砂浆拌和物和易性试验研究
砌筑砂浆在配制时必须满足《砌筑砂浆配合比设计规程》（JGJ 98-2000），其中明确规定了砂浆技术指标。在工程实践中普遍重视砂浆强度而忽视砂浆和易性，实际上，砂浆和易性对砂浆应用影响最大。砂浆在工作时是一薄层状态，操作主要为人工，只有和易性好才能使砂浆均匀，起到平整、传递荷载的作用。沙漠砂用于工程建设，首先必须满足和易性。
沙漠砂的细度模数为1.21，具有较大的比表面积，需要较多的水泥浆量包裹砂粒表面形成润滑层，砂浆拌和物的和易性才有所保证。因此，单方砂浆中水泥用量拟提高至450kg。
沙漠砂砌筑砂浆配合物比及拌和物性能见表9.6。
表9.6 沙漠砂砌筑砂浆配合比及拌和物性能
9.1.3.1 砂浆中掺和料的选择
建筑工程的砌筑砂浆大多采用水泥砂浆或水泥石灰砂浆，以石灰膏作为掺和料。但是实际工程中发现石灰膏质量不稳定，导致砌筑砂浆强度低，易产生裂缝，而且石灰粉的价格比粉煤灰高，从保证质量和降低成本方面考虑，弃用石灰膏，以粉煤灰作为掺和料配制砌筑砂浆（图9.1）。粉煤灰是具有球状外形的细小颗粒，其微观状态为玻璃体（图9.2），主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3。在水泥砂浆中用粉煤灰替代等质量的水泥，体积相对于水泥来说大约增加30％，增大了浆体与砂的体积比，大量的浆体充填于砂颗粒间的空隙，包裹并润滑砂颗粒，减少了砂粒间的摩擦阻力，砂浆拌和物的流动性提高，同时对保水性也有一定的改善。掺加粉煤灰对砌筑砂浆强度的影响，主要取决于粉煤灰的潜在火山灰活性作用，这种活性作用主要指粉煤灰中玻璃态的活性氧化硅、活性氧化铝与水泥砂浆中的氢氧化钙反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等水硬性胶凝物质。掺入粉煤灰的砌筑砂浆随着龄期增加，粉煤灰活性逐渐发挥，硬化砂浆后期的物理力学性能会得到可靠保证。
图9.1 砂浆拌和过程
图9.2 电子显微镜下呈玻璃体状的粉煤灰颗粒
水泥粉煤灰混合砌筑砂浆既能满足砌筑砂浆的施工及规范要求，又能为建筑工程节约大量石灰，利于降低成本，粉煤灰作为工业废弃物在砂浆的应用符合国家环保政策，经济效益和社会效益显著。
9.1.3.2 外加剂对砂浆用水量的影响及其机理
由于砂较细，砂浆需水量太大，掺加由减水剂、引气剂、水玻璃组成的复合外加剂后，砂浆的用水量明显下降，在砂浆拌和物稠度基本相同的情况下，其用水量减少约15％。
（1）聚羧酸系高效减水剂作用机理
复合外加剂中减水组分采用聚羧酸系高效减水剂。聚羧酸系高效减水剂的减水分散作用机理是以静电斥力、空间位阻（又称立体效应、立体排斥效应）、络合作用为主兼具水化膜润滑作用、润湿作用等几种作用相互叠加的结果，通过破坏絮凝结构释放出游离水，而使水泥粒子分散。聚羧酸系减水剂在水泥颗粒上形成吸附形态的主要物质与分散减水剂一般均为阴离子表面活性剂，其分子结构中含有很多活性基团，可以吸附在水泥颗粒及其水化物上，形成具有一定厚度的吸附层和一定的吸附形态，从而大大改变了固液界面的物化性质和颗粒之间的作用力。聚羧酸系高性能减水剂分子中的磺酸基（—SO3H）和羧基（—COOH）提供了吸附点和静电斥力，使减水剂分子定向吸附在水泥颗粒表面，部分极性基团指向液相，亲水基团的电离作用使得水泥颗粒表面带上电性相同的电荷，形成双电层。当水泥颗粒相互靠近，电层之间相互重叠时，水泥颗粒之间就产生静电斥力，水泥颗粒絮凝结构解体，颗粒相互分散，释放出包裹于絮团中的自由水，从而有效地增大拌和物的流动性。聚羧酸减水剂分子中含有大量的极性基团，如羧基（—COOH）、羟基（—OH）、磺酸基（—SO3H）、醚键（R—O—R′）和氨基（—NH2）等，这些极性基团都具有较强的亲水作用，可与水分子缔合形成氢键，提高水泥颗粒表面的润湿性，使水浸透到颗粒间的更狭小的细孔中。减水剂分子吸附在水泥颗粒表面后，在水泥颗粒表面形成一层具有一定机械强度的溶剂水化膜，水化膜的形成可破坏水泥颗粒的絮凝结构，使水泥颗粒充分分散，并产生阻碍凝聚的效果（图9.3）。
图9.3 减水剂作用机理示意图
图9.4 十二烷基磺酸钠作用形成的微小封闭气泡
（2）十二烷基磺酸钠引气剂作用机理
