無機(jī)高強(qiáng)耐磨地坪砂漿的研制及其施工工藝

葉云飛，張菁燕，楊建輝，張凱華，黃星星

（常州市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，常州綠馬特建筑科技有限公司，江蘇 常州 213100）

0 前 言

目前，市場上的耐磨地坪材料品種豐富，主要包括有機(jī)環(huán)氧體系和無機(jī)耐磨體系。油性環(huán)氧地坪毒性大，氣味難以散去；水性環(huán)氧地坪價格昂貴，對施工的要求高，使用壽命相對較短[1-2]。無機(jī)耐磨地坪主要由水泥、超硬骨料及外加劑組成，在初凝階段的混凝土表面均勻干撒，經(jīng)壓實(shí)固化與混凝土地面結(jié)構(gòu)形成抗壓、抗沖擊、耐磨損的高性能耐磨地坪。適用于地下停車站、大型商場、物流倉庫、重型機(jī)械廠等新澆混凝土地面。但市場上的部分無機(jī)耐磨材料抗壓強(qiáng)度低、耐磨性能差，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量。

本文研究了水泥用量、砂子級配、石榴石砂和氟硅酸鹽摻量對無機(jī)耐磨地坪砂漿抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、耐磨度比等性能的影響，制得一種無機(jī)高強(qiáng)耐磨地坪砂漿。將其應(yīng)用于實(shí)際工程后發(fā)現(xiàn)，規(guī)范的施工工藝對工程質(zhì)量非常關(guān)鍵。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料與儀器設(shè)備

水泥：P·O52.5水泥，江蘇金壇盤固水泥，性能指標(biāo)見表1；石英砂：12～20 目與 20～50 目，安徽滁州；石榴石砂：20～50目，山東日照；硅灰：工業(yè)級，河南靈壽；氟硅酸鎂、氟硅酸鋅：工業(yè)級，常熟市科宇氟化工；其它原材料均為市售。20～50目石英砂與石榴石砂的級配見表2。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

表2 20～50目砂子的級配

主要儀器設(shè)備：NRJ-411A型水泥膠砂攪拌機(jī)，無錫市建筑材料儀器機(jī)械廠；NLD-3型水泥膠砂流動度測定儀，上海東舜建材試驗(yàn)設(shè)備有限公司；ZT-96型膠砂試體成型振實(shí)臺，無錫市中科建材儀器有限公司；AEC型壓力試驗(yàn)機(jī)，無錫建儀儀器機(jī)械有限公司。

1.2 基本配比

硅灰具有很好的分散性，能充分填充在水泥水化物顆粒之間，形成水化硅酸鈣凝膠，提高漿體硬化后的密實(shí)程度。本研究中硅灰用量為1%～2%。

減水劑選取的是減水率為30%的粉體聚羧酸減水劑，摻量控制在0.10%～0.15%，使得水料比控制在10%～12%，初始流動度為145～160 mm。

添加適量的消泡劑可以很大程度減少漿料中的細(xì)微氣泡，從而增加砂漿的密實(shí)度。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，適宜的消泡劑摻量為0.03%～0.05%。

為了滿足工程對彩色無機(jī)耐磨地坪材料的需求，可在水泥原色砂漿中添加氧化鐵系顏料粉進(jìn)行調(diào)色，常用的有氧化鐵綠、鐵紅和鐵黃?；疑湍サ仄荷皾{可以用金紅石型鈦白粉搭配氧化鐵黑顏料進(jìn)行調(diào)色。根據(jù)不同的顏色需求，顏料的總添加量可控制在2%～5%。

無機(jī)高強(qiáng)耐磨地坪砂漿的基本配比見表3。

表3 無機(jī)耐磨地坪的基本配比 %

1.3 測試方法

抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度測試：按GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

耐磨度比測試：基準(zhǔn)砂漿和水泥基耐磨材料的試塊制備按JC/T 906—2002《混凝土地面用水泥基耐磨材料》中7.6.1進(jìn)行，成型后帶模在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 h，脫模后將試塊放入（20±1）℃的水中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。試塊應(yīng)在試驗(yàn)前15 min從水中取出，擦除表面沉積物并用濕布覆蓋。耐磨性試驗(yàn)按GB/T 16925—1997《混凝土及其制品耐磨性試驗(yàn)方法（滾珠軸承法）》中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。耐磨度比即為水泥基耐磨材料的耐磨度與基準(zhǔn)砂漿的耐磨度的比值。

