高精砌块专用抹面聚合物水泥砂浆配合比设计

陈成文　赵朋涛　邵立荣　单俊伟　景宏君

摘 要：高精度蒸压加气混凝土砌块（高精砌块）与专用抹面砂浆的结合在一定程度上可以减少抹灰面厚度，有助于高效实现建材行业碳达峰、碳中和目标。为了探究最优砂浆配合比，从材料组成设计出发，利用粉煤灰、生石灰、重钙等低碳低成本材料和VAE替代部分水泥配制高精砌块专用抹面聚合物水泥砂浆。根据不同材料与不同掺量设计五因素四水平的正交试验，并对保水性试验、收缩性试验、抗冻性试验结果进行分析，确定水胶比为0.45、粉煤灰掺量为20%、生石灰掺量为3%、重钙掺量为9%、VAE掺量为3%。最终确定了专用抹面砂浆的最优配合比，即水、水泥、粉煤灰、生石灰、重钙、VAE、砂、空心漂珠、羟丙基甲基纤维素、淀粉醚的质量比为450∶620∶200∶30∶90∶30∶1 800∶200∶4∶1；
根据此配合比配制的聚合物水泥砂浆，当砂浆厚度仅为4 mm时，通过14 d拉伸粘结强度试验测得的砂浆强度便可满足现行规范的要求。

关键词：薄抹灰；
聚合物水泥砂漿；
正交试验；
保水性；
拉伸粘结强度

中图分类号：TU 528 文献标识码：A 文章编号：1672-7312（2023）03-0356-08

High-precision Block Special Plaster Polymer Cement Mortar Mix Ratio Design

CHEN Chengwen1，ZHAO Pengtao1，SHAO Lirong1，SHAN Junwei2，3，JING Hongjun2，3

（1.Xian Construction Seventh Construction Group Co.，Ltd.，Xian  710086，China；

2.College of Architecture and Civil Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian  710054，China；

3.Road Engineering Research Center，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：The combination of high-precision autoclaved aerated concrete block （high-precision block） and special plastering mortar can reduce the thickness of plastering surface to a certain extent，and help to effectively achieve the goal of carbon peak and carbon neutralization in the building materials industry.In order to explore the optimal mortar mix ratio，this paper starts from the material composition design，and uses low-carbon and low-cost materials such as fly ash，quicklime，heavy calcium and redispersible rubber powder

were used instead of some cement to prepare high-precision block special plaster cement mortar.According to the orthogonal experiments of five factors and four levels of different materials and dosages，and the results of water retention test，shrinkage test and frost resistance test were analyzed.It was determined that the water-adhesive ratio was 0.45，the fly ash content was 30%，the quicklime content was 3%，the heavy calcium content was 9%，and the redispersible rubber powder content was 3%.The optimal mix of the final special plastering mortar is：water，cement，fly ash，quicklime，heavy calcium，redispersible rubber powder，sand，hydroxypropyl methylcellulose，Starch ether mass ratio of 450∶620∶200∶30∶30∶90∶30∶1 800∶4∶1.According to this ratio of the polymer cement mortar，when the mortar thickness is only 4 mm，the mortar 14d tensile bonding strength measured by the tensile bonding test exceeds the current specification.

Key words：thin plastering；
polymer cement mortar；
orthogonal experiments；
water retention；
tensile bond strength

0 引言

传统的蒸压加气混凝土砌块（Autoclaved Aerated Concrete，AAC）是一种以粉煤灰（或者河砂、矿渣）、石膏、生石灰、水泥等为主要原材料，以铝粉作为发气剂，经过浇注、静停、切割、蒸养等多道工艺形成的一种多孔块状材料[1]。作为我国正在大力推崇的一种建材，在我国已经有50多年的发展历史，并且具有轻质、保温、隔音效果好等优点。但目前工厂生产的加气混凝土砌块质量参差不齐，需要一层较厚的抹面砂浆才能达到墙面平整度要求，然而较厚的抹灰面和较多的现场湿作业与建筑材料的可持续发展相悖。但高精度蒸压加气混凝土砌块（High Precision Autoclaved Aerated Concrete）（简称“高精砌块”）与专用抹面砂浆的结合一定程度上可以减少抹灰面厚度，是高效实现建材行业碳达峰、碳中和目标的重要途径之一。因此，研制一种高精砌块薄抹灰专用抹面砂浆显得尤为重要。

