论述矿物掺合料对装饰砂浆抗泛碱性能影响

王 娜 常学敏 韩知音

论述矿物掺合料对装饰砂浆抗泛碱性能影响

王 娜 常学敏 韩知音

（青岛黄海学院，山东 青岛 266427）

装饰砂浆作为一种新型建筑墙体装饰材料，其中的无机胶凝材料一般为硅酸盐或铝酸盐水泥等水泥基材料，在使用中易出现泛碱问题，使装饰效果受到一定的影响。国内外的研究者分析泛碱的产生原因，从装饰砂浆的原材料种类、配合比、外加剂和养护条件等方面来提高抗泛碱性。本文主要论述惰性掺合料、工业废渣、纳米矿物材料对于装饰砂浆抗泛碱机理的研究。装饰砂浆抗泛碱的主要途径：一方面利用矿物掺合料代替水泥，从而减少碱的产生；另一方面利用矿物掺合料的火山灰质特性消耗水泥水化产生的碱（Ca(OH)2）。矿物掺合料的细度控制，利用其微集料效应，改善砂浆的孔结构，提高其密实度，使得水份无法通过砂浆的孔结构进入内部，减少迁移通道，降低水份携带可溶性碱和盐迁移到砂浆表面而泛碱。

装饰砂浆；泛碱；矿物掺料；工业废渣

0 引言

装饰砂浆作为一种新型节能建筑材料，具有色彩自然持久、造型丰富、颜色变化范围、视觉柔和、施工方便、质轻、成本低廉、绿色环保，比如在视觉效果上可以代替烧结普通砖，还符合外墙外保温系统的要求等诸多优点，越来越多的被广泛使用。装饰砂浆的广泛应用响应了我国保护环境这一基本国策，践行“绿水青山就是金山银山”的理念。装饰砂浆使用过程中存在易泛碱，影响其装饰效果，这使装饰砂浆应用受到一定的限制。随着经济的快速发展，工业废渣的堆积，不仅占用了大量的土地,而且严重污染环境,威胁人类的健康。如何提高工业废渣的资源化利用可行性，以及呼唤其新的资源化方式，是解决工业废渣的关键所在。

一些研究表明，装饰砂浆中加入矿物掺料，可以改善砂浆的工作性和密实度，如偏高岭土、石灰石粉、石英粉等，这些矿物掺料中的活性成分可以与水泥水化产物中的氢氧化钙反应，提高提高砂浆的强度和密实度，降低砂浆泛碱的可能性，同时，矿物掺料替代部分水泥，还可降低砂浆成本。我们发现工业废渣中的矿物成分与矿物掺料相似，工业废渣作为活性矿物掺合料，来制备装饰砂浆,不仅为制备绿色高性能装饰砂浆提供了一条新途径,而且还降低了成本, 作为新的资源化方式。研究者除了应用工业废渣改善装饰砂浆的性能，还采用新型的纳米掺合料来改善其结构特征，消耗水化反应产生的氢氧化钙，减少泛碱。本文主要论述惰性掺料、工业废渣（主要是矿渣粉、粉煤灰、锂渣和钢渣）和纳米掺和料对装饰砂浆的抗泛碱作用机理。

1 惰性掺料对装饰砂浆抗泛碱的性能影响

装饰砂浆中掺入石灰石粉，石灰石粉达到一定细度，能够很好的填充水泥骨架的空隙,其颗粒的特殊结构提高了砂浆的密实度[1,2]。另外掺入石灰石粉，水泥水化的空间扩大了，石灰石粉还能充当核位点，晶体在石灰石粉表面生长，促进了水泥的水化，还有利于砂浆早期强度发展。

2 工业废渣对装饰砂浆抗泛碱的性能影响

国内市场上装饰砂浆主要是以水泥作为胶凝材料，在使用时，水泥水化极易出现泛碱,其产生的原因主要是：水泥中主要的熟料矿物硅酸三钙和硅酸二钙，水化反应产生的Ca(OH)2会溶于水形成游离的Ca2+和 OH-，Ca2+和 OH-会通过砂浆自身的毛细孔迁移至表面,与空气中的CO2反应,在砂浆表面生成白色的CaCO3沉淀,因此产生泛碱。由此可见，装饰砂浆中原材料反应后，其中碱含量和孔隙结构特征是影响其泛碱性能的两个关键因素。

装饰砂浆中采用的矿渣是粒化的高炉矿渣，是将炼铁高炉中的熔融炉渣经急速冷却后形成的质地疏松的颗粒材料。矿渣主要来自炉料中各组分被氧化后生成的无机氧化物、杂质和炼钢时引入的材料。矿渣主要化学成分为氧化钙和氧化硅、氧化铝，与硅酸盐水泥熟料组成相似，但氧化硅含量偏高而氧化钙含量偏低，其为玻璃体结构,有较高的潜在活性,能单独水化或在石灰、水泥熟料和石膏激发下生成水硬性水化产物。

