《抗感染药学》杂志【期刊订阅】【在线投稿】

钠基膨润土对砌筑砂浆性能的影响

郅磊，蹇守卫，周浩

（1-洛阳中联水泥有限公司，洛阳 471299. 2-武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070）

摘要：针对钠基膨润土的不同掺量对砌筑砂浆的物理性能以及砂浆硬化后的力学性能和微观形貌的影响进行研究。结果表明：在水泥砂浆中，随着掺入钠基膨润土掺量的增加，新拌砂浆的湿密度、流动性能有所降低，但其保水性能逐渐增加并趋于稳定；同时，砂浆7d、28d抗折抗压强度均表现出减小的趋势，当其掺量为3.0%时，7d抗压强度降低63.7%，28d抗压强度降低47.5%；砂浆的拉伸粘结强度、线性收缩值随着膨润土掺量的增加逐步增大。

关键词：钠基膨润土；砌筑砂浆；力学性能；微观形貌

The Influence of Sodium Bentonite on Masonry Mortar Properties

ZHI Lei¹, JIAN Shouwei², ZHOU Hao²

（1-China United Cement Corporation of Luoyang, Luoyang 471299. 2-State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070）

Abstract：According to studying the influence of different dosages of sodium bentonite on the physical properties, the mechanical properties of hardened mortar and microstructure morphology of masonry mortar. The results show that: adding sodium bentonite to cement mortar, with the increase of the dosages, the wet density and the flow performance of mortar were reduced, but the water retention was increased gradually and then to stabilize; Meanwhile, the 7d, 28d flexural and compressive strength decreased: when the sodium bentonite content is 3%, 7d compressive strength decreased 63.7%, 28d compressive strength decreased 47.5%; tensile adhesive strength and linear shrinkage would increased.

1前言

砌筑砂浆是将胶凝材料、细骨料和水按一定比例混合均匀搅拌形成的砂浆，主要用于砌筑墙体、基础、烟囱以及地面构筑物，起粘结砌块和传递载荷的作用，是墙体结构的重要组成部分^[1]。

膨润土是以蒙脱石为主的含水粘土矿，其主要成分为二氧化硅(SiO₂)、三氧化二铝(Al₂O₃)和水等化学组分组成。其中所含的Na₂O和CaO含量对膨润土的物理化学性能和工艺技术性能影响颇大。按蒙脱石所含可交换阳离子种类、含量和结晶化学性质等，可将膨润土划分为钠基膨润土（碱性土）、钙基膨润土（碱土性土）和天然漂白土（酸性土或酸性白土）三种。钠基膨润土是指其主要矿物蒙脱石层间主要交换阳离子Na+，碱性系数≥1的一种碱性土。其主要特性为：吸水速度慢，但吸水率和膨胀倍数大；阳离子交换量高；在水介质中分散高，胶质价高，具有很高的使用价值和经济价值较高^[2-4]。

建筑砂浆设计强度等级通常较低，普通砂浆强度较易满足其要求^[5-6]，但在和易性、保水性和施工性等方面存在缺陷，涂抹后容易开裂甚至剥落，不利于商品砂浆的推广及大规模使用。为了保证砂浆的和易性及保水性，就需要加入必要的外加剂进行改善。钠基膨润土本身具有很好的吸水和保水性能，可将膨润土应用于增稠保水材料的配制^[7-8]。

2原材料与实验方案

2.1原材料

水泥：采用武汉华新水泥生产的P.O. 42.5普通硅酸盐水泥，其物理性能见表1，化学成分分析见表2。

表1 水泥物理性能

细度

（80um，%）

标准稠度用水率（%）

凝结时间/h

抗压强度/MPa

抗折强度/MPa

初凝

终凝

28d

3.20

26.75

2.70

2.95

25.98

42.35

6.35

9.67

表2水泥的化学组成

SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	TiO₂	SO₃	Loss
21.04	6.94	2.36	61.27	1.32	0.19	1.94	3.76

