減水劑和緩凝劑對石膏基自流平砂漿性能的影響

胡 成，陳 平，向瑋衡*，段鵬選，周麗波，李 青，韋家嶄

(桂林理工大學 a.廣西工業廢渣建材資源利用工程技術研究中心，b.土木與建筑工程學院，c.廣西建筑新能源與節能重點實驗室，d.廣西有色金屬隱伏礦床勘查及材料開發協同創新中心，廣西 桂林 541004)

1953年，德國Ardex公司最早發明了自流平材料。直至1975年，Ardex公司發明“早凝快干”水泥基自流平技術，歐洲各國才掀起了開發自流平技術的浪潮[1]。20世紀80年代初，為減少石灰等材料的消耗，日本出現了能夠替代水泥基自流平材料的石膏基自流平材料。在20世紀末，隨著施工工程的不斷擴大，石膏基自流平材料的技術水平越來越成熟。而我國對自流平材料的研究起步較晚，直到20世紀80年代末才陸續展開研究。自流平材料具有流動性及穩定性良好、施工簡便、光潔平整、耐腐蝕性能好等優點，是大型超市、停車場、車間等室內地面鋪筑的首選材料。我國每年新增建筑面積近20億m2，預計每年對自流平材料的需求量為2 700萬t，因而其市場需求量巨大，應用前景廣闊[2-3]。

按照主要基材種類不同，自流平材料主要可分為水泥基自流平砂漿、石膏基自流平砂漿和環氧自流平材料[4]。其中，石膏基自流平砂漿因具有硬化時間短、早強度較高、微膨脹、與基底粘結力高及可循環利用等特點，被認為是最理想的自流平材料。石膏基自流平砂漿采用α-半水高強石膏和β-半水建筑石膏為基材，以河砂、石英砂和礦渣砂等為粗細骨料，同時摻入水泥、減水劑、緩凝劑、pH值調節劑、消泡劑等輔助材料，經混合均勻制備而成。

目前，我國已有眾多學者對石膏基自流平砂漿的制備技術進行了研究[5]。王明明[6]研究了水泥摻量對石膏基自流平砂漿流動性及力學性能的影響，并制備出流動度約為155 mm、絕干抗折強度為7.6 MPa、絕干抗壓強度為23.3 MPa的石膏基自流平砂漿。李靜靜[7]研究了硅灰對石膏基自流平砂漿性能的影響，發現摻加適量的硅灰可以改善石膏基自流平砂漿的流動性，縮短凝結時間，提高強度，且其收縮率基本無變化，耐水性有所改善。彭明強[8]對2 h抗壓強度、抗折強度分別為35.1 MPa和6 MPa的高強石膏基膠凝材料進行優化配合比，制備出絕干強度抗折為10.40 MPa、絕干抗壓強度為32.30 MPa的石膏基自流平砂漿。但是，已報道的研究成果大多針對改善和提高石膏基自流平砂漿的流動性與力學性能。

因此，本文針對石膏基自流平材料與外加劑的匹配適應性展開深入研究，旨在為進一步提高石膏基自流平砂漿的工作性能和力學強度提供理論基礎。

1 試驗

1.1 原材料

高強石膏為貴州甕福化工科技有限公司生產的高強α-半水磷石膏；石英砂為廈門艾思歐標準砂有限公司生產的0.5～1.0 mm中級砂；水泥為廣西魚峰有限公司生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；減水劑為上海牛涂科技有限公司生產的聚羧酸系減水劑；緩凝劑為臨沂鑫昊石膏化工建材有限公司生產的CH-C型緩凝劑。其中，高強α-半水磷石膏的主要化學成分、基本性能分別見表1和表2。P·O 42.5普通硅酸鹽水泥凈漿的物理性能見表3。

