我國濕拌砂漿的研究應用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

李星辰，何月，丁 銳

（吉林建筑大學，吉林 長春 130118）

0 引言

傳統(tǒng)自拌砂漿由于和易性較差，質量難以得到保障，工人施工強度高且污染環(huán)境嚴重等缺點，已經被嚴格限制其使用。與傳統(tǒng)現(xiàn)場拌制的砂漿相比，預拌砂漿具有質量高、性能穩(wěn)定、工人勞動強度低、對環(huán)境污染程度低等優(yōu)點，有利于文明施工，所以應用前景較為廣泛。預拌砂漿包括干混砂漿和濕拌砂漿，其中干混砂漿也可稱為干粉料或者干混料等，是由膠凝材料、細集料還有一些摻合料及外加劑等組成的一種固體混合材料， 按照一定的配比，通過干混工藝進而制成的干粉狀或者顆粒狀固體，以散裝或者袋裝的形式運輸至工地，加水拌合之后可以直接使用的建筑材料。干混砂漿的品種有很多種，例如粘結砂漿、抹灰砂漿、砌筑砂漿等，應用的范圍十分廣泛。干混砂漿是在現(xiàn)場加水攪拌而成的，因此可以靈活掌握砂漿的使用量，而且使用幾乎不受時間的限制，存儲期長，可以做到隨用隨取。但是干混砂漿對于原材料的含水率要求很嚴格，需要對原材料進行干燥處理，另外考慮到水分的原因，外加劑必須使用粉劑而不是液劑，而固體外加劑的價格相對來說要更高一些，造成了干粉砂漿的生產成本較高，且需要在施工現(xiàn)場進行拌制，這樣會造成大量的粉塵，嚴重污染環(huán)境。濕拌砂漿是將膠凝材料、水、細骨料和外加劑按照一定比例在工廠拌制而成，由攪拌車運至工地后可以直接使用的建筑材料相比于干混砂漿，濕拌砂漿性能穩(wěn)定且成本較低，不需要購買攪拌機和其他的生產加工設備，可大量供貨，適用于一些較大工程，對工程質量的提高起到了重要作用，由于濕拌砂漿是工業(yè)化生產，所以可以有效地避免拌制時所產生的粉塵，有助于保護環(huán)境，并且可以做到隨到隨用，有利于加快施工進度。

