砂浆施工性试验方法的研究与应用

2021-11-30王肇嘉章银祥张增寿蔡鲁宏黄天勇陈向娟

新型建筑材料 2021年11期

王肇嘉，章银祥，张增寿，蔡鲁宏，黄天勇，陈向娟

（1.北京建筑材料科学研究总院有限公司，北京100041；2.北京金隅砂浆有限公司，北京102402；3.北京市预拌砂浆工程技术研究中心，北京100041；4.固废资源化利用与节能建材国家重点实验室，北京100041）

0 引言

建筑砂浆量大面广，其施工性对施工速度、劳动强度及工程质量有显著影响。绝大多数建筑砂浆都是非流动性砂浆，如普通抹灰砂浆、薄层抹灰砂浆、普通砌筑砂浆、薄层砌筑砂浆、普通地面砂浆、普通防水砂浆、聚合物水泥防水砂浆、外保温系统用粘结与抹面砂浆、瓷砖粘结砂浆、加气混凝土用粘结与抹面砂浆、界面砂浆、腻子、抹灰石膏、饰面砂浆等，这些砂浆的施工性主要包含黏聚性、均匀性（分层度）、触变性、抹灰阻力等。就实际工程而言，抹灰阻力大小的影响最为显著。

我国建工行业标准JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》中，常规（非流动性）砂浆的施工性试验方法，与欧标EN 1015-4：1999《Methods of test for mortar for masonry-Part 4：Determination of consistence of fresh mortar（by plunger penetration）》类似，主要用稠度（落锥法）及其损失率等表示砂浆的施工性，以总质量300 g的试锥（EN 1015-4：1999则是总量为90 g的圆柱，距砂浆表面100 mm高处）自由落入新拌砂浆的深度表示稠度值，一般稠度值越大、施工性越好。这种试验方法比较简单。然而，正如EN 1015-4：1999的简介中所述，它们只能间接表征砂浆的施工性，不能直接反映砂浆施工性（抹灰阻力）的好坏。

我国建材行业标准JC/T 958—2005《水泥胶砂流动度测定仪（跳桌）》中，用流动度表示砂浆的施工性，与欧标EN 1015-3：1999《Methods of test for mortar for masonry-Part 3：Determination of consistence of fresh mortar（by flow table）》相同，将新拌砂浆灌入跳桌上的截锥圆模（高60 mm，上底直径70 mm，下底直径100 mm）中，取走截锥圆模后，让跳桌上下跳动指定次数后，以砂浆自由扩张后的直径表示流动度，一般流动度越大、施工性越好。但该方法测出的流动度不能直接反映常规（非流动性）砂浆施工性（抹灰阻力）的好坏；而且在测试聚合物砂浆时脱模都很困难。

苏雷[1]、Patural等[2]、Brumaud等[3]、Nguyen等[4]均用流变仪测试纤维素醚对砂浆施工性的影响规律，用流变仪的剪切值表征砂浆的施工性，一般剪切值越小、施工性越好。但该方法也不能直观、直接地表征砂浆的施工性（抹灰阻力）。

文献[5]公开了一种砂浆和腻子施工性检测装置，通过滑动板滑动的距离或拉力的大小来量化施工性，使得施工性检测更准确。但该方案存在以下问题：一是不同试验装置（特别是滑动组件）自身的摩擦力等阻力干扰不同，导致不同装置之间的测量结果不具有可比性；二是滑动板（相当于抹子）在砂浆表面移动时，一方面由于砂浆质地不均匀，其弹簧拉力始终处于动态变化状态，另一方面由于滑动板在移动过程中，其前方堆积的砂浆会越来越多，导致弹簧拉力整体上呈现出逐渐增大的趋势，致使采用弹簧拉力计无法准确读数，其测量结果难以准确。

在实际工程中，因没有直接、量化的方法去检测砂浆的施工性，而不得不凭借施工工人的实际操作手感去判断砂浆施工性的好坏；但不同工人以及同一工人不同时间对砂浆施工性的评价不同，使得评价结果差异很大，导致争执事件屡有发生。因此，很有必要研发一种可对砂浆的施工性进行直接、量化检测的方法。

