一種新型石膏自流平材料的研究與工程應(yīng)用

逄魯峰，孫立剛，付鵬，郎慧東，龐偉琪，黃凌苗

（1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟南 250101；2.山東華迪建筑科技有限公司，山東 濟陽 251400）

0 引言

自流平砂漿是由特種骨料及多種建筑化學(xué)添加劑經(jīng)工廠配制、混合均勻制成的一種專門用于地面找平、抬高及地暖回填的干粉砂漿[1]。自流平砂漿可分為水泥基和石膏基兩大類，使用時加水?dāng)嚢璩蓾{狀具有很高流動性。采用自流平砂漿施工的地面收縮小、水平度高、表面平滑、施工效率高[2]。

目前對水泥基自流平砂漿及含砂石膏基自流平砂漿的研究比較廣泛，但是對于無砂石膏基自流平材料的研究與應(yīng)用并沒有大范圍普及，其存在如強度低、泌水沉降嚴(yán)重、砂漿產(chǎn)品不穩(wěn)定等缺點，使得在工程應(yīng)用中存在很大局限。

自流平材料多應(yīng)用于高層住宅，大都采用泵送施工的方式，傳統(tǒng)的自流平材料由于其中含有細(xì)骨料，骨料與膠凝材料復(fù)配易結(jié)塊，并且其密度大，泵送施工過程中堵管現(xiàn)象嚴(yán)重，給施工造成很大麻煩。本研究采用α-半水石膏作為主要膠凝材料，研制出一種高流動性、高強度、無泌水、無沉降、低密度、易泵送施工的新型石膏自流平材料。該材料主要特點一方面完全改變先前應(yīng)用配合體系，研究出無砂配合體系，改善水泥基自流平砂漿及含砂石膏基自流平砂漿施工流動性小、收縮率大、不易施工泵送以及當(dāng)前對于無砂石膏基自流平材料研究中存在的缺陷；另一方面充分利用工業(yè)廢棄物脫硫石膏，研發(fā)出低環(huán)境負(fù)荷的建筑材料。通過設(shè)計正交試驗，得出石膏減水劑（PCC-s）、羥丙基甲基纖維素（HPMC）、消泡劑、聚乙烯醇的最佳摻量。通過單因素變量試驗分析了溶液pH值、石膏緩凝劑摻量、膠凝材料體系和攪拌工藝對石膏自流平材料性能的影響。工程應(yīng)用表明，石膏自流平材料流動性大，無需人工輔助找平，泵送施工效率極高，凝結(jié)硬化過程中無泌水沉降現(xiàn)象，且凝結(jié)硬化后產(chǎn)品水平度極高。

1 試驗

1.1 試驗材料及儀器設(shè)備

1.1.1 試驗材料

水泥（C）：P·Ⅰ52.5級，山東山鋁環(huán)境新材料有限公司；粉煤灰（FA）：Ⅱ級，濱州電廠；硅灰（SF）：SF90級，山東博肯硅材料有限公司；α-半水石膏（α-HG）：脫硫型，山東沙湖昊天環(huán)保科技有限公司；石英砂：70～120目，山東招遠(yuǎn)建友石英砂廠；消泡劑：工業(yè)級，上海梓意化工有限公司；聚乙烯醇：工業(yè)級，北京弗特恩科技有限公司；堿性調(diào)節(jié)劑：主要成分為氧化鈣，工業(yè)級，山東華迪建筑科技有限公司；蛋白質(zhì)分解類石膏緩凝劑：工業(yè)級，山東華迪建筑科技有限公司；可再分散乳膠粉：工業(yè)級，瓦克化學(xué)；羥丙基甲基纖維素（HPMC）：黏度100 Pa·s，濟南銘洲化工有限公司；石膏減水劑：PCC-s聚羧酸系高效石膏減水劑，粉末狀，固含量99.1%，山東華迪建筑科技有限公司。

1.1.2 儀器設(shè)備

TYE-300B型壓力試驗機；PT-1179型拉力試驗機；YDW-10型微機控制電子抗折試驗機；HD-03型雙通道紅外線膨脹收縮測試儀；1100W型漿料攪拌分散機；JJ-5型水泥膠砂攪拌機；HD-05型工業(yè)自流平材料攪拌機；K1502型手持式工業(yè)攪拌器；MTB型天平。