1 商混砂漿行業(yè)發(fā)展及其現(xiàn)狀

在二十世紀五十年代以前，水泥基砂漿基本全部采用現(xiàn)場混料拌制進行使用，即將水泥與砂運輸?shù)焦さ夭凑找欢ǖ谋壤铀韬隙蓾裆皾{使用。五十年代以后，由于第二次世界大戰(zhàn)造成了歐洲各國勞動力短缺，外加急需進行大量的工程維修和工程建設，從而促使了歐洲的預拌砂漿得到迅猛地發(fā)展[1]。濕拌砂漿最初出現(xiàn)于二十世紀七十年代的法國，隨后美國也開始生產和使用預拌砂漿[2]。國外的預拌砂漿行業(yè)發(fā)展較為迅速，產品種類繁多，砂漿的生產制造實現(xiàn)了工業(yè)化且施工操作較為簡單。與歐洲的一些國家相比，我國對于預拌砂漿的研究和生產開始比較晚，推廣也較慢，直到二十世紀末期才開始進行預拌砂漿技術的研究。近年來，因為外加劑技術的不斷發(fā)展和對環(huán)境保護意識的不斷加強，濕拌砂漿逐漸走進公眾的視野。我國長江以南地區(qū)的預拌砂漿應用效果較好，并以濕拌砂漿為主，以廣州、深圳為代表的珠三角地區(qū)近年來已經在大力推廣和使用預拌砂漿[3]。2014 年，深圳地區(qū)應用濕拌砂漿303.8 萬t，其中干混砂漿產量約為12 萬t，濕拌占比達96.2%；廣州地區(qū)預拌砂漿應用量為281 萬t，其中濕拌砂漿生產187 萬t，占比66.7%[4]。2014 年，上海市共使用預拌砂漿500 余萬t，當時的生產廠家約有80 多個，產量約為1 500 萬t，擁有近2 800 臺移動筒倉，散裝砂漿運輸車約為260 輛[5]。2015 年，天津市預拌砂漿的生產廠家有47家，總產能1 000 萬t，擁有2 140 臺移動筒倉，散裝砂漿運輸車多達180 輛。2015 年，廣東省預拌砂漿生產廠家達到120 家，干混砂漿生產廠家較多，有65 個，濕拌砂漿廠家有55 個，新增生產能力280 萬t，預拌砂漿使用量1 008.59 萬t，相比于去年增長18.1%，其中干混砂漿191.39 萬t，占比19%，濕拌砂漿 817.19 萬 t，占比 81%[6]。2015 年全國有 22 個?。ㄉ轿鳌⒑Ｄ?、內蒙古為新增的3 個省），濕拌砂漿的生產量達到1 361 萬t，濕拌砂漿的產量占到全國預拌砂漿總產量的19.19%[6]。2016 年成都地區(qū)預拌砂漿用量為300 多萬t，當時的生產廠家有16 個，產量約為800 萬t，擁有將近2 000 臺移動筒倉，散裝砂漿運輸車多達260 輛。在2017 年，廣西預拌砂漿的生產廠家已達到45 個，總產量約為1 750 萬t，干混砂漿生產企業(yè)占大多數(shù)，約有31 家，總的產量約為1 290 萬t，占比73.71%，濕拌砂漿生產企業(yè)約有14 家，總產量為460 萬m3，占比26.29%?？傮w來說，我國南方城市濕拌砂漿的生產及用量較大，基于建筑節(jié)能的角度，我國北部地區(qū)的預拌砂漿是以干混砂漿為主，以北京為例，干混砂漿主要以外墻保溫體系配套砂漿為主。外墻保溫體系配套砂漿，從原材料角度出發(fā)并不含細骨料，而是以復合膠凝組分、磨細礦物摻料及外加劑所組成，主要是用來粘結外墻保溫板材（EPS、巖棉等），具有較高的粘結性能及耐久性能，防止外墻保溫層隨著使用時間的延長而出現(xiàn)脫落。復合膠凝組分目前主要是由硅酸鹽水泥和可再分散性乳膠粉組成，膠粉在水泥水化后期可在硬化漿體內部形成較多的三維網絡狀薄膜，有效提升硬化漿體的抗?jié)B性及抗凍性；外加劑主要是以高效減水劑及纖維素醚為主，減水劑的作用是在保證砂漿工作性的前提下有效的降低水灰比，提高砂漿的耐久性能，纖維素醚的作用是用來增加砂漿的稠度及保水性，在施工過程中可有效保證與保溫材料的粘結效果。但隨著環(huán)保政策的推行，我國北方地區(qū)濕拌砂漿的使用量也越來越大，主要分為砌筑砂漿、抹面砂漿和地面砂漿。濕拌砂漿已逐漸成為綠色、文明施工的重要標志，濕拌砂漿取代干混砂漿已成為行業(yè)發(fā)展的趨勢之一。

