水泥基自流平砂浆的研制

水泥基自流平砂浆的研制0 前言水泥基自流平地坪砂浆是由无机胶凝材料、细骨料、填料、乳胶粉及多种添加剂复配而成的单组分砂浆。

施工时,只须按规定的水灰比加水搅拌均匀,人工或泵送浇注于水泥砂浆找平层的地面上,用镘刀和带刺的消泡滚筒均匀地摊铺开,靠浆体的自重及流动性自流平,固化后形成一个整体无缝、平整光滑、防水防腐、透气性好、强度高、耐磨损、经济耐用的地坪面层。

无机自流平材料技术在欧美及日本已相当成熟,施工应用亦比较普遍,相比之下,我国对该材料的基础研究、开发应用还存在着一定差距。

尽管已有不少厂家的自流平砂浆面市,但是,由于自流平砂浆是由多种材料组成的复杂系统,对原材料的品种、规格、用量及其搭配要求非常严格,配方的可变性较大,所以市售产品性能的稳定性不够理想,影响了其推广应用。

笔者经多年研究与试验,研制成一种经济、环保、薄层、速凝、高强的水泥基自流平地坪砂浆,既可做流动性找平砂浆,又可做自流平面层砂浆。

材料在低水灰比条件下具有良好的流变性；在大流动性前提下有良好的粘聚性和防止渗水、离析性能。

可广泛应用于地下停车场、车间、仓库、商场、展厅、办公楼及商住等地面铺设,亦可在其上再铺设地毯、复合木地板、PVC片材等,或涂刷有机树脂类地坪涂料,形成复合彩色地坪。

1 试验部分1.1 原材料P.O42.5普通硅酸盐水泥；高铝水泥；硬石膏粉；水洗河沙,70～140目；重钙粉,400目；粉煤水泥基自流平砂浆的研制灰,320目；硅灰；可再分散胶粉：FL32;缓凝剂；早强剂；消泡剂；无机颜料。

1.2 基本配方(见表1)1.3 试验方法自流平砂浆的制备参照PrEN1937《地面用自流平砂浆的试验方法标准搅拌程序》进行。

物理力学性能试验,按照由国家发展和改革委员会批准,并于2005年8月1日正式实施的JC/T985-2005《地面用水泥基自流平砂浆》行业标准规定的试验方法进行。

1.4 物理力学性能指标(见表2)2 结果与讨论2.1 水泥对自流平砂浆强度的影响水泥自流平地坪砂浆大多是快干、早强体系,其快干、早强性能主要是通过调整普通水泥与高铝水泥的配合比来实现的。

普通硅酸盐水泥凝结速度一般、早期强度较低、后期强度增长显著；高铝水泥水化热大,放热快且集中,凝结速度快,早期强度高,其1 d的强度可达到普通硅酸盐水泥3 d强度的80%以上[1],3 d强度相当于后者28 d的强度,且结构致密、抗渗性、抗腐蚀性优良,但后期强度增长不太明显。

将两种水泥配合使用,可以达到优势互补的效果。

水泥自流平砂浆按水泥种类的配合量分为两种：一种以普通硅酸盐水泥为主、以高铝水泥为辅；另一种以高铝水泥为主、以普通硅酸盐水泥为辅。

后者可再分散胶粉的用量可达8%,成本高,但凝结硬化快、强度高,施工后2 d即可进行下道作业。

根据JC/T985-2005标准要求,结合我国的国情,本研究以第一种砂浆为基础。

在试验配方中,保持水泥总量为30%的条件下,固定其他因素不变,只改变普通水泥和高铝水泥的配合量,检测水泥砂浆的抗压强度、抗折强度,结果见表3。

由表3可知,随着高铝水泥用量的提高,砂浆的早期强度和后期强度相应提高,尤其是早期强度提高幅度更大。

当高铝水泥用量为5%时,1 d抗压强度为4.1 MPa,小于标准规定的≥6 MPa；当高铝水泥用量达到10%时,水泥砂浆的早期强度和后期强度均很优良。

因此,本试验选用高铝水泥用量为≥10%。

2.2 硬石膏对砂浆体积变化率的影响在自流平砂浆中,为了降低砂浆的体积收缩率,常掺加α-半水石膏或硬石膏、石灰粉、膨胀剂等,利用材料的微膨胀特性补偿砂浆体积的干收缩损失,以保持砂浆体积的稳定性。