表面強(qiáng)度（壓痕直徑）測試：按JC/T 906—2002中附錄A，采用鋼球壓痕方法，鋼球直徑10 mm，采用最大量程為50 kN的壓力試驗(yàn)機(jī)，以（80±20）N/s的速率加荷至4 kN并持荷10 s卸載，利用讀數(shù)顯微鏡讀取壓痕直徑。每個試件取6個點(diǎn)測試，去除最大值和最小值，取剩余4個數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值作為該試件的壓痕直徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 水泥用量對無機(jī)耐磨地坪砂漿抗折和抗壓強(qiáng)度的影響（見表4）

從表4可以看出，在水泥用量為25%～40%時，隨著水泥用量的增加，無機(jī)耐磨地坪砂漿的抗折、抗壓強(qiáng)度均先提高后降低，當(dāng)水泥用量為35%時，抗折、抗壓強(qiáng)度最高。在一定范圍內(nèi)，增加膠凝材料的用量，會增加水化產(chǎn)物的生成量，提高抗折、抗壓強(qiáng)度。但水泥用量過多會影響體系的體積穩(wěn)定性，同時降低了砂子的含量，反而不利于強(qiáng)度的提高。綜合考慮，水泥的最佳用量為35%，此時，無機(jī)耐磨地坪砂漿的7 d抗折強(qiáng)度為12.3 MPa，7 d抗壓強(qiáng)度高于80 MPa，28 d抗折強(qiáng)度為16.9MPa，28d抗壓強(qiáng)度接近120MPa。

2.2 砂子級配對無機(jī)耐磨地坪砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

適當(dāng)加入砂子對維持水泥水化過程后期體積穩(wěn)定性非常重要，同時骨料的增強(qiáng)作用對提高無機(jī)耐磨地坪砂漿的力學(xué)性能至關(guān)重要。本文選取12～20目、20～50目石英砂和石榴石砂作為骨料。石榴石砂是以天然鐵鋁石榴石為原料經(jīng)現(xiàn)代工藝技術(shù)加工精制而成。其主要成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3，還有少量的MgO、CaO、TiO2等。試驗(yàn)所用石榴石砂為20～50目，密度為3630 kg/m3，莫氏硬度為7.5，具有優(yōu)異的耐磨性能。在水泥用量為35%、砂用量為60%的前提下，研究砂子級配對無機(jī)耐磨地坪砂漿抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果見表5。

由表5可以看出，5種搭配中3＃和4＃試樣的抗壓強(qiáng)度相對較高，7 d抗壓強(qiáng)度約為80 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度均高于110 MPa。1?！?＃試樣中 12～20 目石英砂用量均為 10%，隨著 20～目石榴石砂摻量的逐漸增加，試樣的抗壓強(qiáng)度明顯提高，這與石榴石砂作為增強(qiáng)骨料從而提高砂漿的強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)較細(xì)的石榴砂偏多時（4＃試樣），影響了砂子合理的級配，同時細(xì)砂多了需要提高用水量，因此其抗壓強(qiáng)度會有一定程度的降低。5＃試樣在3＃試樣的基礎(chǔ)上，增加了12～20目石英砂用量，降低了20～50目石英砂用量，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，5＃試樣的狀態(tài)較散，施工性較差，說明砂子級配很不合理，大大降低了砂漿的抗壓強(qiáng)度。綜上考慮，建議采取3＃搭配作為無機(jī)耐磨地坪砂漿的骨料搭配。表6給出了3＃搭配對應(yīng)的砂子級配。

表6 砂子的合理級配

2.3 氟硅酸鹽對無機(jī)耐磨地坪砂漿強(qiáng)度的影響

有研究表明[3]，添加適量的氟硅酸鹽可以對無機(jī)耐磨地坪砂漿起到增強(qiáng)增硬的效果。因此，試驗(yàn)選取氟硅酸鎂和氟硅酸鋅，探究不同種類與摻量氟硅酸鹽對無機(jī)耐磨地坪砂漿抗折、抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果分別見圖1、圖2。