近4 年我國預拌砂漿產量見表1。

表1 我國預拌砂漿年產量 萬t

2 濕拌砂漿原材料

2.1 膠凝材料

濕拌砂漿的膠凝材料包括水泥、石灰和建筑石膏。水泥是濕拌砂漿中的重要組成原料，其細度和質量的好壞對砂漿的強度和收縮有著很大的影響。若水泥用量不足就會導致砂漿的保水性不良，為了提高砂漿的和易性，并且降低經濟成本，以往的情況是在水泥砂漿中摻入石灰膏、黏土膏等其它膠凝材料來替代部分水泥，配制成復合類砂漿。不同摻量的石灰膏砂漿，同一時刻的貫入阻力均小于未摻石灰膏砂漿的貫入阻力，隨著石灰膏摻量的增加，砂漿的凝結時間逐漸增長，且增幅較為明顯[7]。現(xiàn)在常用粉煤灰和礦粉等工業(yè)廢棄物替代部分水泥以此來降低經濟成本。砂漿內加入其他膠凝材料如礦渣、粉煤灰等的混合砂漿的強度與耐久性均要比純水泥砂漿更優(yōu)良[8]。為保證濕拌砂漿的工作性能，目前業(yè)界普遍的做法還會加入聚合物組分（可再分散性膠粉或膠乳），膠粉是高分子聚合物乳液通過高溫高壓、噴霧干燥、表面處理等一系列工藝加工而成的水溶性有機聚合物[9]。比較常見的品種有醋酸乙烯酯和乙烯共聚乳膠粉（EVA）、聚丙烯酸酯（PAE）。可再分散乳膠粉可以改善水泥砂漿的孔結構，提高砂漿的粘結力，此聚合物的加入可有效提高硬化后水化產物的力學強度及抗?jié)B性。根據作者之前進行的濕拌砂漿相關研究，聚合物可在砂漿凝結硬化后期形成空間三維狀的網絡結構，如圖1 所示。

由圖1 可以看出，砂漿水化28 d 后，聚合物形成的薄膜結構與水泥水化產物交叉連生在一起，形成的薄膜有效的阻隔了水泥水化產物中所產生的的毛細孔道，一方面提升了砂漿的抗?jié)B性，另一方面由于硬化漿體中存在數(shù)量巨大的薄膜，可有效提升砂漿的抗折強度，提高體系的韌性。

2.2 水

濕拌砂漿用水與混凝土的要求相同，應選用無有害雜質的潔凈水。

2.3 細骨料

濕拌砂漿使用的細骨料主要為機制砂和天然砂。天然砂（河砂）是巖石經過風吹日曬或是流水侵蝕而形成的，其砂粒一般為圓形或橢圓形，形狀較為規(guī)則，拌合后形成的砂漿體系流動性強，是一種性能優(yōu)良的天然骨料。但是近些年來，隨著我國工程建設的不斷增加，河砂作為短時間內不可再生資源已經遭到大量的開采，并且隨著“十九大”環(huán)保政策的提出，為保護環(huán)境和資源，國家對天然砂石的開采采取了一系列的限制措施，與此同時，為滿足工程建設對砂石骨料的需求，國家出臺了一系列鼓勵機制砂石生產的產業(yè)政策。所以機制砂石替代天然砂石已成為混凝土行業(yè)未來的發(fā)展方向。

機制砂是指用巖石經過開采，去除泥土，而后進行機械破碎，再篩分得到的砂石材料。一般機制砂顆粒的表面比較粗糙，棱角尖銳分明，形狀不規(guī)則且針片狀較多，與水泥漿體之間有較大的摩擦，會產生較大的咬合力，對砂漿的抗壓強度有所提高，但當水泥用量不變的情況下，機制砂粗糙的表面會降低砂漿的工作性能，增加施工的難度。此外需要注意的是，砂的細度模數(shù)在很大程度上會影響砂漿的力學性能。若是機制砂的細度模數(shù)太大，就會造成砂漿包裹性差、和易性差，容易出現(xiàn)離析泌水的現(xiàn)象，不能滿足砂漿的力學性能，這時需要增加砂率來改善砂漿的和易性或是調整外加劑用量來防止泌漿；如果砂子的細度模數(shù)太小，會造成配制的砂漿流動性差、坍落度小，不能滿足施工要求，若通過添加一定量的水來改善其流動性，這樣拌制的砂漿容易發(fā)生收縮導致開裂現(xiàn)象的出現(xiàn)[10]，需要降低砂率來提高砂漿的流動性。