本试验选用廉价易购的硬石膏,它能在不增加用水量的前提下,快速释放硫酸根离子,协助水泥水化产物的形成,并且不会导致硬化后的自流平砂浆强度下降。

在配方各因素不变的条件下,只改变硬石膏的掺加量,检验砂浆的体积变化率,结果见表4。

由表4可以看出,随着硬石膏掺量的增加,砂浆的体积收缩率逐渐变小,当掺加量达到7%时,体积的变化率近似于0；继续提高掺加量,则出现微膨胀并逐渐增大膨胀率。

砂浆体积的干收缩或膨胀率超过一定值后,均会导致有砂浆开裂,因此,保持砂浆体积的收缩或膨胀率以接近0最理想。

2.3 可再分散胶粉对自流平砂浆性能的影响可再分散胶粉是配制水泥自流平砂浆的关键材料,对提高多孔结构、非匀质性水泥砂浆的粘结强度、抗折强度、柔韧性、抗裂性、抗渗性、耐久性有重要作用,而对抗压强度略有负面影响。

通过采集大量的乳胶粉样品进行对比试验,最终选用了易来泰的FLOWKIT32,这是一种配制自流平砂浆的专用胶粉,其中采用了新一代聚羧酸减水剂技术赋予流动功能,可大幅度提高砂浆的流动性,并获得极佳的保水性和抗离析能力,达到类似干酪素的作用效果,可以取消配方中常用的纤维素醚和高效减水剂,从而减化了配方。

FL32的用量对自流平砂浆性能的影响见表5。

由表5可知,随着FL32用量的提高,自流平砂浆的流动度、粘结强度、抗折强度相应提高,而抗压强度随之下降。

当FL32的用量低于15%时,砂浆的流动度不良,必须添加一定量的高效减水剂进行调整；当FL32的添加量≥20%时,各项性能均能达到或超过标准规定的指标。

其机理是：由普通水泥、高铝水泥、石膏等组成的无机胶凝材料,在拌合水的作用下,钙、铝、硫反应成以钙钒石为主的水化产物,适量的水溶性聚合物粘附在水泥凝胶或粒子表面并相聚成膜,填充毛细孔,形成紧密堆积[2]。

水泥凝胶、水化产物形成的无机网状结构,与聚合物形成的三维空间网状结构相互缠绕、交结在一起,形成连续、致密的网状基体结构,增强了砂浆的物化性能。

另外,聚合物颗粒与水化产物之间存在着氢键,聚合物分子的活性基团与水化产物通过化学结合形成桥键作用,进一步提高了其力学性能。

因此,在水泥砂浆中,当FL32的添加量达到20%以上时,可明显改善水泥砂浆固有的抗折和粘结强度低、干缩变形大、抗裂和防渗性差等缺陷。

但是,随着胶粉用量的提高,砂浆的柔韧性增加,刚性下降,抗压强度有所降低。

2.4 活性矿物掺合料对砂浆性能的影响在自流平砂浆中常添加粉煤灰、硅灰等矿物掺合料,以便提高砂浆的流动度及流动保持率,减少拌合需水量,增进结构的密实性及力学性能。

2.4.1 粉煤灰的作用由于粉煤灰颗粒表面具有憎水性和玻璃相的滚动效应,在自流平砂浆中掺入适量粉煤灰后,不但可以减少需水量,而且还可以提高流动性、流平性和可操作性。

保持自流平砂浆配方因素不变,只改变粉煤灰的添加量,检测砂浆的流动度,结果如表6。

由表6可知,随着粉煤灰掺量的提高,砂浆的流动度呈上升趋势,当掺量超过4%以上时,流动度上升趋缓。

从流平后的表面效果看,随着粉煤灰掺量的提高,虽然表面平整度很好,但是气泡增多、表面粗糙度加重,因此,粉煤灰的掺量必须控制在一定范围内,才能达到既增加流动性又能保持表面平滑的目的。