表1 高強α-半水磷石膏的主要化學成分 wt%

表2 高強α-半水磷石膏的基本性能

表3 P·O 42.5普通硅酸鹽水泥凈漿的物理性能

1.2 試驗方法

以高強α-半水磷石膏為石膏基材、石英砂為骨料，按高強石膏∶石英砂∶水泥的質量比56%∶40%∶4%配置混合粉，再分別摻入0.1～0.6 wt%聚羧酸系減水劑和0.1～0.6 wt%CH—C型緩凝劑，按水膠比0.35加入去離子水，利用攪拌機低速攪拌1 min后再快速攪拌2 min，得到石膏基自流平砂漿，并對其工作性能和力學強度進行測試。

1.3 性能測試

根據《建筑石膏凈漿物理性能的測定》(GB/T 17669.4—1999)測試石膏基自流平砂漿的流動度和凝結時間，根據《石膏基自流平砂漿》(JC/T 1023—2007)測試石膏基自流平砂漿的抗折強度和抗壓強度。

2 試驗結果與分析

2.1 減水劑和緩凝劑對砂漿工作性能的影響

聚羧酸系減水劑和CH—C型緩凝劑摻量對石膏基自流平砂漿流動度的影響分別如圖1和圖2所示。由圖1可以看出，聚羧酸系減水劑對自流平砂漿有較好的減水效果，可明顯提高砂漿的流動度，且砂漿流動度隨減水劑摻量增大而逐漸增大。當減水劑摻量為0.2 wt%時，砂漿的流動度由104 mm增加至202 mm，表現出優異的自流平性能。但當減水劑摻量高于0.2 wt%時，隨減水劑摻量增加，砂漿的流動度增長速率較緩慢。這說明聚羧酸系減水劑存在一個飽和摻量點[9-10]。減水劑對石膏砂漿的作用主要是通過吸附在α-半水磷石膏晶體的表面以改變石膏砂漿體系中的固液界面性質[11]。在向石膏砂漿中摻入減水劑后，減水劑吸附在石膏顆粒表面，與石膏漿體作用，改變了漿體的電化學性質，使被石膏包裹的水釋放出來，從而達到提高砂漿流動度的目的。聚羧酸系減水劑主要是通過靜電斥力和空間位阻的協同作用，阻止石膏顆粒間的直接接觸，相當于在石膏顆粒表面形成了一層穩定的隔離膜，使砂漿釋放出被包裹的拌合水，從而減少砂漿的需水量，或者在相同水膠比下提高砂漿的流動度[12]。

圖1 聚羧酸系減水劑摻量對石膏基自流平砂漿流動度的影響

由圖2可以看出，向砂漿中摻加緩凝劑后，砂漿的流動性有所提高。但與減水劑相比，緩凝劑提升石膏砂漿流動度的幅度相對不明顯。此外，在減水劑摻量為0.2 wt%條件下，隨著緩凝劑摻量增加，砂漿流動度提高的幅度較小，當緩凝劑摻量為0.5 wt%時，砂漿流動度為209 mm。這表明，增加緩凝劑摻量對砂漿的流動度影響較小。

圖2 CH—C型緩凝劑摻量對石膏基自流平砂漿流動度的影響

在減水劑摻量為0.2 wt%的前提下，緩凝劑摻量對砂漿凝結時間的影響如圖3所示。由圖3可以看出，在不摻緩凝劑的情況下，砂漿的初凝時間為35 min，終凝時間為48 min，遠低于《石膏基自流平砂漿》(JC/T 1023—2007)中的緩凝時間標準。當摻入緩凝劑后，砂漿的初凝時間和終凝時間都隨緩凝劑摻量增加逐漸增加，說明緩凝劑對砂漿有明顯的緩凝作用。當緩凝劑摻量低于0.2 wt%時，隨著緩凝劑摻入量增加，砂漿初凝時間和終凝時間近乎同步增大，且時間間隔較短，石膏砂漿在施工時容易控制；當緩凝劑摻量大于0.2 wt%，砂漿初凝、終凝時間間隔增大，且砂漿終凝時間過長，將會提高施工后的養護難度。