1.2 測試方法

石膏自流平材料的各項性能參照J(rèn)C/T 1023—2007《石膏基自流平砂漿》進行測試。

1.3 正交試驗設(shè)計

試驗基準(zhǔn)配比：水泥50 g、粉煤灰50 g、硅灰20 g、α-半水石膏880 g、石膏緩凝劑0.8 g、堿性調(diào)節(jié)劑2.7 g、可再分散乳膠粉10 g、水500 g。將粉料倒入水泥膠砂攪拌鍋內(nèi)自動攪拌。加料完畢后采用攪拌機慢速攪拌2 min，得到均勻的料漿，測試料漿初始流動度；從加料攪拌開始料漿在攪拌鍋中靜置至30 min，采用攪拌機慢速攪拌1 min，測試料漿的30 min流動度。正交試驗以基準(zhǔn)配比為基礎(chǔ)，控制膠凝材料摻量、水膠比、加料攪拌方式、攪拌時間等因素均相同，通過前期探索性試驗，確定PCC-s、HPMC、消泡劑、聚乙烯醇摻量（均按占膠凝材料總質(zhì)量計）4個主要影響因素，以石膏自流平材料的初始以及30 min流動度為指標(biāo)，設(shè)計L9（3）4正交試驗，確定各因素的最優(yōu)水平。正交試驗因素水平見表1。

表1 正交試驗因素水平

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗結(jié)果分析

正交試驗設(shè)計及測試結(jié)果見表2，極差分析見表3。

表2 正交試驗設(shè)計及性能測試結(jié)果

表3 正交試驗極差分析

由表3可見：

（1）各因素對初始流動度影響順序為：B＞A＞D＞C；對30min流動度影響順序為：B＞A＞C＞D。

（2）HPMC摻量為主要影響因素，隨HPMC摻量的增加，初始流動度先增大后減小，30 min流動度損失值先減小后增大。HPMC為非離子型聚合物，其分子結(jié)構(gòu)鏈上的羥基和醚鍵上的氧原子均可與水分子結(jié)合形成氫鍵，使游離水變成結(jié)合水，從而起到保水作用[3]。HPMC的存在防止材料下底基材吸收水分過多過快并且能夠阻礙水分蒸發(fā)，降低流動度損失，保證自流平材料水化時具有足夠的水[4]。

（3）PCC-s以空間位阻效應(yīng)與靜電斥力效應(yīng)為其主要作用方式。吸附時，主鏈上羧基與鈣離子作用吸附于石膏表面，側(cè)鏈向外伸展，阻礙顆粒間聚集，表現(xiàn)出優(yōu)異分散性能，促使石膏顆粒相互分散并釋放出被包裹的部分水，起到減水、增大流動度的作用。隨石膏減水劑摻量的增加，初始及30 min流動度均先增大后減小，石膏減水劑的最佳摻量為0.45%。

（4）聚乙烯醇能夠與HPMC共同作用改善石膏自流平材料的保水性，也能夠?qū)ι傻亩嗥鸬綉腋》€(wěn)定的作用，本試驗中聚乙烯醇的最佳摻量為0.02%。

（5）消泡劑的摻加一方面能夠消除石膏自流平材料在機械攪拌過程混入空氣產(chǎn)生的氣泡，使體系更加均勻，增大流動度，又可避免在凝結(jié)硬化過程中表面出現(xiàn)蜂窩麻面狀況，硬化后表面殘留氣孔減少，使石膏自流平材料硬化后平整、光滑[5]。另一方面，由于自流平材料在攪拌過程中產(chǎn)生的氣泡硬化后會形成孔洞，最終使材料的強度降低，消泡劑的存在能夠消除這一嚴(yán)重缺陷。隨消泡劑摻量增加，初始及30 min流動度逐漸減小，消泡劑的最佳摻量為0.01%。

通過極差分析結(jié)果，并考慮石膏自流平材料的初始、30min流動度以及凝結(jié)硬化后表面狀態(tài)，最佳因素水平為A2B2C1D2，即PCC-s摻量為0.45%、HPMC摻量為0.04%、消泡劑摻量為0.01%、聚乙烯醇摻量為0.02%。

2.2 料漿pH值對石膏自流平材料流動性和硬化后狀態(tài)的影響

料漿酸堿條件對石膏自流平材料性能影響很大，為膠凝材料水化提供堿性環(huán)境[6]。通過改變堿性調(diào)節(jié)劑用量調(diào)節(jié)料漿的pH值，研究料漿pH值對石膏自流平材料流動性及對凝結(jié)硬化后狀態(tài)（有無泌水、有無沉降、表面光滑度等）的影響。試驗采用基準(zhǔn)配比，且根據(jù)正交試驗結(jié)果，PCC-s、HPMC、消泡劑、聚乙烯醇的用量分別為4.5、0.4、0.1、0.2 g。試驗結(jié)果見表4。