2.4.2 硅灰的作用在水泥砂浆中掺加适量的硅灰,可减少水泥用量并增加水化产物。

其珠状细粒子具有流动性,可提高砂浆的流动度；其细粒径硅灰有极佳的渗透力,可有效地填充和堵塞砂浆结构中的毛细孔和微空隙,提高结构体系的致密度及力学性能。

在自流平砂浆中掺加不同量的硅灰,其流动度及强度的变化见表7。

从表7中可以看出,随着硅灰掺量的增加,流动度呈上升趋势,当掺量≥4%以后,流动度的上升幅度趋缓,可能与硅灰吸水后增稠有关。

伴随硅灰掺量的增加,前期和后期的抗压强度和抗折强度都有不同程度的提高,综合考虑,硅灰的掺加量以2%～4%为佳。

2.5 缓凝剂的选择及复配由普通水泥、高铝水泥及硬石膏组成的复合无机胶凝系统,其凝结速度太快,不利于施工操作和自流平,必须添加缓凝剂来调整凝结时间,在确保砂浆的20 min流动度前提下,又不会降低其早期强度和后期强度,这对缓凝剂的选择提出了较高要求。

适用于水泥砂浆的缓凝剂有：葡萄酸钠、糖钙、酒石酸、柠檬酸、三聚磷酸钠等。

在基本配方中其他因素不变的前提下,本试验选择了前3种材料进行单独和复配试验,结果见表8。

从表8数据中可以看出,在水泥砂浆中,缓凝剂复配比单独使用更有助于流动度及强度的提高,尤其是当葡萄酸钠为0.1%、糖钙为0.08%复配使用时,砂浆的流动度最大、1 d强度最高,继续增加复配缓凝剂用量(如序号4、5)时,则流动度和1 d强度均有不同程度地下降。

究其原因：当缓凝剂用量增大时,会使砂浆过度缓凝,由此会抑制1 d水泥水化及钙矾石的形成,影响其强度的增长；缓凝剂添加量太少时,砂浆凝结快,早期强度高,故此又会抑制砂浆微膨胀的发展,难以补偿体积的干收缩,影响体积尺寸的稳定性。

糖钙具有缓凝和减水双重功能,对砂浆的流动度、早期强度贡献率大,而葡萄酸钠有减弱早期强度的作用,将两者合理搭配,可以收到相得益彰的效果。

3 结语水泥自流平砂浆是由普通水泥、高铝水泥、硬石膏、细骨料、矿物填料、可再分散胶粉及添加剂组成的复杂结构体系,对原材料的种类、性能、配合比例要求相当严格,是一种看似简单、实则技术含量较高的产品。

(1)无机胶凝材料是构成自流平砂浆快凝、早强的主体,由20%的普通水泥、10%的高铝水泥、7%～8%的硬石膏粉组成。

(2)LT32可再分散胶粉,是一种能够提供粘结性、流动性、减水功能、保水功能的专用胶粉,当用量低于15%时,需要添加适量的高效减水剂和保水稳定剂；当用量高于20%时,可不必再添加减水剂及保水剂,且砂浆的各项性能均很优良。

(3)活性矿物填料中,粉煤灰颗粒的珠状滚动效应对砂浆的流动度有一定贡献,而对其强度的贡献不明显,且添加量不易过大,否则会引发气泡,影响表面性能,添加量以2%～3%为宜。

硅灰活性大、粒径细、渗透性强,可以提高砂浆的流动度及其强度,当掺量超过4%以上时,对流动度的提高作用不大,适宜的添加量在2%～4%。

(4)在自流平砂浆中,缓凝剂的作用至关重要,运用缓凝剂调整砂浆的凝结时间,以利于施工操作和自流平。

缓凝剂复配比单独使用效果好,以葡萄酸钠为0.1%、糖钙为0.08%复配使用,在试验范围内自流平砂浆的流动度、1 d强度指标最高。