圖3 緩凝劑摻量對砂漿凝結時間的影響

為了進一步探明石膏基自流平砂漿的緩凝性能，在摻入0.2 wt%減水劑和0.2 wt%緩凝劑條件下，研究了石膏基自流平砂漿經時流動度損失的變化規律，如圖4所示。

圖4 石膏基自流平砂漿經時流動度損失的變化規律

由圖4可知，石膏基自流平砂漿在20 min時間內的流動度損失較小，但當時間進一步延長時，漿體流動度損失較為嚴重。這主要是因為在α-半水石膏水化的初始階段，減水劑和緩凝劑中的有機高分子通過靜電斥力和空間位阻效應改變了石膏顆粒的表面性質，使砂漿在初始階段的需水量減少。隨著漿體水化持續進行，石膏顆粒被逐漸活化與分散，水化產物中的超細粒子或膠凝團吸附了更多的有機高分子，砂漿顆粒表面的電性被中和，靜電排斥和空間位阻的協同作用能力降低，破壞了體系電化學性質的平衡。這時石膏漿體開始凝聚，從而導致漿體的經時流動度損失隨時間的延長而逐漸增大。

2.2 減水劑和緩凝劑對砂漿力學強度的影響

聚羧酸系減水劑摻量對石膏基自流平砂漿力學強度的影響如圖5所示。由圖5可以看出，聚羧酸系減水劑對砂漿的力學強度造成了不良影響。隨著聚羧酸減水劑摻量增加，砂漿1 d，7 d，14 d的抗折強度及抗壓強度呈現為先升高后降低的趨勢。當聚羧酸減水劑摻量增至0.2 wt%時，砂漿1 d，7 d，14 d的抗折強度及抗壓強度的最大值分別為9.7 MPa和26.7 MPa。這是由于減水劑的作用所導致，若減水劑摻量合適，能夠使砂漿包裹的拌和水正好滿足砂漿整體拌和成型的需求，此時的試樣有最大的力學強度；而當減水劑摻量繼續增大時，導致砂漿釋放的拌合水過多，超過膠凝漿體水化硬化的需水量，進而影響了試樣成型后的力學強度。結合減水劑對砂漿工作性能和抗壓強度的影響規律可認為，石膏基自流平砂漿中聚羧酸系減水劑的最佳摻量為0.2 wt%。

(a) 抗壓強度

(b) 抗折強度

CH—C型緩凝劑摻量對石膏基自流平砂漿力學強度的影響如圖6所示。由圖6可以看出，石膏緩凝劑的摻入對砂漿的力學強度造成了不利影響。隨著緩凝劑摻量增加，砂漿1 d，7 d，14 d的抗折強度及抗壓強度均呈現降低趨勢。當緩凝劑摻量低于0.2 wt%時，隨著緩凝劑摻量增加，砂漿1 d和7 d的抗折強度下降幅度較大，而14 d抗折強度下降幅度較小；當緩凝劑摻量高于0.2 wt%時，隨著緩凝劑摻量增加，砂漿1 d，7 d，14 d的抗折強度及抗壓強度均明顯降低。結合緩凝劑對砂漿工作性能和抗壓強度的影響規律認為，石膏基自流平砂漿中的CH—C型緩凝劑摻量不宜過高，且其最佳摻量應為0.1 wt%。

(a) 抗壓強度

(b) 抗折強度

3 結論

1)隨著減水劑摻量增加，石膏基自流平砂漿的流動度先快速增加而后逐漸趨于平穩，其抗折強度和抗壓強度呈現先升高后降低的變化趨勢，其中聚羧酸系減水劑的最佳摻量為0.2 wt%。

2)隨著緩凝劑摻量增加，石膏基自流平砂漿的流動度變化幅度較小，初凝時間和終凝時間逐漸增大，而抗折強度和抗壓強度則逐漸降低，其中CH—C型緩凝劑的最佳摻量為0.1 wt%。

3)當聚羧酸系減水劑摻量為0.2 wt%，CH—C型緩凝劑摻量為0.1 wt%時，所制備的砂漿具有最優性能，其流動度為196 mm，初凝時間為55 min，終凝時間為75 min，14 d抗折強度和抗壓強度分別為9.2 MPa和25.3 MPa，已達到《石膏基自流平砂漿》(JC/T 1 023—2007)中的石膏基自流平砂漿性能要求。