近年来,我国经济处于持续快速增长之中,城区改、扩建的规模越来越大,社会主义新农村建设也在有条不紊地进行,在建和筹建中的建筑如雨后春笋般在全国各地不断涌现。根据住建部预估,到2020年,中国新建住宅总面积将超过300亿m^2[1]。

　　 新建建筑持续增加意味着众多建材的需求量不断增加,其中就包括在建筑领域中发挥着重要作用的建筑砂浆。据相关资料介绍,2010年全国商品砂浆的需求量已经高达2 200多万t,其中普通砂浆1 000万t,特种砂浆1 200万t^[2]。现在这个数据还在持续增长之中,因此,资源的庞大需求和建筑成本的增加使得质优价廉的材料受到建筑行业的青睐,降低砂浆的成本,采用更为经济的原材料生产砂浆发展成为一个新的课题,很多从业者开始对建筑砂浆进行研究。

　　 对建筑砂浆进行研究的过程中发现,一方面,我国拥有非常丰富的石灰石资源,在石灰石的开采及加工过程中产生了大量的石屑和石粉,这些石粉的存在不仅会造成资源浪费,还会对环境造成很大危害。很多研究者考虑将这些石粉应用于砂浆生产中,将会带来可观的经济和环境效益。目前,在我国国家标准《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)^[3]中,已允许将一定量的超细石粉作为非活性混合材料掺入水泥中。此外,闫小虎、陈剑雄、Ali A等^[4,5,6]针对超细石粉应用于混凝土已经做出了大量研究;龚春明^[7]通过灰色理论建立了砂浆强度随石粉掺量变化的模型;孙烨^[8]针对石粉特性对砂浆性能的影响进行了一些试验。另一方面,从保护环境的角度考虑,传统的砂浆现场拌制的方法已不适应社会发展的需要,因而预拌砂浆受到了更多从业者的青睐。

　　 在此基础上,本文利用超细石粉代替部分水泥,探寻超细石粉不同取代量对预拌干混砂浆工作性能、力学性能及抗冻性能的影响,分析超细石粉对预拌砂浆各种性能的影响规律,并确定出超细石粉的最适宜取代率。

　　 水泥:采用枣庄某水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥,其具体性能指标见表1。粉煤灰:采用枣庄市电厂生产的Ⅰ级F类粉煤灰,其性能指标见表2。超细石粉:采用枣庄市某爆破公司生产的超细石粉,其性能指标见表3。天然砂:采用枣庄本地河砂,细度模数为2.7,级配Ⅱ区,表观密度2 600kg/m³,堆积密度1 540kg/m³,含泥量1.4%,泥块含量0.5%,且全部通过4.75mm的筛孔。水:取用自来水,符合《混凝土用水标准》(JGJ 63—2006)中的相关规定。保水增稠剂:采用上海某有限公司生产的羟丙基甲基纤维素(HPMC),粘度为10万MPa·s。

　　 试验按照《砌筑砂浆配合比设计规程》(JG/T 98—2010)中相关规定对砂浆配合比进行设计,共设计六种不同的砂浆胶砂比,比例为1∶6,1∶5,1∶4;以超细石粉等质量取代水泥掺入砂浆中,对照组的超细石粉取代率为0%,试验组的超细石粉取代率分别为5%,10%,15%,20%,25%,保水增稠剂HPMC用量为胶凝材料的0.2%,试验通过调节用水量控制预拌砂浆稠度范围处于70～80mm。砂浆具体配合比见表4。

　　 根据上述配合比拌制砂浆,按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)相关要求对砂浆的部分基本性能(表观密度、保水性、2h稠度损失率)、力学性能(标准养护28d立方体抗压强度)、抗冻性能进行测定。其中,立方体抗压强度和抗冻性能试验均采用70.7×70.7×70.7立方体试件,立方体抗压强度试验以3个试件为一组,抗冻性能试验以6个试件为一组。抗冻性能试验按照寒冷地区标准进行35次冻融循环。