1 施工性测试仪的研究与设计

自主研究、设计的施工性测试仪包括1台电子万能试验机、1只万向节、2只定滑轮（带轴承）、1个工作台（上表面中间有4只定位螺钉）、1根钢丝绳、1只铁抹灰刀、1根水平主轴、2只滑块、2根滑轨、若干连接件等，如图1所示。

图1 自主研制的施工性测试仪示意

1.1 试验材料准备

（1）试验材料：普通抹灰砂浆、外保温系统用抹面砂浆、腻子。其中，5组普通抹灰砂浆（CD、DS、HD、DD、BH）分别来自于北京金隅砂浆公司的5个生产厂，性能均符合GB/T 25181—2019《预拌砂浆》的要求；腻子为北京金隅砂浆公司生产，性能符合JG/T 298—2010《建筑室内用腻子》中N型的要求；外保温系统用抹面砂浆中，含有0.15%纤维素醚HPMC的样品为北京金隅砂浆公司生产，性能符合GB/T 29906—2013《模塑聚苯板薄抹灰外墙外保温系统材料》的要求，4个样品的组成中，除HPMC的掺量不同外，其余原料种类及配比均相同。

（2）标准混凝土板：符合JC/T 547—2017《陶瓷砖胶粘剂》的要求，尺寸为400 mm×200 mm×40 mm。

所有试验材料（包含试验用水）均应在标准试验条件[温度（23±2）℃、相对湿度（50±5）%]下放置24 h以上。

1.2 试验机具准备

（1）施工性测试仪的调整：工作台水平布置，将试件（标准混凝土板及其上方的新拌砂浆）置于工作台上表面中间4只定位螺钉限定的固定位置，使抹灰刀可在试件上方、沿着试件长度方向、与试件上表面平行地抹灰，抹灰刀的短边与水平面成15°（可调）。固定好万能试验机行程的起点、终点。

（2）辅件准备：500 mm×45 mm×8 mm钢板条；500 mm×27 mm×2.5 mm钢板条；500 mm×27 mm×1 mm钢板尺。

1.3 试件制备

（1）砂浆制备：在标准试验条件下，按JGJ/T 70—2009的要求制备普通抹灰砂浆，按JC/T 2559—2020《岩棉外墙外保温系统用粘结、抹面砂浆》的要求制备外保温系统用抹面砂浆、腻子。按JGJ/T 70—2009的要求测试稠度。初始稠度均设定为（95±5）mm。

（2）成型：每次成型前均用湿抹布擦抹标准混凝土板，使得标准混凝土板的状态保持基本一致。

①普通抹灰砂浆：使用500 mm×45 mm×8 mm钢板条、500 mm×27 mm×2.5 mm钢板条，在标准混凝土板的上方，对中拼出成型框，向成型框内填充砂浆，压实、抹平，使得成型后的砂浆尺寸为350 mm×150 mm×10.5 mm，成型后的砂浆表面应平整。

②外保温系统用抹面砂浆：成型后的砂浆尺寸为350 mm×150 mm×8 mm；其余同普通抹灰砂浆。

③腻子：成型后的砂浆尺寸为350 mm×150 mm×5 mm；其余同普通抹灰砂浆。

1.4 测试步骤

（1）普通抹灰砂浆：将成型好的试件置于施工性测试仪工作台的定位螺钉之间。调整试件高度，使得混凝土板的上表面与抹灰刀最低边之间的间隙为8.0 mm。即所有试件测试过程中被抹去的砂浆厚度始终是2.5 mm。将抹灰刀的最低边置于标准混凝土板之外，将万能试验机的拉伸头置于起始点（低位点）。用钢丝绳将抹灰刀通过2只定滑轮、万向节，与万能试验机的拉伸头连接。将万能试验机的拉力、位移全部清零，启动万能试验机，以100 mm/min的速度拉至自动停机（拉伸头上行至终点—高位点）。记录拉力－位移曲线（即瞬时抹灰阻力－位移曲线）。按上述方法，进行空载（标准混凝土板上无砂浆）测试。

