ECC型自保温干混砂浆的制备与性能表征①

李亚辉，雷团结，钱元弟，裴立宅，樊传刚

(1.马鞍山17冶科技工程有限公司，安徽马鞍山243000；2.安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山243002)

住宅产业化可使建筑的建设速度和质量大幅度提高，是建筑发展的趋势。目前我国借鉴欧洲的PC技术和日本的SI技术，也在加快国内住宅产业化进程[1]。住宅产业化建筑的主要部件如梁、柱、墙体等需要在专门工厂预先加工，然后运到施工现场进行组装，因此构件连接是住宅产业化建筑(即“装配式建筑”)建设的关键技术之一，其中各种形式的连接砂浆是PC构件组装的主要连接材料。在PC构件组装过程中，PC件可在工厂事先加工，其产品质量能得到有效控制，因此装配式建筑的连接部分是控制其质量好坏的瓶颈环节[2]。

砂浆同普通混凝土材料一样，属于脆性材料，存在拉压比低、干缩变形大、抗渗性、抗裂性、耐腐蚀性差及不具保温性能等缺点，将其直接应用于PC件连接时，会给住宅产业化建筑带来结构安全方面的隐患[3]。ECC(工程水泥基复合材料)材料中，通过将聚乙烯醇(PVA)等短纤维在材料中乱向分布，可使ECC材料的力学性能明显提高，收缩率显著下降，并且具有较强的抗裂和抗震性[4]。若将高韧性水泥基复合材料(High Toughness Cementitious Composites，简称THCC)增强原理运用于连接砂浆，PC构件连接质量将会显著提高。本课题组在次轻混凝土的制备中发现：用适量的细轻集料替代普通细集料，获得的次轻混凝土试样的力学性能没有下降，其导热系数下降1/3～1/2，提高了普通混凝土的保温性能[5]。因此笔者以木质素短纤维为增强成分，用部分膨胀珍珠岩颗粒替代普通细集料干砂，对普通干混砂浆进行改进。

1 试 验

1.1 原材料

“海螺牌”42.5R级普通硅酸盐水泥，基本性能见表1；粉煤灰，安徽马鞍山第二发电厂排出的I级干灰，基本性能见表2；烘干砂，细度模数为2.68，堆积密度1550kg/m3，表观密度2430kg/m3，含泥量为0.7%(质量分数)，级配为连续级配；膨胀珍珠岩，产地信阳，最大粒径为2mm，堆积容重150kg/m3；木质素纤维，纤维长度3～8mm，纤维直径5mm；羧丙基甲基纤维素(HPMC)，黏度150 000mPa·s；自来水。

表1 水泥的基本性能指标Tab.1 Basic properties of cement used in the experiment

表2 粉煤灰的基本性能指标Tab.2_ Basic properties of fly ash used in the experiment

1.2 试样的制备与表征

采用的干混砂浆灰砂比(胶凝材料与砂质量比)为1:3，胶凝材料与水质量比为2:1；干混砂浆中粉煤灰替代水泥量为20%(质量分数)，HPMC为外掺，掺加量为胶凝材料质量的0.5%，制备试样的配比中，膨胀珍珠岩取代砂的体积分数分别为0%(A1，B1)，5%(A2，B2)，10%(A3，B3)，15%(A4，B4)和20%(A5，B5)。不同组分砂浆试样的配合比见表3，其中A组样品配比中含短纤维，短纤维占胶凝材料质量的0.05%，B组样品中不含短纤维。

表3 不同砂浆试样的配比Tab. 3 Ingredients of different resulting mortar specimens

按表3中的配比分别称取粉煤灰、水泥、HPMC和木质素纤维(A组样品)，搅拌2min，然后加入称取的膨胀珍珠岩颗粒搅拌1min，再加入干砂搅拌2min后制成干混砂浆样品。

