轻质墙板灌浆料的制备及应用研究

2021-02-23逄鲁峰杨苏马正先

新型建筑材料 2021年1期

逄鲁峰，杨苏，马正先

（山东建筑大学土木工程学院，山东济南 250101）

0 引言

随着人们对居住环境有了更高的需求，传统的建筑材料已不能满足建筑要求和产业政策，特别是国家开展“十二五”墙体材料革新，提出加快推动墙体材料产业升级，为建筑和循环经济发展开拓了前所未有的旷阔空间[1]。各种轻质墙板蓬勃发展，其中FPB轻质墙板是国内墙体材料革新中非常好的替代产品。

FPB建筑用轻质墙板以硅酸钙板为两面板，芯材采用水泥、石膏、聚苯颗粒等，结构见图1。FPB轻质墙板兼具轻质高强、阻燃耐火、施工便捷等于一体，被充分利用于框架建筑体系的非承重墙体，施工时2块墙板的榫头和榫槽对齐后中间会形成灌浆孔，待FPB轻质墙板收缩稳定后即可注入灌浆料。

图1 FPB轻质墙板

目前国内外还缺乏具备优异性能的FPB轻质墙板专用灌浆材料，使用的轻质墙板专用灌浆料流动性差、在灌浆时灌入细微缝隙能力低，经常不能完整堵塞缝隙，灌后甚至留下毛髦状孔洞，且浆体和墙体无法很好的密贴，导致结构的稳定性与耐久性较差，不能满足工程实际需要。

针对现阶段轻质墙板灌浆料所发现的问题，通过控制变量法引入硅灰、粉煤灰、矿粉，分析其对轻质墙板灌浆料流动性及力学性能的影响，制备一种流动度高、力学性能良好，且不发生离析泌水、能够渗透到微小的隙缝中的FPB轻质墙板专用灌浆料，使板缝中的每处都充盈饱满的浆体，性能符合JC/T 985—2017《地面用水泥基自流平砂浆》要求。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，济南山水水泥厂，比表面积320～350 m2/kg；硫铝酸盐水泥：强度等级42.5，云雀水泥有限公司，比表面积352 m2/kg；粉煤灰：Ⅰ级，济宁恒志建材有限公司；硅灰：94级，山西君盛天弘新材料有限公司；矿粉：S95级，山东京中矿粉厂；石英砂：细度模数1.9，含泥量＜0.5%，泰安鑫合烘干砂厂；聚羧酸减水剂：PC-1601粉剂，减水率37%，山东华迪建筑科技有限公司；有机硅消泡剂：淄博拓兴化工有限公司；羟丙基甲基纤维素：黏度400 mPa·s，山东戈麦斯化工有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 试验步骤

（1）在轻质墙板灌浆料的基础配合比上，分别掺入硅灰、粉煤灰、矿粉，通过控制变量法研究FPB轻质墙板灌浆料的流动性及抗压强度。（2）将矿物掺合料进行正交试验来探究其复合效应能否产生更优效果，综合分析得出最优配比。（3）将最优配比的FPB轻质墙板灌浆料与市售原墙板灌浆料进行性能对比，并对工程中所应用的FPB轻质墙板进行性能测试。

1.2.2 测试方法

流动度测试：按JC/T 985—2017进行，模具为自流平砂浆流动度试模，内径（30±0.1）mm、高度（50±0.1）mm的金属空心圆柱体。强度测试按GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO）法》进行，试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。

1.3 试验仪器与设备

JJ-5型水泥胶砂搅拌机：沧州金瑞试验仪器有限公司；TYE-300B型压力试验机：济南中奥试验仪器公司；FA2004B型天平：上海精密科学仪器有限公司；试模：河北华旺试验设备有限公司。

2 试验结果与分析

试验选择硅灰、粉煤灰、矿粉，分别以0、5%、10%、15%、20%、25%掺量替代普硅水泥。试验初步确定FPB轻质墙板灌浆料的基础配合比为：水胶比0.5、胶砂比1.0、硫铝酸盐水泥15%、P·O42.5水泥84.8%、聚羧酸减水剂0.12%、有机硅消泡剂0.04%、羟丙基甲基纤维素0.04%。