我们在不影响装饰砂浆强度使用要求的前提下，尽可能降低水泥用量。适量的矿渣粉掺入到装饰砂浆中，矿渣粉含有一定量的活性 SiO2和 Al2O3，在一定激发条件下具有水化自硬性能，可以作为胶凝材料使用，可以取代部分水泥，从而减少了水泥水化产生的氢氧化钙。利用矿渣的活性效应，矿渣中的活性SiO2和Al2O3可与水泥水化产物Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶，既降低了Ca(OH)2含量，这些凝胶形成凝胶膜，这些水化产物的网状密实结构硬化过程能有效地封闭较多孔隙，降低吸水量[3]。另外，在砂浆中再加入的可分散胶粉, 其在砂浆内形成的聚合物网络结构体系，可以改善砂浆的致密性，降低砂浆的吸水量，这使得砂浆内的可溶性碱和盐析出量减少，从而降低砂浆的泛碱。

研究者还利用矿渣粉的微集料效应，一定细度的矿渣粉均匀分布在水泥浆内，填充孔隙和毛细孔，改善砂浆孔结构和增大密实度，降低了孔隙率。随着水化反应的进展，矿渣粉和水泥浆体的界面接触越紧密，因此矿渣粉的微集料效应明显地增强了硬化浆体的结构强度[4]。

粉煤灰作为一种工业废渣，它是火电厂燃煤产生的废渣,长期堆置会占用大量土地，其中包含的部分有害物质可以逐渐渗透到地表和周围水体中，危害人体和自然环境。如何提高粉煤灰的资源化利用可行性，研究者分析其自身结构和性质，挖掘其新的资源化方式。

粉煤灰颗粒是在高温煅烧过程中形成的，大多数粉煤灰的形态呈现为玻璃微珠，这部分外表比较光滑的类球形颗粒，由硅铝玻璃体组成，尺寸多在几微米到几十微米。粉煤灰球形颗粒表面光滑,故掺入砂浆之后能起滚球润滑作用，并能不增加甚至减少砂浆的用水量，起到减水作用。粉煤灰掺入到装饰砂浆中，水的用量减少，在一定程度上，硬化后的砂浆内部孔隙率降低，提高了砂浆的密实度，降低了其泛碱，提高了砂浆的强度[5]。以上是利用了粉煤灰的填充效应，除此之外粉煤灰和粒化高炉矿渣粉一样也具有火山灰效应。粉煤灰掺入砂浆中取代部分水泥，对于抑制砂浆的泛碱机理与粒化高炉矿渣粉相同。

锂渣来自锂盐生产过程，锂渣的化学成份和性质相对均一稳定。目前利用锂渣生产水泥，不但能达到综合利用工业废渣化害为利的目的,而且能增加水泥产量、降低生产成本,改善水泥性能、调节水泥标号、改善水泥安定性。锂渣的化学成份与粘土质相似,主要是Si02、A1203和Fe203等。其中Si02绝大多数是以无定形的Si02的形式存在，在一定激发条件下具有较高的火山灰活性。锂渣加入到装饰砂浆中可以吸收水泥水化产生的Ca (OH)2，发生二次反应，填充空隙，减缓水泥水化热，提高混凝土的强度，对抵抗装饰砂浆的泛碱是有利的。同时锂渣的掺入会使装饰砂浆形成内部结构的自紧体系，降低水泥石的孔隙，从而降低了吸水率，减少可溶性碱随着水分蒸发迁移到砂浆的表面[6]。

钢渣是炼钢过程中的一种副产品，它由生铁中的硅、锰、磷、硫等杂质在熔炼过程中氧化而成的各种氧化物以及这些氧化物与溶剂反应生成的盐类所组成。钢渣的矿物组成包括硅酸二钙、硅酸三钙以及少量游离CaO、MgO等,具有一定的水化活性。杨震等[7]研究表明，在装饰砂浆中采用适当粒径和掺量的电炉滚筒渣，作为装饰砂浆骨料使用，对装饰砂浆后期泛碱的影响可能性越小。电炉滚筒渣中游离的氧化钙含量为零，避免与水反应生成Ca( OH)2，当有大量水时，通过装饰砂浆内部的毛细孔渗透到砂浆表面，与空气中的 CO2反应生产白色CaCO3沉淀，抑制泛碱，另外电炉滚筒渣具有较好的保水性和硬度，易于装饰砂浆应用和施工。姜帆等[8]研究中把粉煤灰和钢渣配合在一起使用，两者的活性成分可以参与砂浆的水化反应，粉煤灰中的SiO2消耗钢渣产生Ca（OH）2，并且能够内改善水化产物的孔径分布和提高密实度，颗粒与颗粒间连接紧密，提高砂浆的后期强度和防水性能，间接的消耗了碱的量以及迁移的几率。