在普通抹面砂浆中掺入聚合物，可以改善砂浆的柔韧性和流动性，这一点对抹面砂浆具有重要意义，也为研制高精砌块薄抹灰专用抹面砂浆奠定了基础。我国众多学者都为此做了大量有益的研究。例如，曾剑波配制的聚合物抹面砂浆收缩性能优于普通抹面砂浆，抗压强度和抗折强度略低于普通抹面砂浆，认为其综合性能要比普通抹面砂浆良好[2]；
史建军等模拟东北环境，对聚合物水泥砂浆试块进行不同循环次数的冻融试验，再将经过冻融试验的砂浆试块进行拉伸粘结试验，分析其结果，认为聚合物水泥砂浆试块的粘结性能与冻融循环次数成反比，与胶粉含量成正比[3]；
陈方宇分析了聚合物水泥砂浆试块经100次冻融循环之后的破坏程度[4]；
杨瑞芳对比聚合物水泥砂浆和普通砂浆断裂韧性的测试结果，发现聚合物砂浆断裂能是普通砂浆的1.2～2.6倍，认为聚合物的掺入提高了砂浆的断裂韧性[5]；
王波研究了聚合物的掺入量对强度的影响，认为掺入量达到2%时，聚合物水泥砂浆的粘结强度及抗折强度都得到了大幅度的提高，可以更好的在工程中应用[6]；
徐佳伟研究了聚合物材料对砂浆抗压强度、收缩率等的影响[7]；
林杰生研究了高聚灰比和低聚灰比对断裂延伸率的影响[8]；
李经政研究聚合物水泥砂浆的微观结构及性能，考察了其水泥水化情况[9]；
尹征龙等分析了不同聚合物对砂浆相关机理的影响[10]；
王培铭等介绍了可再分散乳粉对砂浆的工作性能等的影响[11]；
张逯见研究了水灰比对聚合物水泥砂浆流动性等的影响[12]。

国外学者也对聚合物水泥砂浆做了较多研究。例如，SPYCHA等在抹面砂浆中掺入了石灰和纤维素醚，发现掺加前后的保水性在同一水平，认为砂浆的粘结强度得到了很大的改善[13]；
MEYST等在胶凝材料中掺入聚合物，通过试验发现含聚合物的砂浆7天后的自收缩与不含聚合物的砂浆相比减少了97%，认为聚合物的掺入减轻了砂浆的自收缩影响[14]；
RASHID等探索了聚合物水泥砂浆在高温（例如60 ℃）条件下短、中时间内的工作行为以及对聚合物水泥砂浆进行分裂拉伸试验，研究水泥砂浆与混凝土结合面的界面性能[16]；
JO研究了普通水泥砂浆与聚合物水泥砂浆的抗拉能力在不同条件下的变化，发现聚灰比和聚合物类型对聚合物水泥砂浆的拉伸附着力影响最大[17]；
KNAPEN 探索了聚合物薄壳形成的机理以及薄壳与水泥砂浆之间的相互作用[18]；
BRIEN等研究了不同聚合物对水泥砂浆拉伸粘结作用的影响 [19]；
KIM等研究了聚合物砂浆的在高温下的工作性能和燃烧特性[20]；
ODERA等研究了聚合物水泥砂浆不同工艺参数与抗压强度的相关性[21]；
HATUNGIMANA等研究了水灰比对聚合物水泥砂浆的影响[22]；
ASAD等研究了碳纤维聚合物水泥砂浆在弯曲作用下的表现特征[23]。还有一些国内外学者进行了磷酸镁水泥用于加气混凝土砌块专用抹灰砂浆的研究[24]，也获得了很多有效的结果。

分析当前的这些研究成果，关于聚合物水泥砂浆（Polymer Cement Mortar，PCM）当作专用抹面砂浆的研究在国内外比较少见。为此，采用聚合物水泥砂浆作为高精砌块薄抹灰专用抹面砂浆，经保水性、收缩性、抗冻性测试，对配合比进行优化，以期得出一个最优配合比，再对不同厚度的抹面砂浆试块进行拉伸粘结强度试验，并给出一个最小抹灰厚度建议值。

1 试验概况

1.1 原材料

试验材料主要为P.O 42.5普通硅酸盐水泥、特细砂（细度模数1.25以下）、Ⅱ级粉煤灰、生石灰、重钙、20目～40目粉煤灰空心漂珠。其中粉煤灰可以改善施工的和易性，便捷施工，其主要化学组成见表1，基本性能见表2；
生石灰可以充分地激发粉煤灰的活性，使粉煤灰的利用最大化；
粉煤灰空心漂珠除具有质轻、保温、绝热、防火的优异性能外，还具有不燃烧，强度高，吸水率低，和易性好、使用寿命长的优点，是一种环保型的新型无机轻质绝热材料。