（2）外保温系统用抹面砂浆：调整标准混凝土板的高度，使其上表面与抹灰刀最低边之间的间隙为5.5 mm。即所有试件测试过程中被抹去的砂浆厚度始终为2.5 mm。其余同普通抹灰砂浆。

（3）腻子：调整标准混凝土板的高度，使其上表面与抹灰刀最低边之间的间隙为2.5 mm。即所有试件测试过程中被抹去的腻子厚度始终为2.5 mm。其余同普通抹灰砂浆。

1.5 试验结果处理

在拉力－位移曲线中，去掉后端20 mm的数据，再前推300 mm，以所得中间300 mm的系列数据作为计算数据（单次约3000个）。以所得数据的算术平均值，减去当日多次空载实验所得拉力的算术平均值，为该试件的平均抹灰阻力，精确至0.1 N。

2 部分实验结果

2.1 空载拉力

表1为2个不同日期的空载试验结果，可见，相同日期的空载试验结果的误差较小。

表1 不同日期的空载试验结果

2.2 普通抹灰砂浆

图2为5个不同厂家的普通水泥基抹灰砂浆DP7.5在初始稠度基本相同时测得的瞬时抹灰阻力。平均抹灰阻力和稠度见表2。

图2 不同厂家普通抹灰砂浆的瞬时抹灰阻力

表2 不同厂家普通抹灰砂浆的平均抹灰阻力和稠度

由表2可见，不同厂家、相同型号抹灰砂浆DP7.5的初始（10 min）稠度为93～97 mm，90 min稠度为69～78 mm，90 min稠度损失率均小于30%。在稠度基本相同的情况下，抹灰阻力却相差很大，尤其是90 min时，CD、DS二个厂家样品的抹灰阻力已超过20 N，基本不能施工了。这与工人师傅的感觉基本相符。

其他原料种类与配比相同时，不掺及掺0.03%HPMC普通抹灰砂浆的抹灰阻力及稠度随时间的变化见图3。

图3 不掺及掺0.03%HPMC普通抹灰砂浆的抹灰阻力及稠度随时间的变化

由图3可见，不掺HPMC的普通抹灰砂浆初始抹灰阻力（10 min）就较大（10.8 N）；新拌砂浆存放至60 min时，其抹灰阻力更大（22.7 N），已很难施工了。掺加0.03%HPMC的普通抹灰砂浆，初始（10 min）抹灰阻力仅为3.6 N，60 min时的抹灰阻力也不大（8.3 N），至120 min时，其抹灰阻力（24.1 N）才基本与前者60 min时的抹灰阻力持平。