表4 料漿pH值對石膏自流平材料性能的影響

由表4可見：

（1）隨料漿pH值的增大，石膏自流平材料的流動度先增大后減小。HPMC在堿性環(huán)境條件下的溶解速度快，并且其黏度變化較快，堿性環(huán)境下使用效果最佳。隨pH值增大，溶液中引入Ca2+、OH-等離子，促使溶液中HPMC黏度變化，即此時溶液過飽和，將會使二水石膏晶核生成很快，水化放熱速度增大，初始流動度變大，30 min流動度損失變小。當(dāng)pH值過大時，液相中Ca2+濃度過大，水化速度減慢，漿體流動度變小。當(dāng)pH值為8～9時，溶液達(dá)到最佳平衡狀態(tài)，各組分最大限度發(fā)揮作用，石膏自流平材料的流動度最大，表面狀態(tài)良好，此時堿性調(diào)節(jié)劑用量為膠材總質(zhì)量的0.4%。

（2）料漿pH值為8～9時，石膏自流平材料凝結(jié)硬化前無泌水、沉降現(xiàn)象，并且其硬化后28 d表面光滑度最高，表面狀態(tài)最好。堿性調(diào)節(jié)劑的主要成分為氧化鈣，pH值增大同時溶液中Ca2+濃度逐漸增大，當(dāng)pH值達(dá)到合適值時，二水石膏晶核形成過程均勻。此變化時間對于石膏自流平材料的均勻度有極大影響，變化時間過長或過短均影響自流平材料中HPMC、聚乙烯醇等保水調(diào)黏組分發(fā)揮對水化顆粒的懸浮穩(wěn)定作用，使?jié){體硬化過程存在極不均勻性。

2.3 膠凝材料體系對石膏自流平材料性能影響

采用的膠凝材料體系：水泥-α-半水石膏體系（T1）、水泥-硅灰-α-半水石膏體系（T2）、粉煤灰-α-半水石膏體系（T3）、水泥-粉煤灰-α-半水石膏體系（T4）、α-半水石膏體系（T5）。參照基準(zhǔn)配比，固定其它材料用量不變，正交試驗各因素按最優(yōu)水平，對不同膠凝材料體系的強度和收縮性能進行研究，試驗結(jié)果見表5和圖1。

表5 不同膠材體系對石膏自流平材料強度的影響

圖1 不同膠材體系對石膏自流平材料收縮率的影響

由表5可見，摻加水泥明顯提高了石膏自流平材料的強度，當(dāng)其摻量為10%時，其早期和后期強度均有較大幅度提升。若僅采用α-半水石膏作膠凝材料時，其絕干抗折強度僅為6.89MPa，低于JC/T 1023—2007規(guī)定的≥7.5 MPa。摻9%水泥+2%硅灰時，石膏自流平材料的早期和后期強度均有提升，且符合JC/T 1023—2007的規(guī)定。

由圖1可知，在不同水化階段材料表現(xiàn)出不同的脹縮，但最終趨于穩(wěn)定[7-8]。膠凝材料體系T2的變化曲線平緩，膨脹收縮穩(wěn)定性更好，收縮率為0.037%，符合JC/T1023—2007≤0.05%的要求。考慮強度以及收縮率2個重要因素，石膏自流平材料宜選取膠凝材料體系T2作為試驗應(yīng)用體系。

2.4 石膏緩凝劑對石膏自流平材料性能影響

試驗配比為：水泥90g、硅灰20g、α-半水石膏890g、PCC-s 4.5g、HPMC0.4g、消泡劑0.1g、聚乙烯醇0.2g、堿性調(diào)節(jié)劑4g、可再分散乳膠粉10g、水500g。改變石膏緩凝劑摻量，確定其對石膏自流平材料流動性能和強度的影響，結(jié)果如表6和圖2所示。

表6 石膏緩凝劑摻量對石膏自流平材料流動性能的影響

圖2 石膏緩凝劑摻量對石膏自流平材料強度的影響

由表6可見，隨石膏緩凝劑摻量的增加，石膏自流平材料的初始流動度變化不大，30min流動度損失值不斷減小。摻量增加的同時，砂漿開始出現(xiàn)不同程度泌水，凝結(jié)時間逐漸延長。石膏緩凝劑摻量為0.06%、0.08%時，30 min流動度損失均大于JC/T1023—2007要求的3 mm，雖然沒有出現(xiàn)泌水狀況，但是其凝結(jié)時間略短，無法滿足最低操作時間要求。當(dāng)其摻量為0.10%時，其初始流動度達(dá)到149 mm，30 min無流動度損失；摻量為0.12%、0.14%時，雖然初始及30 min流動度保持性能很好，但是均出現(xiàn)不同程度泌水。單考慮石膏緩凝劑摻量變化對石膏自流平材料流動性能的影響，可選0.10%摻量作為應(yīng)用參考。

