掺量越高砂浆的拆模密度越低。膨润土无引气作用，而膨润土的保水作用可减缓砂浆中水分的蒸发散失。

（3）综合考虑，采用A1B3C3组合为增大拆模密度最优方案。

2.2.4 保水增稠材料对砂浆28 d 抗压强度的影响（见表7）

表7 各因素对砂浆28 d 抗压强度影响的极差分析

由表7 可见：

（1）各因素对砂浆28 d 抗压强度影响的顺序为纤维素醚掺量>钠基膨润土掺量>改性淀粉醚掺量。

（2）在0.04%～0.13%的掺量范围内，改变改性淀粉醚和钠基膨润土掺量，砂浆的28 d 抗压强度基本无变化，稳定在12 MPa 左右。纤维素醚掺量对抗压强度的影响最显著，随着纤维素醚掺量的增加，抗压强度几乎呈直线降低。这是纤维素醚的引气作用导致的，纤维素醚的掺加使得新拌水泥砂浆中大孔数量增加；另外，纤维素醚形成的聚合物膜结构可以吸附在气泡界面处，将发挥稳定气泡的作用，使较多的小气泡成功融合在一起，并存留至砂浆硬化阶段[7，11]。这两方面的作用必然会使得硬化浆体孔结构发生改变，即孔隙率增大，从而对硬化体的抗压强度产生负面影响。

（3）综合考虑，采用A1B3C3组合为提高28 d 抗压强度最优方案。

2.2.5 砂浆的最优配合比及性能验证

综合以上结果，纤维素醚对砂浆性能的影响在3 种保水增稠材料中最显著，钠基膨润土对砂浆的性能无显著影响。兼顾考虑各方面性能，并重点考虑再生骨料干混砂浆的保水性，在本试验条件下，纤维素醚的适宜掺量为0.07%～0.10%；改性淀粉醚的适宜掺量为0.10%；膨润土的适宜掺量为0.04%。即最佳组合为A2B3C1或A3B3C1。基于节约原则，确定砂浆保水增稠材料的配合比为A2B3C1：即纤维素醚掺量为0.07%、改性淀粉醚掺量为0.10%、钠基膨润土掺量为0.04%，此时砂浆的稠度为85.4 mm、保水率为91.2%、拆模密度为1853 kg/m3、28 d 抗压强度为13.1 MPa。

3 结 论

（1）纤维素醚对砂浆的稠度、保水率、拆模密度及28 d 抗压强度均有显著影响。对稠度和保水率影响的顺序为：纤维素醚掺量>改性淀粉醚掺量>钠基膨润土掺量；对拆模密度和28 d 抗压强度影响的顺序为：纤维素醚掺量＞钠基膨润土掺量＞改性淀粉醚掺量。

（2）随着纤维素醚掺量的增加，砂浆拆模密度和28 d 抗压强度降低，这与纤维素醚的引气性密切相关。

（3）基于正交试验，保水增稠材料的最优组合掺量为纤维素醚0.07%、改性淀粉醚0.10%、钠基膨润土0.04%，此时砂浆稠度为85.4 mm、保水率为91.2%、拆模密度为1853 kg/m3、28 d抗压强度为13.1 MPa。