2.1 硅灰、粉煤灰、矿粉对轻质墙板灌浆料流动度的影响（见图2）

图2 矿物掺合料掺量对轻质墙板灌浆料流动度的影响

从图2可以看出：

（1）硅灰对轻质墙板灌浆料流动度的影响

相比无硅灰的组，FPB轻质墙板灌浆料的流动度有所提升，当硅灰掺量在0～5%内增多时，FPB轻质墙板灌浆料初始与30 min流动度略微增大，当硅灰掺量为5%时达到最大，初始和30 min流动度分别为163、132 mm。

当硅灰掺量超出合适范围后，FPB轻质墙板灌浆料的流动度开始减小，原因是水泥的比表面积为0.32～0.35 m2/g，而硅灰的比表面积达20～25 m2/g，因此硅灰代替等质量的水泥会使表面积变大，从而利用更多的自由水来湿润胶凝材料的表面，所以灌浆料流动性会降低，且变得粘稠[2]。

（2）粉煤灰对轻质墙板灌浆料流动度的影响

粉煤灰掺量由0增加至20%时，FPB轻质墙板灌浆料初始与30 min流动度较基准组显著提升。原因是粉煤灰的颗粒细、聚集程度较低，球形颗粒在灌浆料中有润滑、滚珠效果，可以增强润滑并使骨料和水泥颗粒之间的摩擦减小。当粉煤灰掺量达到20%时，初始与30 min流动度均较大，分别为169、145 mm。粉煤灰掺量超过20%时，所产生的滚珠效应达到饱和状态，流动度基本不变。

（3）矿粉对轻质墙板灌浆料流动度的影响

矿粉掺量在0～20%范围内，FPB轻质墙板灌浆料的流动度随矿粉掺量的增加呈逐渐增大的趋势，这可能是由于矿粉表面能相对较大，可以很好的吸附聚羧酸减水剂分子，因此矿粉表面会生成双电层，可以使水泥的絮凝状结构打开[3]。矿粉掺量达到20%时，FPB轻质墙板灌浆料的流动度达到最大，初始和30 min流动度分别为168、148 mm，30 min流动度损失为20 mm，损失较小。这是因为矿粉具有很好的保水性[4]，加入一定量可以降低因为过分蒸发导致的FPB轻质墙板灌浆料流动度损失。

在相同掺量下，纵向比较它们对FPB轻质墙板灌浆料初始流动度的影响大小为：粉煤灰＞矿粉＞硅灰，对30 min流动度的影响大小为：矿粉＞粉煤灰＞硅灰。

2.2 硅灰、粉煤灰、矿粉对轻质墙板灌浆料抗压强度的影响（见图3）

图3 矿物掺合料对灌浆料抗压强度的影响

从图3可以看出：

（1）硅灰对轻质墙板灌浆料抗压强度的影响

硅灰掺量由0增加至10%时，轻质墙板灌浆料的各龄期抗压强度明显提高；当硅灰掺量达到10%时，FPB轻质墙板灌浆料中胶凝材料密实程度达到最大，1、3、28 d抗压强度均达到最高值，分别为9.90、17.34、29.79 MPa。由于硅灰具有显著的火山灰效应，和水接触后能够生成富硅凝胶，凝胶里SiO2会和Ca（OH）2发生反应产生C-S-H凝胶[5]，使Ca（OH）2含量大大降低，并产生低碱水化硅酸钙，因此试件硬化后结构变得更加致密。但当硅灰掺量超过10%时，FPB轻质墙板灌浆料的1、3、28 d抗压强度呈下降趋势，但下降幅度较小。此外，随龄期逐渐延长，轻质墙板灌浆料抗压强度的上升幅度愈来愈大。这是由于试件龄期的延长，会使硅灰火山灰作用逐渐变得更加显著，添加适当的硅灰能够明显促进浆体后期的水化反应[6]，从而可以使水化产物增加，促进水化反应持续时间较长，因此对后期强度的贡献更加显著。