　　 依据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)开展试验,试验结果见表5。

　　 预拌砂浆基本性能是评判砂浆合格与否及质量优劣的重要指标,也是保证砂浆良好施工性能的基础。

　　 分析表5中数据可知,试验中,在胶砂比一定的情况下,随着超细石粉取代率的增加,预拌砂浆的表观密度逐渐增大;在超细石粉取代率一定时,随着胶砂比的增大,表观密度增加的幅度逐渐减小;相对于对照组砂浆,胶砂比为1∶6时,超细石粉取代率为25%的预拌砂浆表观密度增大了2.2%,增幅为42kg/m³,胶砂比为1∶4时,表观密度增大了1.4%,增幅为28 kg/m³。

　　 砂浆的保水性是指新拌砂浆在存放、运输和使用过程中能够保持其中水分不致很快流失的能力。保水性不好的砂浆,施工过程中容易泌水、分层、离析、失水导致流动性降低,致使铺摊和挤浆均比较困难,同时在砌筑时水分易被砖迅速吸收,影响胶凝材料的正常硬化,从而降低砂浆的强度^[9]。通常用保水率来衡量砂浆的保水性能,超细石粉取代率对砂浆保水率的影响如图1所示。

　　 由图1可知,在胶砂比一定时,随着超细石粉取代率的增加,砂浆保水率基本呈现出先增大后减小的趋势。胶砂比不同的砂浆,保水率最大值所对应的超细石粉取代率不尽相同,当胶砂比为1∶6,1∶4时,最大保水率对应的超细石粉取代率均为10%,保水率值分别为85.91%和90.04%;在胶砂比1∶5时,最大保水率对应的超细石粉取代率为5%,保水率值为89.97%。同时观察图1可知,超细石粉取代率10%处是该曲线的次大值,其值为89.92%,两者相差较小。除此之外,掺入超细石粉的砂浆,其保水率均高于未掺超细石粉的砂浆的保水率,随着胶砂比的减小,其保水率最大增幅分别为2.4%,3.7%,4.0%,表明胶砂比越小,超细石粉对预拌砂浆保水率的提升作用越明显。

　　 产生上述现象的原因是:相对于水泥而言,超细石粉具有更小的细度,更大的比表面积,石粉颗粒表面张力更大,对水的吸附能力更强,同时砂浆中所用胶凝材料一般较少,导致砂浆中胶凝材料与砂拌合后存在大量空隙,这些空隙一般由水来填充,因此掺入一定量的超细石粉后,预拌砂浆保水率有所增长;而当超细石粉的掺量超过一定量后,胶凝材料与砂之间的空隙被超细石粉所填充,水被“挤出”,因此砂浆保水率又有所下降,最终使砂浆保水率随着超细石粉取代率的增大呈现出先增大后减小的现象。通过分析试验数据,可知使砂浆保水率效果最适宜的超细石粉取代率为10%。

　　 砂浆的稠度是反映砂浆流动性大小的指标,是指砂浆在自重力或外力作用下是否易于流动的性能^[10]。《预拌砂浆》(GB/T 25181—2010)规定,对于预拌砂浆,应满足2h稠度损失率不大于30%。该要求是为了保证砂浆有一个适宜的可操作时间,如果稠度损失大,则工作时间短,可操作时间不足,不能很好地满足施工要求。在本试验所涉及的砂浆配比中,所有砂浆均满足该要求。超细石粉取代率对预拌砂浆2h稠度损失率的影响如图2所示。

　　 由图2可知,在胶砂比一定时,随着超细石粉取代率的增加,砂浆2h稠度损失率基本呈现出先减小后增大的趋势,当超细石粉取代率为10%时,2h稠度损失率达到最低,此时胶砂比为1∶6,1∶5,1∶4的砂浆2h稠度损失率分别为16.0%,17.6%,14.5%。对比砂浆2h稠度损失率与保水率的变化可知,砂浆的2h稠度损失率与保水率的变化基本成反比,在一定范围内,保水率越大,2h稠度损失率越小。

　　 以上现象产生的原因是:一方面,超细石粉密度要比水泥小,超细石粉等质量取代水泥后,预拌砂浆中浆体的体积增大,改善了砂浆的流动性;另一方面,虽然有学者研究证明超细石粉也具有活性,能够参与水化反应,但超细石粉的活性相比水泥较低,水泥被超细石粉取代后,砂浆中的水泥总用量减少,拌合物体系的反应速率有所降低,稠度损失减小;除此之外,超细石粉的保水作用也对砂浆2h稠度损失率降低做出了贡献。