可见，本文测得的抹灰阻力比稠度更真实直接地反映了抹灰砂浆的施工性。

2.3 腻子

石灰基腻子的抹灰阻力及稠度随时间的变化见表3。

表3 腻子的抹灰阻力及稠度随时间的变化

由表3可见，在48 h内，该腻子的抹灰阻力均小于8 N，说明该腻子的可操作时间较长。随着陈放时间的延长，腻子稠度的变化规律基本与抹灰阻力的变化规律相反。

2.4 外保温系统用抹面砂浆

外保温系统用抹面砂浆是特种水泥基砂浆的一个典型代表。不同HPMC掺量外保温系统用抹面砂浆（水泥基）的抹灰阻力和稠度随时间的变化如图4、图5所示。

图4 HPMC掺量对抹面砂浆抹灰阻力的影响

图5 HPMC掺量对抹面砂浆稠度的影响

由图4可见，HPMC掺量分别为0、0.05%、0.15%、0.25%时，初始（0.5 h）抹灰阻力分别为4.0、2.9、2.3、3.2 N，相差不大；但随着存放时间的延长，抹灰阻力差别越来越大，至8 h时，抹灰阻力分别为21.9、12.1、2.2、3.1 N，其中不掺HPMC的抹面砂浆实际上人工抹灰很难了；10 h时，不掺HPMC的抹面砂浆已不能成型了，而HPMC掺量分别为0.05%、0.15%、0.25%的抹灰砂浆的抹灰阻力分别为26.4、3.1、4.2 N，其中掺0.05%HPMC的抹面砂浆实际上人工抹灰也很难了。可见，HPMC对抹面砂浆的施工性影响很大：在一定范围内（≤0.15%），HPMC掺量越大，施工阻力越小、经时损失越小，即HPMC掺量越大，施工性越好、可操作时间越长。

由图5可见，随着陈放时间的延长，外保温系统用抹面砂浆的稠度变化规律基本与抹灰阻力的变化规律相反。

3 讨论

建筑砂浆中量大面广的非流动性砂浆，其施工性主要包含黏聚性、均匀性（分层度）、触变性、抹灰阻力等；就实际工程而言，抹灰阻力大小的影响最显著（即使是砌筑砂浆、地面砂浆，都需要抹平，其他类似）。

通过自制的试验工作台，直接模拟非流动性建筑砂浆施工的实际抹灰过程，并利用电子万能试验机直接记录抹灰拉力，将所测抹灰拉力作为抹灰阻力，以此表征非流动性砂浆的施工性。

（1）空载试验结果的误差较小，在一定时间（≤8 h）内，石灰基腻子的抹灰阻力差距也很小。故本试验方法本身的误差较小。

（2）随着陈放时间的延长，特种砂浆抹灰阻力的增大规律与稠度的减小规律基本一致。这说明对于某些特种砂浆，稠度与抹灰阻力均可以代表施工性。不过，稠度是间接表征，而本文的方法可直接、精确地测试出抹灰阻力。但由表2可见，不同厂家、相同型号普通抹灰砂浆DP7.5，在稠度基本相同的情况下，抹灰阻力却相差很大，尤其是90 min时，CD、DS二个厂家样品的抹灰阻力已超过20 N，基本不能施工了。对于普通水泥基砂浆而言，即使初始稠度基本一致，掺与不掺纤维素醚的砂浆，其初始抹灰阻力、经时抹灰阻力也相差较大。上述结果与工人师傅的手感基本一致。可见，本文提出的试验方法，比稠度更真实、更直接地反映了抹灰砂浆的施工性，更适宜表征砂浆的施工性。

（3）本文研究的施工性试验方法，通过数字化方式控制抹子移动速度并记录试验过程中的拉力-位移曲线，能够整体、客观、全面地呈现出砂浆的施工性能数据；通过对数据的处理，可以有效排除掉设备因摩擦力等产生的外界干扰，不同试验人员间的测试结果具有可比性；由于砂浆样品的尺寸固定，抹子通过活动轴与滑块及滑道固定高度与角度，拉力机单位时间内的位移固定，使得测试样品的测试面积、测试厚度、测试速度固定，从而使样品砂浆施工性的测试结果具有高度可比性；由于可以调整样品的厚度、抹子的高度及角度，因此，可精确地测试出不同品种砂浆的施工性差异；由于使用了精加工的滑道与滑块配合滑动，既有效承载了抹灰过程中的竖向力，又有效降低了抹灰过程中的水平摩擦力，从而提高了测试精度；由于使用了精加工的带轴承的滑轮，又使用细钢丝绳配合，从而大大减小了工作台与拉力机之间的配合对测试结果的影响。

（4）纤维素醚能显著改善砂浆的施工性，这与文献[1-4]中的结果类似；不过相关文献均是间接测试、间接表征，而本试验方法则能直接、数字化地检测出不同纤维素醚掺量的砂浆，在经历不同时间后的实际施工阻力。纤维素醚能显著改善砂浆的初始及经时施工性，且在一定范围内（≤0.15%），掺量越大，砂浆的初始及经时抹灰阻力越小，即改性作用越显著。