在水泥胶砂搅拌机中将上述干混砂浆样品加水搅拌，加水量为225 g，搅拌3min，得到湿砂浆样品。将其填充到成型模具，24 h后进行试样脱模、养护，并测试试样的28d抗折强度、抗压强度等。试验中的成型模具为40mm×40mm×160mm三联试模，试样养护温度为(20±2)℃。硬化砂浆试样的干燥收缩率按照《建筑砂浆基性能试验方法》(JGJ/T70—2009)中要求进行测试；使用杭州大华仪器制造有限公司生产的YBF-3型导热系数测定仪测定硬化砂浆试样的导热系数，测试方法为稳态法，试样尺寸为Φ13.5cm×4cm。用SEM方法观察28d龄期的硬化砂浆样品微观结构形貌(JSM-6490LV，日本电子公司)。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

图1为硬化砂浆试样28d抗压强度随膨胀珍珠岩含量变化的关系。从图1可以看出，对于未掺加膨胀珍珠岩的样品，含有纤维时，抗压强度略有降低，其中：不含纤维B组试样的抗压强度随着膨胀珍珠岩含量增加逐渐降低，从37.1MPa(φ(膨胀珍珠岩)=0%)下降到33.2MPa(φ(膨胀珍珠岩)=20%)；A组试样的28d抗压强度却随着膨胀珍珠岩含量的增加而增大，并在φ(膨胀珍珠岩)=15%时达到最大值，38.0MPa，然后开始下降。

图2为硬化砂浆试样28d抗折强度随膨胀珍珠岩含量变化的关系。由图2可看出：A组试样(有纤维)28d抗折强度随着膨胀珍珠岩含量增加基本趋于稳定，约为6MPa；而B组试样(无纤维)28d抗折强度随着膨胀珍珠岩含量增加而逐渐降低，由5.4MPa(φ(膨胀珍珠岩)=0%)下降到4.3 MPa(φ(膨胀珍珠岩)=20%)。

图1 膨胀珍珠岩含量对硬化砂浆试样28 d抗压强度的影响Fig.1 Influence of content of expanded perlite on 28 d compressive strength of hardened mortar specimens

图2 膨胀珍珠岩含量对硬化砂浆试样28 d抗折强度的影响Fig.2 Influence of different content of expanded perlite on 28 d compressive strength of hardened mortar specimens

膨胀珍珠岩属于轻质多孔材料，自身强度较低，用其来替代砂，会导致硬化砂浆试样力学性能的降低。但在A组试样中，由于增强短纤维的存在，且在试样中杂乱分布成网络状，加强了各微区的连接作用，从而使试样的力学性能提高。另外，膨胀珍珠岩的吸水率很高(浸泡24h，吸水率可达261%)[6]，在胶凝材料反应后期，外界不能提供反应所需充足水分的情况下，膨胀珍珠岩中的水分会缓慢释放，使未完全水化的胶凝材料继续水化，从而起到改善硬化砂浆试样力学性能的作用φ(膨胀珍珠岩)=20%时，即使不掺加纤维，试样28d抗压强度也能达到29.1MPa，接近M30的保温砂浆强度指标。

和未掺纤维的B组试样相比，掺纤维后，A组试样的力学性能(尤其是抗折强度)改善较为明显。A组试样中的短纤维能够跨越试样内部的微细裂缝，对裂缝起到约束作用，从而可达到阻止裂缝扩展的目的[4]，提高硬化砂浆试样的力学性能。

2.2 干缩率

膨胀珍珠岩吸水后体积膨胀，失水后体积缩小，所以膨胀珍珠岩的加入会影响砂浆硬化试样的干缩率。图3为硬化砂浆试样的干缩率随膨胀珍珠岩含量变化的关系。从图3可以看出，无论是否掺加纤维，随着膨胀珍珠岩含量的增加，试样的干缩率增大，其中A组试样的干缩率在0.09%～0.11%变化，而B组试样在0.08%～0.1%之间变化。产生差异的原因是A组试样中纤维为木质素纤维，该纤维也有较高的吸水率，干燥过程中其也会脱水收缩，导致含纤维试样的干缩率增大。上述干缩率值远小于相应标准[7]中规定的干混砂浆下限值(0.2%)，这是因为A，B组试样中含占胶凝材料质量20%的粉煤灰，在早期反应能力低，但在后期，水泥水化释放出的Ca(OH)2与粉煤灰中的活性组分反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，使砂浆的pH值降低，这一方面可减少碳化收缩，另一方面使砂浆中界面结构致密，失水量降低，干缩率下降。文献[8]的研究也表明，粉煤灰能够有效降低水泥基材料的自收缩。