粉煤灰：采用武汉阳逻电厂的II级粉煤灰，主要成分为SiO₂和 Al_1.272 Si_0.728 O_4.864，物理性能见表3。

表3 粉煤灰物理性能

项目	密度（g/cm³）	45um筛余/%	80um筛余/%
参数	21.04	6.88	2.37

硅灰：采用武汉钢铁股份有限公司生产密致硅灰，SiO₂含量>85%；

灰钙粉：采用湖北黄石玉清矿粉厂生产的工业级灰钙粉，纯度90%以上，主要成分为CaCO₃和Ca(OH)₂；

钠基膨润土：采用上海试四赫维化工有限公司产的化学纯CP膨润土，技术指标见表3。

表3 膨润土技术指标

膨胀性试验	胶质性试验	pH（25℃）	砷w/%	砂质w/%
合格	合格	8.0~11.0	≤0.001	≤0.05

砂：标准砂。

拌合水：自来水。

2.2实验方案

试验通过在普通砂浆配合比的基础上，掺入不同掺量（0-3%）的钠基膨润土，水胶比0.45，胶砂比2:3，进行胶砂试验。其中胶凝材料为水泥：粉煤灰：硅灰：灰钙粉=9:8:2:1。实验过程中采用砂浆程控搅拌机进行搅拌，搅拌过程为先慢搅60s，在后30s时间同时加砂，稳停90s后快搅90s，整个过程持续240s。取得到的砂浆拌合物做湿密度、保水性和流动度测试，将剩余的砂浆倒入40mm×40mm×160mm试模成型，在标准条件（温度20±3℃，湿度大于90%以上）下养护至相应龄期做抗折抗压强度试验，以蒸压加气混凝土混凝土砌块为基体，测试28d拉伸粘结强度。

3试验结果及分析

3.1 钠基膨润土对新拌砂浆流变性能的影响规律

不同掺量膨润土对砂浆流变性能的影响如图1所示。

（a）（b）

图1不同掺量膨润土对砂浆流变性能的影响

图1为不同掺量膨润土-水泥砂浆剪切应力和表观粘度与剪切速率的关系曲线，取剪切速率由0s^-1增大到200s^-1阶段时的数据得到剪切应力和表观粘度与剪切速率之间的关系曲线。由图1（b）可知，在膨润土掺量为0%到3%范围时，其最大粘度大体随掺量的增加呈现出增大的趋势，且在掺量为0.5%、1%、2%和3%时粘度最大值相对于未掺加纤膨润土时增幅分别为147%、87%、194%和300%。表明膨润土在对水泥砂浆的早期粘度起到了增强的作用。可能的原因是膨润土具有吸湿性，吸水后膨胀可达原体积的30余倍，在水介质中能分散呈胶体悬浮液，这种悬浮液具有一定的粘滞性、触变性和润滑性，加上自身具备的吸附能力，表现为砂浆的表观粘度的增加。

3.2 钠基膨润土对新拌砂浆物理性能的影响规律

图2 湿密度随钠基膨润土掺量的变化图3 保水率随钠基膨润土掺量的变化

如图2所示，随着膨润土掺量的增加，砂浆拌合物湿密度略有所下降，这表明，膨润土溶入浆体后，浆体的体积略有膨胀。如图3所示，砂浆拌合物的保水性随膨润土掺量的增加表现出先增加后趋于稳定，但增加幅度并不明显；未掺膨润土时，砂浆的保水率为97.8%，膨润土掺量为1.0%时，砂浆的保水率为98.5%，仅提高0.7%。但由于随着膨润土的掺入，提高了砂浆的用水量，同样质量砂浆中保持的水分增加，这不仅有利于砂浆保持良好的工作性，而且使得砂浆中有足够的水进行后期水化。

图4 为砂浆流动度随钠基膨润土掺量的变化，如图所示，砂浆流动度随膨润土掺量的增加而显著降低；这是由于膨润土的加入，在水中溶解会形成高度分散的网状结构，吸收自由水为网状结构中的结合水。当有外力作用时，网状结构被破坏，凝胶物变为低粘滞性的悬浮液。