圖1 氟硅酸鹽對無機(jī)耐磨地坪砂漿抗折強(qiáng)度的影響

由圖1可以看出，氟硅酸鎂和氟硅酸鋅摻量為0～0.25%時，隨著其摻量的增加，無機(jī)耐磨地坪砂漿的抗折強(qiáng)度均呈先提高后降低的趨勢，說明摻入一定量的氟硅酸鹽有利于砂漿抗折強(qiáng)度的發(fā)展。氟硅酸鎂摻量為0.10%時，砂漿的抗折強(qiáng)度最高，7 d抗折強(qiáng)度可達(dá)到13 MPa，28 d抗折強(qiáng)度達(dá)到17 MPa；氟硅酸鋅摻量為0.15%時，砂漿的抗折強(qiáng)度最高，且氟硅酸鋅對抗折強(qiáng)度的提高作用略高于氟硅酸鎂。

圖2 氟硅酸鹽對無機(jī)耐磨地坪砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2可見，抗壓強(qiáng)度變化趨勢與抗折強(qiáng)度基本一致，均隨著氟硅酸鹽摻量的增加先提高后降低，在摻量為0.15%時最高，略高于0.10%對應(yīng)的強(qiáng)度。當(dāng)摻量為0.10%～0.15%時，7 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到80 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度超過110 MPa。氟硅酸鋅對抗壓強(qiáng)度的提高作用略高于氟硅酸鎂。氟硅酸鹽與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2會反應(yīng)產(chǎn)生晶體物質(zhì)，如CaF2和K2SiF6，同時氟硅酸鹽水解產(chǎn)物有硅膠，可以填充毛細(xì)空隙，提高膠砂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

考慮到成本因素，氟硅酸鎂的價格為5000～6000元/t，氟硅酸鋅的價格遠(yuǎn)高于氟硅酸鎂，通常為20 000元/t，而氟硅酸鋅的增強(qiáng)效果僅略高于氟硅酸鎂，摻加0.15%與0.10%對應(yīng)的抗折、抗壓強(qiáng)度相差并不明顯。因此，最終確定摻加0.10%的氟硅酸鎂。

2.4 最佳配比及其性能測試結(jié)果

通過不斷優(yōu)化試驗(yàn)確定的最佳配合比見表7，最終制備的無機(jī)高強(qiáng)耐磨地坪砂漿性能測試結(jié)果見表8。

表7 無機(jī)高強(qiáng)耐磨地坪砂漿的最佳配比 %

表8 無機(jī)高強(qiáng)耐磨地坪砂漿的性能

由表8可見，制備的無機(jī)耐磨地坪砂漿各項(xiàng)性能均符合JC/T 906—2002的要求。

2.5 施工工藝

合理規(guī)范的施工工藝是必不可少的[4-5]。通過一些工程應(yīng)用，總結(jié)出一套無機(jī)高強(qiáng)耐磨地坪砂漿的施工工藝：新拌混凝土的初凝時間約為4 h，用抹光機(jī)找平并提漿，初凝時均勻鋪撒2/3的無機(jī)耐磨地坪砂漿；機(jī)械打磨平整，待混凝土接近終凝前，均勻鋪撒剩余1/3的無機(jī)耐磨地坪砂漿；機(jī)械抹光，并養(yǎng)護(hù)7 d。

特別要注意，第1次鋪撒的時間要嚴(yán)格控制，過早會使耐磨骨料沉入混凝土內(nèi)部，影響表面強(qiáng)度；過晚時混凝土接近終凝，耐磨地坪砂漿不能與混凝土起到很好的粘結(jié)作用從而影響效果。

圖3 施工前后的效果對比

圖3為無機(jī)高強(qiáng)耐磨地坪砂在實(shí)際工程應(yīng)用中施工前后的效果對比。的無機(jī)高強(qiáng)耐磨地坪砂漿，并已將其應(yīng)用于工程實(shí)際。結(jié)果表明：（1）以P·O52.5水泥作為無機(jī)膠凝材料，最佳用量為35%；（2）合理的砂子級配對砂漿強(qiáng)度非常重要，在一定范圍內(nèi)增加石榴石砂的摻量可以提高抗折、抗壓強(qiáng)度；（3）氟硅酸鹽的摻入對耐磨砂漿起到增強(qiáng)作用，推薦摻加0.10%的氟硅酸鎂；（4）合理規(guī)范的施工工藝可以保證無機(jī)耐磨地坪砂漿的施工質(zhì)量。

相比于有機(jī)環(huán)氧體系，無機(jī)高強(qiáng)耐磨地坪砂漿綠色環(huán)保、成本低廉、使用壽命長，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。