3 纳米矿物掺和料对装饰砂浆抗泛碱的性能影响

纳米二氧化钛是白色疏松粉末，具有抗紫外线、抗菌、化学性质稳定性、自清洁、抗老化性能，还有良好的分散性和耐候性。纳米二氧化钛具有许多优异的性能，其可广泛应用于化妆品、功能纤维、塑料、涂料、油漆等领域。研究表明TiO2的微细粉作为细填料应用在混凝土中，不但有利于形成混凝土的密实度，而且减少了混凝土的需水量，提高了混凝土的早期强度。张小婷等[9]把适量的纳米 TiO2添加装饰砂浆中，能显著提高水泥基装饰砂浆的太阳光反射率，改善其力学性能，毛细孔吸水率可降低 50%。装饰砂浆的吸水率的降低，可溶性的碱溶解于水时，随着毛细孔迁移到装饰砂浆的表面的几率下降，从而降低了装饰砂浆的泛碱程度。除此之外，纳米二氧化钛还具有自清洁的作用，目前已经将其广泛在市场上的自清洁涂料中，利用纳米二氧化钛的光催化特性，使涂料表面吸附的各种有机物发生氧化反应，并分解为油、沙粒、水等不易吸附的物质，从而达到自清洁的效果。除此之外，纳米二氧化钛还对介质的稳定性可起到保护作用，并能增强砂浆的附着力，防止裂纹，防止紫外线，延长装饰砂浆的寿命。

纳米二氧化硅是一种无机化工材料, 外观为为无定形白色粉末，其微结构为球形，呈絮状和网状的准颗粒结构。纳米二氧化硅具有许多独特的性质，如具有对抗紫外线的光学性能，能提高其他材料抗老化、强度和耐化学性能。纳米SiO2在建筑材料中的应用，有效改善了传统建筑材料一些弊端，完善了新型建筑材料。纳米SiO2应用在装饰砂浆中，与水泥水化产生的Ca(OH)2，反应，生成硅酸钙凝胶，降低了砂浆中碱的量，增加了水泥水化的化学结合水量，同时减小了Ca(OH)2的晶粒尺寸。马先伟[10]研究超细 CaCO3和纳米 SiO2对水泥装饰砂浆性能的影响，当纳米SiO2和超细CaCO3配合使用时，SiO2的火山灰作用，消耗水泥水化产生的Ca(OH)2，使化学结合水量不断增加，产生更多的C-S-H凝胶，从而使装饰砂浆更加密实。超细CaCO3主要起微集料作用，两种作用共同的结果是孔隙减少和孔径细化，这对于 改善饰面砂浆的耐沾污性能更加有利。

4 结论

装饰砂浆因其施工方便、饰面效果优良等优点而被广泛应用， 但在使用过程中易产生泛碱问题，影响装饰美观，限制了装饰砂浆的使用。 国内外的研究者根据泛碱的原因，寻找抗泛碱的方法。首先减少碱的产生，水泥是碱产生的主要源头，减少水泥用量或者用低碱性的水泥可以有效控制泛碱。本文主要论述了通过矿物掺合料代替水泥，一方面减少碱的产生，另一方面利用矿物掺合料的火山灰质特性消耗水泥水化产生的碱（Ca(OH)2）。研究者还通过对矿物掺合料的细度控制，以及矿物掺合料之间的配合使用，利用掺合料的微集料效应，改善砂浆的孔结构，提高其密实度，结合可再分散乳胶粉溶于水后成膜，对孔结构进行密封，使得水份无法通过砂浆的孔结构进入内部，减少迁移通道，降低水份携带可溶性碱和盐迁移到砂浆表面而泛碱。

[1]张大康.高细石灰石粉用作水泥混合材料的试验研究[J].水泥,2005,7.

[2]鞠艳丽，张雄.废石粉在商品砂浆中的应用研究[J].建筑石膏与胶凝材料，2002，12.

[3]和瑞，张国防，陆小培，王培铭.矿渣微粉对水泥基饰面砂浆性能的影响[J].第七届全国商品砂浆学术交流会（7thNCCM）论文集[C]，广州：2017.

[4]张灵，王培铭，朱绘美，张国防.矿渣粉和偏高岭土对水泥基饰面砂浆性能的影响[J].第四届全国商品砂浆学术交流会论文集[C]，上海：2011.

[5]唐明秀，宋慧平，薛芳斌.粉煤灰在涂料中的应用研究进展[J].洁净煤技术，2020，26.

[6]徐瑞峰.水泥基彩色装饰砂浆的制备及泛碱抑制技术研究[D].南昌：南昌大学材料科学与工程学院，2018.

[7]杨震，武传金.宝钢钢渣用于饰面砂浆中的可行性研究[J].四川建材，2019，45.

[8]姜帆，刘小全.钢渣-粉煤灰预拌砂浆的试验研究[J].新型建筑材料，2020，12.

[9]张小婷，刘燕丽，程浩，张学文.姜帆，刘小全.纳米TiO2添加饰面砂浆的性能[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2015，34.

[10]马先伟.超细CaCO3和纳米SiO2对水泥饰面砂浆性能的影响[J].混凝土，2010，04.

青岛黄海学院2020 年度校级科研项目，装饰砂浆的抗泛碱性能研究，项目编号：2020KJ08。

王娜(1985- ），女，青岛黄海学院，讲师，研究方向：土木工程。

K928

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1007-6344（2021）04-0005-02