由圖2可見，摻加石膏緩凝劑會對石膏自流平材料的早期強度造成影響。隨石膏緩凝劑摻量的增加，石膏自流平材料的早期強度明顯降低，對后期強度影響較小。

在保證流動性、流動度損失、強度以及凝結(jié)時間符合JC/T 1023—2007要求的前提下，石膏緩凝劑的適宜摻量為0.10%。

2.5 攪拌工藝對石膏自流平材料流動性能的影響

試驗配比為：水泥90g、硅灰20g、α-半水石膏890g、PCC-s 4.5 g、HPMC0.4 g、消泡劑0.1 g、聚乙烯醇0.2 g、堿性調(diào)節(jié)劑4g、石膏緩凝劑1g、可再分散乳膠粉10g、水500g。攪拌工藝對石膏自流平材料流動性能的影響見表7。

表7 攪拌工藝對石膏自流平材料流動性能的影響

由表7可見，攪拌工藝對石膏自流平材料流動性能的影響依次為：G4＞G2＞G3＞G1。石膏自流平材料的流動度受攪拌工藝影響，采用漿料分散攪拌機和工業(yè)自流平材料攪拌機攪拌，控制轉(zhuǎn)速為2400 r/min時得到的砂漿狀態(tài)最好，具有最好的初始流動度以及最低30min流動度損失。由于砂漿中PCC-s、HPMC、聚乙烯醇等組分在不同攪拌條件下，其溶于水量不同，短時間內(nèi)發(fā)揮作用量不同。由于攪拌時間很短，會使自流平材料對攪拌機器適用性不同，工業(yè)自流平材料攪拌機由于存在一螺旋絞龍并且轉(zhuǎn)速可控，其對于自流平材料攪拌表現(xiàn)出最好適應(yīng)性。

2.6 無砂石膏基自流平材料與含砂石膏基自流平砂漿工程應(yīng)用對比

制備的無砂石膏基自流平材料配比與2.5節(jié)相同；含砂石膏基自流平砂漿配比為：水泥60 g、α-半水石膏470 g、粉煤灰70 g、70～120目石英砂400 g、可再分散乳膠粉8 g、水290 g。標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下，同時配制無砂石膏基自流平材料與含砂石膏基自流平砂漿，調(diào)整兩者初始流動度相同，性能測試結(jié)果見表8和圖3。采用泵送施工技術(shù)將其應(yīng)用于住宅樓層泵送施工，測試施工技術(shù)指標(biāo)見表9。

表8 不同類型石膏自流平材料性能對比

圖3 不同類型石膏自流平材料收縮對比

表9 不同類型石膏自流平材料施工技術(shù)指標(biāo)對比

由表8可見，無砂石膏基自流平材料的流動性能更好，并且在實際工程應(yīng)用施工過程中無需人工輔助找平就可以達(dá)到極高的水平度，因為體系中不含砂，其密度更小，測得相同流動度條件下，現(xiàn)場攪拌料漿與泵送料漿流動性能均更好、質(zhì)地更加均勻，強度更高。由圖3可見，無砂石膏基自流平材料收縮率更低，其在32 d內(nèi)的收縮曲線相比含砂石膏基砂漿更平緩，并且由于石膏在體系中作為主要膠凝材料，存在后期微膨脹的特性，使硬化后產(chǎn)品不會出現(xiàn)開裂，與基層粘結(jié)更加牢固，耐久性更好[9-10]。由表9可見，無砂石膏基自流平材料工程應(yīng)用中其流動度、施工效率均高于含砂石膏基自流平材料。

3 結(jié)語

（1）正交試驗研究得出最佳因素水平為A2B2C1D2，即PCC-s摻量0.45%、HPMC摻量0.04%、消泡劑摻量0.01%、聚乙烯醇摻量0.02%。通過單因素變量試驗確定漿料溶液pH值為8～9，膠凝材料體系為水泥-硅灰-α-半水石膏體系（T2），緩凝劑摻量為0.10%，攪拌機器為工業(yè)自流平材料攪拌機器。通過最佳配合比和最優(yōu)工藝制得的石膏自流平材料各項性能指標(biāo)均符合JC/T1023—2007的要求。

（2）采用水泥-硅灰-α-半水石膏膠凝材料體系制備的石膏自流平材料性能最好。水泥提高了石膏自流平材料的后期強度，硅灰可作為半水石膏的激發(fā)劑又可以作為空隙填充材料，使石膏自流平材料更加密實。

（3）試驗研究及工程應(yīng)用表明，石膏自流平材料流動度極大，施工效率更高，更適合泵送施工，便于大范圍施工。且可工業(yè)廢棄物石膏的再利用提供了一條新的路徑，具有廣闊的發(fā)展前景。