吳春麗等[11]通過選用不同細度模數(shù)的鎳鐵渣機制砂，在單摻情況下研究機制砂細度模數(shù)和替代比例對濕拌砂漿工作性能的影響，研究結果表明細度模數(shù)為2.5 的鎳鐵渣機制砂制備的砂漿具有良好的工作性能，替代率宜選擇50%。石從黎等[12]研究結果表明特細機制砂和細機制砂拌制的砂漿比天然砂砂漿的抗干燥收縮性能更好。在配合比相同的條件下，與河砂砂漿相比，機制砂制成的的砂漿的屈服應力較大，塑性粘度較小，流變參數(shù)經時變化較大，觸變性較小[13]。當濕拌砂漿中含有更多粗顆粒的機制砂，就會使得顆粒的移動摩擦力相對比較大，進而在一定程度上降低了砂漿的流動性能。因此，在配置砂漿的過程中，必須結合實際情況選擇具有良好級配的機制砂。良好的顆粒級配不僅能有效降低砂的空隙率，還能減少膠凝材料的使用量，并且有效保障砂漿的工作性能[14]。

另外，機制砂在生產過程中會產生大量的石粉，為了滿足標準要求，通常要將多余的石粉進行脫塵處理，未經過特殊處理的機制砂直接用于濕拌砂漿時，摻量只有在50%以內時砂漿工作性能滿足要求[15]。在一些研究中，學者們發(fā)現(xiàn)機制砂中含有少量的石粉阻塞砂漿內部的連通孔，使砂漿或者混凝土的孔隙率降低，從而減少孔隙內自由水蒸發(fā)，減少砂漿的收縮，并提高他們的抗離子滲透性[13]。當砂漿總的用水量一定時，隨著機制砂中石粉含量的增加，砂漿流動度減小，而砂漿表觀密度和保水率則隨機制砂中石粉含量的增加而呈增大的趨勢。石粉的含量會對砂漿的強度產生一定的影響。這是因為石粉含量增加會導致砂漿中固體顆粒的比表面積增加，就需要更多的水去浸潤砂漿的表面，總的用水量不變，砂漿體系中的自由水就會減少，導致砂漿的流動性降低，若增加用水量，就會導致砂漿的強度降低。此外，當機制砂中含有一定量的石粉時，其石粉的作用相當于礦物摻合料，對砂漿漿體起到很好的填充作用，使砂漿體系更為密實。

2.4 外加劑及其他組成材料

外加劑是指能明顯改善砂漿性能的少量物質的總稱。

2.4.1 減水劑

以減水劑來說，現(xiàn)在市場上在預拌砂漿中使用比較多的減水劑的類別可分為：萘系高效減水劑、三聚氰胺系高效減水劑及聚羧酸系減水劑（PCE）。加入適量的聚羧酸鹽和萘系減水劑后，可以增強水泥砂漿的抗折能力和抗壓強度，相比于傳統(tǒng)的氨基磺酸鹽和萘系減水劑，聚羧酸系減水劑在減水效果與對砂漿的塑化方面性能更加優(yōu)異。從工作性能上來看，聚羧酸系減水劑（PCE）具有摻量低、減水率高且環(huán)保等特點，應該成為日后行業(yè)使用的重點減水劑，但是PCE 在水泥顆粒表面的有效吸附量、吸附層覆蓋情況等決定空間位阻效應大小的關鍵參數(shù)仍未得到確定[16]。

朱玉雪等[17]采用和易型聚羧酸系高性能減水劑（PCE）、改性纖維素醚和超緩釋型PCE 制備了新型濕拌砂漿外加劑，在不影響濕拌砂漿工作性能的前提下大大增加了砂漿的保塑能力。曹小榮等[18]用淀粉醚、鋁酸鈉、聚丙烯酸鈉、聚丙烯酰胺按照不同的比例配制成的減稠度外加劑，適用于稠度過高的濕拌砂漿，對濕拌砂漿的工作性能影響很小。

2.4.2 緩凝劑

濕拌砂漿考慮到運輸過程中不可控因素的影響，包括濕拌砂漿在工地儲存的時間遠大于商品混凝土，因此對砂漿的和易性、凝結時間和工作性能的穩(wěn)定性有一定的要求[19]。因此，緩凝劑往往是濕拌砂漿中較為重要的一類外加劑。緩凝劑可分為有機和無機兩大類。目前，濕拌砂漿使用的有機緩凝劑主要為羥基羧酸及其鹽類。其中以葡糖糖酸鈉和白糖為例，葡萄糖酸鈉摻量增大，其緩凝作用增強。在水化初期，由于葡萄糖酸鈉吸附、絡合和潤濕作用，限制了C3S 的水化，阻止CH 的生成，降低水化熱，并延緩水化結構的形成[8]。