（2）粉煤灰对轻质墙板灌浆料抗压强度的影响

当粉煤灰掺量从0增加到10%时，FPB轻质墙板灌浆料各龄期的抗压强度逐渐提高，当掺量为10%时抗压强度为最高，1、3、28 d抗压强度分别为9.85、17.08、27.69 MPa，且相较于早期强度，粉煤灰对FPB轻质墙板灌浆料后期强度贡献更大。相较于硅灰与矿粉，粉煤灰掺量增加对强度的增长不明显。这是由于水化产物Ca（OH）2与粉煤灰粒子中间存在水解层，Ca+要与粉煤灰中的SiO2和A12O3发生二次水化反应必须通过水解层[7]，反应产物逐渐积聚在水解层中，所以当水解层内未达到一定量的火山灰效应产物时，强度不会显著提高。

（3）矿粉对轻质墙板灌浆料抗压强度的影响

随矿粉掺量的增加，FPB轻质墙板灌浆料的抗压强度先提高后降低。当矿粉掺量为10%时，灌浆料抗压强度达到峰值，1、3、28 d抗压强度分别为9.87、17.23、28.24 MPa；矿粉取代水泥10%以上时，抗压强度呈减小趋势，这可能是由于矿粉过多时，胶凝材料的活性组分减少，因此FPB轻质墙板灌浆料的抗压强度也相应下降。

2.3 正交试验

根据上述试验可知，掺入适量粉煤灰、矿粉能够有效提升灌浆料的流动性和抗压强度。综合考虑灌浆料的工作性及经济性，将粉煤灰、矿粉、硅灰进行正交试验来探究其复合效应能否产生更优效果，正交试验因素水平见表1，正交试验结果见表2，FPB轻质墙板灌浆料的流动度及抗压强度极差分析见表3。

表1 正交试验因素水平

表2 正交试验结果

从表3可知：

（1）3种矿物掺合料对FPB轻质墙板灌浆料的初始流动度影响大小为：硅灰＞粉煤灰＞矿粉；对灌浆料30 min流动度影响大小为：硅灰=矿粉＞粉煤灰。在合适比例下掺加3种矿物掺合料能够改善FPB轻质墙板灌浆料的流动度可能是因为，不同粒径的掺合料添加优化了浆体中胶凝材料颗粒的级配[8]，使得堆积状态变得愈加致密，空隙中水分子能够大量释放。

（2）不同矿物掺合料对FPB轻质墙板灌浆料的1、3、28 d抗压强度影响大小顺序均为：硅灰＞矿粉＞粉煤灰。在合适比例下掺加3种矿物掺合料可以使FPB轻质墙板灌浆料的抗压强度尤其是后期抗压强度明显提升，这可能是由于水化产物Ca（OH）2会促使矿粉水化，形成很多低密度的水化硅酸钙与钙矾石[9]。水化硅酸钙和钙矾石比表面积较大，汇聚在粉煤灰和硅灰颗粒四周，起到了晶核作用，促进了粉煤灰和硅灰水化反应速率。

表3 正交试验极差分析

综合流动度及强度因素，矿物掺合料的最优组合为A3B2C1，即掺加15%抗压粉煤灰、10%矿粉、5%硅灰。此时，初始、30 min流动度分别为169、146 mm，1、3、28 d抗压强度分别为10.64、19.52、30.78 MPa，符合JC/T 985—2017要求。

2.4 与原有产品性能对比

将原墙板施工中所应用的某市售品牌灌浆料产品与所研制的FPB轻质墙板灌浆料进行性能对比，结果见表4。

表4 灌浆料性能对比

由表4可知，FPB轻质墙板灌浆料所测的各项性能均优于原始的墙板专用灌浆料，该灌浆料具有很高的流动性及良好的力学性能，且不发生离析泌水，能够渗透到微小的隙缝中，使板缝中的每处都充盈饱满的浆体，固化后与墙体有良好的粘结力，稳定性好，对墙体无侵蚀性，不污染环境，且对人体无害，符合我国推行的“节能减排、绿色环保”的建材政策。