添加剂主要为羟丙基甲基纤维素、淀粉醚、可再分散乳胶粉（VAE）。羟丙基甲基纤维素配合淀粉醚使用，既有保水增稠的作用，还可以改善施工的和易性，羟丙基甲基纤维素基本性能见表3。可再分散乳胶粉（VAE）可以有效地提高砂浆的粘结性能，改善砂浆柔韧度，达到薄抹灰效果。

2 主要性能測试方法

2.1 砂浆配合比正交试验

根据前期大量试验，将胶砂比固定在1∶2，空心漂珠掺量固定为砂的10%（其余掺量百分比均以水泥质量为基准），羟丙基甲基纤维素的掺量为0.4%，淀粉醚的掺量为0.1%，为保证施工和易性，当水胶比0.35时，减水剂的掺量为2%；
水胶比0.45时，减水剂掺量为0.7%，水胶比0.55和0.65时，不掺减水剂。正交试验选取水胶比、粉煤灰掺量、生石灰掺量、重钙掺量、VAE掺量5个因素，各因素均为四水平。正交试验各因素水平见表4，正交试验配合比设计见表5。

2.2 保水性试验

保水性按《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70—2009）规定测试：将干燥试模和下部不透水片放在电子天平上去皮，紧接着在试模中装入拌制好的砂浆，插捣数次，使砂浆略高于试模上边缘，用抹刀以45°将多余的砂浆抹去，再用抹刀在反方向将砂浆刮平，称取试模内的质量（m3-m1），再称取15片滤纸的质量m2，将15片滤纸盖在砂浆表面的滤网上，用2 kg的重物将上部不透水片和滤纸压住，同时用秒表开始计时，静置2 min后移去上部不透水片再称取15片滤纸质量m4。

3 抹面砂浆主要性能测试结果分析

3.1 保水性分析

抹面砂浆一般以薄层形式出现，与空气接触面积较大，因此水分极易挥发，故测试砂浆的保水性非常有必要，对不同因素水平的保水性测试结果极差分析见表6。可知，就保水率单一指标而言，影响因素顺序依次为水胶比、生石灰掺量、粉煤灰掺量、重钙掺量和VAE掺量。不同因素水平的保水率曲线如图1所示。

由图1可知，当水胶比由水平1增加至水平4时，保水率分别提高了0.34%、0.31%、0.30%，可见水胶比的增大能有效地提升砂浆的保水性，且曲线在水平2处取得最大值，到达水平2后，随着水胶比的继续增大，保水率逐渐减小，最终会趋于稳定。随着粉煤灰的掺入，砂浆保水率持续上升，粉煤灰掺量达到水平3以后，保水率基本不在变化。不同生石灰掺量的保水率变化曲线呈现先增大后减小的趋势，在水平2处取得最大值，随着掺量的继续增加，砂浆保水率将低于水平1（未掺状态）。重钙的加入，会使砂浆保水率持续上升，但根据前期试验结果，当重钙掺量大于水平4后，砂浆的强度水平较低，故不在考虑大于水平4的掺量。不同VAE掺量的保水率变化曲线呈现先增大后减小的趋势，且在水平2处取得最大值，VAE掺量大于水平2后，砂浆保水率会出现下降趋势。

3.2 收缩性分析

由表7可知，就自然干燥收缩值单一指标而言，水胶比与VAE掺量影响程度几乎一致，粉煤灰掺量、生石灰掺量和重钙掺量的影响程度次之。

由图2可知，不同水平水胶比的自然干燥收缩值呈现先下降再上升的趋势，在水平2处出现拐点，达到最小值。粉煤灰的掺入减少了砂浆的自然干燥收缩值，且自然干燥收缩值随掺量的增大逐渐减小。对于生石灰和重钙，二者的变化趋势相似，均在水平1（未掺状态）取得最小值，且水平2和水平3处数值相近，这表明生石灰和重钙的掺入并不能明显地改善砂浆的自然干燥收缩性能。VAE的掺入使自然干燥收缩值增大，在水平1到水平2处增大速率较慢，到达水平3之后自然干燥收缩值几乎不再增大。