2.3 导热性能

导热系数是衡量砂浆保温性能最重要的指标。膨胀珍珠岩本身是多孔轻质材料，导热系数小(0.047～0.074W/(m·K))，故膨胀珍珠岩部分代替砂，可降低硬化砂浆试样导热系数。图4为硬化砂浆试样的导热系数随膨胀珍珠岩含量变化的关系。从图4可看出：当φ(膨胀珍珠岩)=0%，A，B2组试样的导热系数分别为1.40，1.49W/(m·K)；随膨胀珍珠岩含量的增加，2组试样的导热系数逐渐下降；当φ(膨胀珍珠岩)=20%时，A，B试样的导热系数分别下降到0.52，0.64W/(m·K)(即分别下降了63%和57%)；另外，掺加的木质素纤维也能起到降低试样导热系数的作用，这主要是因为木质素纤维的导热系数(为0.1～0.2W/(m·K)[9])比砂和水泥胶凝成分低1个数量级。

图3 膨胀珍珠岩含量对硬化砂浆样品干缩率的影响Fig.3 Influence of content of expanded perlite on dry shrinkage of hardened mortar specimens

图4 膨胀珍珠岩含量对硬化砂浆试样导热系数的影响Fig.4 Influence of content of expanded perlite on heat conductivity of hardened mortar specimens

2.4 微观形貌

图5 为φ(膨胀珍珠岩)=5%时砂浆硬化试样断面照片。从图5可看出，膨胀珍珠岩颗粒和胶结基质之间没有因为前者失水后收缩产生的间隙存在，这也是适量膨胀珍珠岩颗粒加入砂浆后，试样强度没有明显降低的原因之一。图6为φ(膨胀珍珠岩)=5%时硬化砂浆试样截面的SEM照片。从图6可看出，水泥水化产物沿着纤维表面生长，该水化产物(主要由氢氧化钙晶体与水化硅酸钙凝胶组成)增加了纤维与基体之间的摩擦力，即纤维可将水化产物绑固为一体，起到防止界面处裂纹产生与扩展的作用，且膨胀珍珠岩颗粒与基体之间没有出现干缩脱接，该特征有助于含木质素纤维和膨胀珍珠岩颗粒的ECC型自保温干混砂浆施工后力学性能的提高。

图5 φ(膨胀珍珠岩)=5%的砂浆硬化试样断面照片Fig.5 Photos of cross-section of the hardenedmortar specimens withφ(EP)=5%

图6 φ(膨胀珍珠岩)=5%的硬化砂浆试样截面的SEM照片Fig.6 SEM photos of cross-section of the hardenedmortar specimens with φ(EP)=5%

3 结 论

在普通干混砂浆中掺加木质素纤维和膨胀珍珠岩颗粒，制备ECC型自保温连接砂浆样品，并对其性能进行系统表征，得出：

1)加入占胶凝材料质量0.3%的木质素纤维，能够显著改善自保温砂浆的力学性能，尤其是抗折性能，但使硬化试样的干缩率轻微增大；

2)用少量膨胀珍珠岩(体积分数为5%)代替等体积的中砂，硬化砂浆试样的干缩率增大1倍；在膨胀珍珠岩体积分数由5%增加到20%时，试样的干缩率变化趋于稳定；

3)当φ(膨胀珍珠岩)<15%时，膨胀珍珠岩能提高含纤维硬化砂浆试样的28 d抗压强度；当φ(膨胀珍珠岩)>15%时，试样的28d抗压强度会降低；当φ(膨胀珍珠岩)=15%时，硬化砂浆试样的28d抗压强度为38MPa，抗折强度为6.1MPa；

4)将膨胀珍珠岩颗粒和木质素纤维加入干混砂浆，均能降低砂浆硬化样品的导热系数，使干混砂浆具有保温功能，当试样中φ(膨胀珍珠岩)=20%及木质素纤维占胶凝材料质量的0.3%时，所获得硬化砂浆试样的导热系数仅为硬化基准砂浆样品的1/3。

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