3.3 钠基膨润土对新拌砂浆力学性能的影响规律

图5砂浆抗折强度随钠基膨润土掺量的变化图6砂浆抗压强度随钠基膨润土掺量的变化

图5、图6分别为砂浆7d、28d抗折、抗压强度随钠基膨润土掺量的变化曲线。由图可以看出，随着膨润土掺量的增加，砂浆7d、28d抗折抗压强度均表现出减小的趋势，具体表现为当膨润土掺量从0.5%增加到3%时，7d抗折强度分别降低了15.6%、22.2%、37.8%、53.3%，抗压强度分别降低了29.3%、38.8%、44.2%、63.7%；28d抗折强度分别降低了6.3%、25.4%、33.3%、39.7%，抗压强度分别降低了29.3%、38.8%、44.2%、47.5%。图7和图8分别为砂浆拉伸粘结强度、线性收缩率随钠基膨润土掺量的变化曲线。由图可知，砂浆的拉伸粘结强度、线性收缩值随着膨润土掺量的增加逐步增大。最大砂浆拉伸粘结强度约为空白砂浆的1.6倍，最大线性收缩为空白砂浆的1.4倍。

图7砂浆拉伸粘结强度随钠基膨润土掺量的变化图8砂浆线性收缩随钠基膨润土掺量的变化

实验表明：膨润土对砂浆粘结强度有一定的增强，但是相对抗压强度的下降，粘结强度增强的效果被削弱了，同时造成了砂浆线性收缩率的增大，不利于抵抗砂浆开裂和内部空腔的形成。

4微观性能与水化速率

4.1XRD分析

图9 掺入不同掺量膨润土XRD图谱

图9由上至下分别为膨润土掺量为0%、0.5%、1%、2%、3%的砂浆28d图谱。图谱中主要检测到SiO₂、CaCO₃和钙矾石的衍射峰。由图可以看出，膨润土的掺入并没有改变水化产物的种类。随着膨润土掺量的增加，SiO₂峰强减弱的幅度相对最大，而CaCO₃峰强相对于SiO₂峰强有了大的增强，表明28d水化产物中由一定量的CaCO₃产生，甚至超过了本身具有的SiO₂晶体。而钙矾石的衍射峰强没有明显变化，说明膨润土并没有促进钙矾石的生成。

4.2SEM分析

（a）水泥砂浆28d水化 SEM（×5000倍）图谱

（b）掺膨润土水泥砂浆28d水化 SEM（×5000倍）图谱

图10 砂浆28d水化SEM图谱对比

图10为砂浆28d水化SEM图谱。由图10（a）中水泥砂浆×5000倍SEM扫描可以看出，砂浆中存在大量的水化硅酸钙C-S-H凝胶、呈针状的钙矾石和呈六方板块的Ca（OH）₂等物质。在水泥砂浆×10000倍SEM扫描看出少量细小的针状钙矾石水泥未水化物质颗粒表面和之间，相互联结成网状结构，水化硅酸钙C-S-H凝胶填充于水泥颗粒之间，形成结构致密的复合体。可以随着水泥水化作用的进行，水分减少留下孔隙。表面孔隙较少，受到破坏时相应能够吸收更大的应力，表现出较高的强度。

由图10（b）中膨润土×5000倍SEM扫描可以看出，掺量为0.5%时，产生的聚合物与水泥水化产物形成膜状物，附着在水泥水化产物表面构成网状结构，在应力作用下可以吸收能量抑制微裂纹的产生，从而有效控制砂浆的开裂、空腔。聚合物膜自身的拉伸粘结强度高，对水泥砂浆的拉伸粘结强度有较大改善。

5结论

在新拌砂浆中掺入一定量的钠基膨润土，对其物理性能、力学性能、流变性能及微观形貌上均会出现不同程度的变化：

（1）随着膨润土掺量的增加，砂浆拌合物湿密度略有所下降；保水性表现出先增加后趋于稳定，但增加幅度并不明显；砂浆流动度显著降低。由于膨润土的加入，在水中溶解会形成高度分散的网状结构，吸收自由水为网状结构中的结合水。当有外力作用时，网状结构被破坏，凝胶物变为低粘滞性的悬浮液。

（2）随着膨润土掺量的增加，砂浆7d、28d抗折抗压强度均表现出减小的趋势，掺量为3.0%时，7d抗折强度降低53.3%、抗压强度降低63.7%，28d抗折强度降低39.7%，抗压强度降低47.5%；砂浆的拉伸粘结强度、线性收缩值逐步增大。最大砂浆拉伸粘结强度约为空白砂浆的1.6倍，最大线性收缩为空白砂浆的1.4倍。