3.3 抗冻性分析

抹面砂浆研制过程中一般用强度损失率来衡量其抗冻效果，各因素水平对不同龄期砂浆强度损失率结果极差分析见表8。影响7 d强度损失率的因素顺序依次VAE掺量、粉煤灰掺量、水胶比、重钙掺量和生石灰掺量。影响28 d强度损失率的因素顺序依次为水胶比、生石灰掺量、VAE掺量、重钙掺量、粉煤灰掺量。

由图3可知，随着水胶比的增大，7 d和28 d的强度损失率均呈现先减小后增大的趋势，水胶比0.45时的损失率最為突出，7 d强度损失率较0.35减小了3.27%，28 d强度损失率较0.35减小了1.54%，此时表现出优异的抗冻性，因此选取水胶比0.45更为合适。

由图4可知，掺入粉煤灰后，砂浆试件7 d和28 d强度损失率随粉煤灰掺量先减小，当粉煤灰掺量达到20%时，砂浆试件7 d强度损失率达到最小（13.91%），28 d强度损失率达到最小（11.03%），综合考虑之下，选取粉煤灰掺量为20%更为合适。

由图5可知，砂浆试件7 d强度损失率在生石灰掺量为3%时达到最小（14.92%），此时28 d强度损失率也达到最小（9.78%），综合考虑之下，选取生石灰掺量为3%更为合适。

由图6可知，砂浆试件7 d和28 d强度损失率均随着重钙掺量的增加而减小，且在重钙掺量为9%时达到最小（14.81%、11.14%），重钙掺量在6%到9%时，28 d强度损失率减小了0.16%，由此推测，当重钙掺量大于9%时，随着掺量的继续增加，强度损失率会趋于平缓，甚至提高。因此，选取重钙掺量为9%更为合适。

由图7可知，VAE掺量大于6%，砂浆试件7 d强度损失率均以接近25%，由于早期强度损失率过大，此处不再考虑掺量为6%以上的情况。当VAE掺量为3%时，抹面砂浆在不同龄期均有较好的抗冻性。

综合以上分析，根据砂浆保水性、收缩性、抗冻性各评价指标，最终可以确定水胶比为0.45、粉煤灰掺量为20%、生石灰掺量为3%、重钙掺量为9%、VAE掺量为3%，最终专用抹面砂浆最优配合为：水、水泥、粉煤灰、生石灰、重钙、VAE、砂、空心漂珠、羟丙基甲基纤维素、淀粉醚的质量比为450∶620∶200∶30∶90∶30∶1 800∶200∶4∶1。

4 最小抹灰厚度建议值

根据保水性试验、收缩性试验、抗冻性试验结果，得出最优配合比，即水、水泥、粉煤灰、生石灰、重钙、VAE、砂、空心漂珠、羟丙基甲基纤维素、淀粉醚的质量比为450∶620∶200∶30∶90∶30∶1 800∶200∶4∶1。根据此配合比配制厚度分别为3 mm、4 mm、5 mm、6 mm的试块，进行拉伸粘结强度试验，图8为不同厚度拉伸粘结强度试验结果。

由图8可知，砂浆厚度为3 mm、4 mm、5 mm、6 mm时，砂浆14 d拉伸粘结强度值分别为0.24 MPa、0.31 MPa、0.35 MPa、0.36 MPa。可见，随着砂浆厚度的增加14 d拉伸粘结强度也逐渐增大，并且砂浆厚度为4 mm时，砂浆14 d拉伸粘结强度为0.31 MPa，已经满足《预拌砂浆》（GBT 25181）的强度要求。

5 结语

1）保水性试验结果表明，水胶比由0.35增加至0.45、0.55、0.65时，保水率分别提高了0.34%、0.31%、0.30%，可见水胶比的增大能有效提升砂浆的保水性，生石灰、粉煤灰、重钙和VAE的掺入使砂浆的保水性均优于未掺。

2）根据保水性、收缩性、抗冻性试验结果，得出最优配合比，即水、水泥、粉煤灰、生石灰、重钙、VAE、砂、空心漂珠、羟甲基纤维素、淀粉醚的质量比为450∶620∶200∶30∶90∶30∶1 800∶200∶4∶1。

3）文中开发的配合比，抹灰厚度远远小于实际工程中的抹灰厚度，砂浆厚度仅为4 mm时便能满足现行规范《预拌砂浆》（GBT 25181）中的14 d拉伸粘结强度要求。

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（责任编辑：王强）

收稿日期：2023-01-12

基金项目：国家自然科学基金项目（42072319）

作者简介：陈成文（1974—），男，陕西西安人，高级工程师，主要从事聚合物改性水泥基材料方面的研究工作。

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