　　 超细石粉取代率对预拌砂浆标准龄期抗压强度的影响如图3所示。由图3知,掺入超细石粉后,各胶砂比条件下预拌砂浆立方体抗压强度均呈现出下降的趋势;不考虑对照组,仅对试验组预拌砂浆进行分析,随着超细石粉取代率的增大,砂浆立方体抗压强度先增大,在超细石粉取代率10%～15%附近出现最大值,其中胶砂比1∶6的砂浆在超细石粉取代率为10%下强度为8.5MPa,胶砂比1∶5的砂浆在超细石粉取代率为10%下强度为11.1MPa,胶砂比1∶4的砂浆在超细石粉取代率为15%下强度为17.8MPa,之后超细石粉取代率继续增大时,砂浆立方体抗压强度开始下降。

　　 由于超细石粉活性较小,取代水泥后,总体水化反应减少,导致试验组砂浆强度低于对照组砂浆。当超细石粉取代率低于5%时,由于石粉较少,性能难以发挥。随着超细石粉取代率达到10%,超细石粉的填充效应、微晶核效应发挥作用:一方面,超细石粉充填了砂浆孔隙,优化了砂浆级配,使砂浆更加密实;另一方面,超细石粉的微晶核效应为水泥的水化提供成核基底,促进了水泥水化,砂浆的强度有所提升。超细石粉取代率继续增大,超过15%后,由于水泥用量过少,而超细石粉的填充效应、微晶核效应达到一定限值,导致强度再一次下降。

　　 在超细石粉取代率为10%～15%附近,砂浆胶砂比由1∶6增大至1∶4,砂浆28d立方体抗压强度分别下降了4.5%,7.5%,8.2%,表明胶砂比越大,超细石粉取代率对砂浆立方体强度的影响越大,同时超细石粉取代率在10%～15%附近,砂浆强度虽然有所降低,但降幅较小,在可接受范围内。

　　 《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)中规定砂浆冻融试验包括两个指标,即强度损失率Δf_m和质量损失率Δm_m,且Δf_m≤25%,Δm_m≤5%。本试验在枣庄地区完成,预拌砂浆试件应该在28d龄期进行35次冻融循环试验后测定Δf_m和Δm_m。测定结果见表5,超细石粉取代率对强度损失率和质量损失率的影响如图4和图5所示。

　　 由试验结果可知,当超细石粉取代率为25%时,本试验中砂浆试块经35次冻融循环后最大强度损失率为16.73%,最大质量损失率为1.01%,均未超出指标要求,说明抗冻性能均符合标准要求。由图4中强度损失率的变化可知,掺入超细石粉对预拌砂浆抗压强度的影响较大,随着超细石粉取代率的增大,强度损失率整体趋向于增大。由图5可知,预拌砂浆质量损失率随着超细石粉取代率的增加同样呈现增大的趋势。从图5中不难看出,胶砂比越小,超细石粉对砂浆抗冻性能的影响越大。

　　 (1)利用超细石粉取代水泥应用于预拌砂浆中,既可以降低产品成本,有较好的经济效益,又能够降低资源消耗,保护环境,实现环境效益。

　　 (2)超细石粉对预拌砂浆工作性能有较好的促进作用,随着超细石粉取代率的增加,预拌砂浆保水率先增大后减小,2h稠度损失率先减小后增大;当超细石粉取代率为10%时,胶砂比为1∶6,1∶5,1∶4的保水率最大,分别为85.91%,89.92%和90.04%,此时预拌砂浆保水性能最好,因此将超细石粉作为保水性外加剂,既能提高砂浆性能,又能大幅度降低砂浆成本。

　　 (3)超细石粉取代水泥,预拌砂浆抗压强度会有所降低;但在超细石粉取代率为10%～15%时,由于超细石粉的填充效应和微晶核效应能够发挥较好的作用,砂浆强度又有所回升,此时抗压强度降幅较小,胶砂比1∶6,1∶5,1∶4的砂浆强度仅降低4.5%,7.5%,8.2%,与对照组砂浆抗压强度基本处于同一强度级别。

　　 (4)超细石粉对预拌砂浆抗冻性能具有不利影响,随着超细石粉取代率的增大,预拌砂浆抗冻性能逐渐变差,但超细石粉取代率在15%以下时砂浆仍然有较好的抗冻性能。