引气组分采用十二烷基磺酸钠，其主要成分是表面活性剂，砂浆中加入十二烷基磺酸钠后，由于表面活性剂的作用，降低了水的表面张力及表面能，在砂浆经搅拌时容易产生气泡，同时表面活性剂在气泡表面富集吸附于气泡表面做定向排列，形成单分子吸附膜，使液膜具有机械强度且不易破裂。十二烷基磺酸钠的作用，其微小封闭气泡（图9.4），在砂浆拌和物中起到了滚珠轴承的作用，降低了砂浆拌和物流动过程中砂粒间的摩擦阻力，使砂浆拌和物的流动性大大提高，且保水性良好，施工操作方便。
（3）水玻璃作用机理
水玻璃组分，采用模数为2.4，固含量（固相与水的质量比）为36％的水玻璃，水玻璃溶液自身所具有的黏稠状态可使砂浆拌和物的保水性有一定提高，泌水现象有所下降（图9.5）。相比甲基纤维素，水玻璃一般不会降低砂浆的抗压强度。有文献表明固相粉煤灰颗粒和液相水玻璃之间会发生固液两相反应。当粉煤灰和水玻璃溶液混合后，其中的铝硅玻璃相在激发剂的作用下发生解聚作用形成低聚的［SiO4］和［AlO4］。随后低聚态的［SiO4］和［AlO4］产生缩聚作用形成了［Mx（AlO2）y（SiO2）z·nMOH·mH2O］胶体，该胶体很快在粉煤灰颗粒表面沉淀。并将没有反应的粉煤灰颗粒粘结起来，最终形成粉煤灰基矿物聚合物，具有一定的力学强度水平。
9.1.3.3 砂浆分层度对比试验
砂浆的保水性是指砂浆保全水分的能力，保水性不好的砂浆容易泌水离析，从而影响其使用性能。砂浆的保水性用分层度测定（图9.5），其步骤如下：
图9.5 砂浆分层度试验
图9.6 砂浆稠度试验
1）测定砂浆拌和物稠度（图9.6）；
2）将砂浆拌和物一次装入分层度筒内，待装满后，用木锤在容器周围轻击，如砂浆沉落到低于筒口，随时添加，然后刮去多余的砂浆并用抹刀抹平；
3）静置30min后，去掉上节200mm砂浆，剩余的100mm砂浆倒入在拌和锅内拌2min，再测稠度，前后测得的稠度之差为该砂浆的分层度值。其中，稠度试验操作程序如下：
a.擦净容器和试锥，用润滑油轻擦滑杆，使其能自由滑动；
b.将砂浆拌和物一次装入容器，使砂浆表面低于容器口约10mm左右，用捣棒自容器中心向边缘插捣25次，然后轻轻将容器摇动5～6下，使砂浆表面平整，随后将容器置于稠度测定仪的底座上；
c.拧开试锥滑杆制动螺丝，向下移动滑杆，试锥尖端与砂浆表面接触时，拧紧制动螺丝，使齿条侧杆下端刚接触滑杆上端，将指针对准零点上；
d.拧开制动螺丝，同时计时间，待10s后立即固定螺丝，将齿条测杆下端接触滑杆上端，从刻度盘上读出下沉深度，即为砂浆的稠度值。
通过试验得知，未掺复合外加剂的砂浆拌和物的分层度为40mm，不符合砌筑砂浆技术规程中“分层度不大于30mm”的规定。掺加复合外加剂的砂浆拌和物的分层度减小，基本符合要求。在H3的砂浆配合比中掺加一定的粉煤灰（粉煤灰等量取代率11％，即50kg粉煤灰取代等量水泥，额外掺和50kg粉煤灰用于改善砂浆拌和物的和易性），砂浆拌和物的分层度进一步减小，保水性得到改善，砌筑砂浆的现场施工性得到提高。
9.1.3.4 砂浆湿表观密度的变化
由于复合外加剂中的引气组分使砂浆的含气量增加，砂浆拌和物在相同质量的前提下体积增加，因此掺复合外加剂的砂浆拌和物的湿表观密度必然会减小。为了测定由于掺入复合外加剂对砂浆湿表观密度的影响，进行了湿表观密度试验，其主要步骤如下：
1）首先测定拌好的砂浆稠度，当砂浆稠度大于50mm时，用插捣法，当砂浆稠度不大于50mm时，用振动法。
2）称量容量筒重，精确至5g。将容量筒漏斗套上，将砂浆拌和物装满容量筒并略有富余。插捣法时，将砂浆拌和物一次装满容量筒，使稍有富余，用捣棒均匀插捣25次，插捣过程中如砂浆沉落到低于筒口，则应随时添加砂浆，再敲击5～6下；振动法时，将砂浆拌和物一次装满容量筒连同漏斗在振动台上振10s，振动过程中如砂浆沉入到低于筒口，则应随时添加砂浆。
3）捣实或振动后将筒口多余的砂浆拌和物刮去，使表面平整，擦净容量筒外壁，称出砂浆与容量筒总重，精确至5g。
依据《砌筑砂浆配合比设计规程》（JGJ 98-2000），混合砂浆拌和物密度不宜小于1800kg/m3，并不是强制规定。而试验表明毛乌素沙漠砂混合砂浆拌和物密度在1740kg/m3以上，故不影响砂浆性能。
在掺加粉煤灰及复合外加剂的前提下，水泥用量控制在450kg的水平下，H3组配合比的和易性满足规范要求，综合考虑强度评测，发现强度偏低（表9.7，表9.8）。分析原因有可能1＃水泥风化潮解导致强度偏低所致，重新购置P.C32.5级复合硅酸盐水泥（即2＃水泥）进行第二批试验。
表9.7 砂浆强度增长情况
表9.8 砂浆强度等级评定
注：强度换算系数取1.35。