2.4.3 保水劑

除緩凝劑外，濕拌砂漿一般還需加入保水劑。保水劑一般使用纖維素醚?，F(xiàn)在在濕拌砂漿中經常使用的是甲基羥乙基纖維素醚（MHEC）和甲基羥丙基纖維素醚（MHPC）。纖維素醚具有優(yōu)異的保水性能，粘結力強，具有良好的增稠效果，有明顯的引氣作用且溶解性好；在摻量增加的情況下，砂漿的凝結時間會變長，但是會降低砂漿的強度。

2.4.4 引氣劑

引氣劑是一種活性劑，主要品種包括松香樹脂類、烷基和烷基芳烴磺酸類、皂苷類及蛋白質鹽。其作用是可以在砂漿中引入比較細小的氣泡，增強砂漿的保水性能，改善砂漿的和易性，氣泡還可以起到潤滑作用提高砂漿的泵送性。王全磊等[20]經過實驗發(fā)現(xiàn)引氣劑和減縮劑混合加入到砂漿中，砂漿的收縮率無明顯變化，且抗裂性能得到增強。目前國內傳統(tǒng)引氣劑主要為松香皂及松香熱聚物， 存在產品溶解性差，與其他外加劑復合性差、對強度降低較大等缺點。

2.4.5 纖維

在濕拌砂漿中使用較多的纖維可分為化學合成纖維和木纖維。在濕拌砂漿中加入適量長短不一的木質纖維，可以有效的增強砂漿的抗裂性，增強產品的觸變性能，木纖維可以明顯的增強砂漿的韌性和抗折能力，很大程度上可以防止裂紋的出現(xiàn)，但是木纖維對砂漿的耐久性影響仍需要進一步的研究[21]。化學合成纖維經過表面改性以后，可以在摻量低的情況下就能有效提高砂漿抗裂性，對力學性能無明顯影響。

3 發(fā)展前景及展望

隨著我國基礎建設的不斷擴大，很多地區(qū)的天然砂已經供不應求，并且天然砂的過度開采會造成當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的嚴重破壞。因此，機制砂取代天然砂已經成為建筑材料行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。機制砂由于其母巖不同因而性質各異，機制砂的砂粒形狀和大小對于濕拌砂漿的性能有很大影響。因此機制砂的深入研究對于濕拌砂漿的未來發(fā)展具有重大的意義，研究不同種類機制砂巖石原料的生產工藝是生產優(yōu)質機制砂的重要條件。機制砂巖的顆粒級配、形狀，以及石粉含量和特性對于濕拌砂漿的推廣和發(fā)展具有重要作用。

2007 年 6月，商務部 、住房城鄉(xiāng)建設部等 6 部委聯(lián)合下發(fā)《關于在部分城市限期禁止現(xiàn)場攪拌砂漿工作的通知》，使得預拌砂漿得以更廣泛的被大眾所熟知和認可。各地有關部門要加強對當?shù)噩F(xiàn)場拌制砂漿的檢查和打擊力度。完善并落實有關預拌砂漿方面的法律、法規(guī)政策；工程造價管理部門應定時發(fā)放有關預拌砂漿的價格信息；施工單位要對進場的材料進行嚴格檢驗和抽查，強化施工人員的專業(yè)技術，確保施工的效率。政府要起帶頭作用，大力發(fā)展和實施推進預拌砂漿的生產和使用，有助于減少粉塵對周圍環(huán)境的影響，對生態(tài)保護起到積極的作用。而預拌砂漿中的濕拌砂漿，無論是從其能源消耗率、環(huán)境保護或者是工作性能方面，都要比現(xiàn)場拌制的砂漿更安全可靠。濕拌砂漿會逐步成為我國建筑行業(yè)的主要工業(yè)材料，為我國的綠色發(fā)展做出突出貢獻。