減水劑和緩凝劑對(duì)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(xué) a.廣西工業(yè)廢渣建材資源利用工程技術(shù)研究中心，b.土木與建筑工程學(xué)院，c.廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，d.廣西有色金屬隱伏礦床勘查及材料開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004)

1953年，德國(guó)Ardex公司最早發(fā)明了自流平材料。直至1975年，Ardex公司發(fā)明“早凝快干”水泥基自流平技術(shù)，歐洲各國(guó)才掀起了開發(fā)自流平技術(shù)的浪潮[1]。20世紀(jì)80年代初，為減少石灰等材料的消耗，日本出現(xiàn)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(jì)末，隨著施工工程的不斷擴(kuò)大，石膏基自流平材料的技術(shù)水平越來越成熟。而我國(guó)對(duì)自流平材料的研究起步較晚，直到20世紀(jì)80年代末才陸續(xù)展開研究。自流平材料具有流動(dòng)性及穩(wěn)定性良好、施工簡(jiǎn)便、光潔平整、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，是大型超市、停車場(chǎng)、車間等室內(nèi)地面鋪筑的首選材料。我國(guó)每年新增建筑面積近20億m2，預(yù)計(jì)每年對(duì)自流平材料的需求量為2 700萬t，因而其市場(chǎng)需求量巨大，應(yīng)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(huán)氧自流平材料[4]。其中，石膏基自流平砂漿因具有硬化時(shí)間短、早強(qiáng)度較高、微膨脹、與基底粘結(jié)力高及可循環(huán)利用等特點(diǎn)，被認(rèn)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(qiáng)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(xì)骨料，同時(shí)摻入水泥、減水劑、緩凝劑、pH值調(diào)節(jié)劑、消泡劑等輔助材料，經(jīng)混合均勻制備而成。

目前，我國(guó)已有眾多學(xué)者對(duì)石膏基自流平砂漿的制備技術(shù)進(jìn)行了研究[5]。王明明[6]研究了水泥摻量對(duì)石膏基自流平砂漿流動(dòng)性及力學(xué)性能的影響，并制備出流動(dòng)度約為155 mm、絕干抗折強(qiáng)度為7.6 MPa、絕干抗壓強(qiáng)度為23.3 MPa的石膏基自流平砂漿。李靜靜[7]研究了硅灰對(duì)石膏基自流平砂漿性能的影響，發(fā)現(xiàn)摻加適量的硅灰可以改善石膏基自流平砂漿的流動(dòng)性，縮短凝結(jié)時(shí)間，提高強(qiáng)度，且其收縮率基本無變化，耐水性有所改善。彭明強(qiáng)[8]對(duì)2 h抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度分別為35.1 MPa和6 MPa的高強(qiáng)石膏基膠凝材料進(jìn)行優(yōu)化配合比，制備出絕干強(qiáng)度抗折為10.40 MPa、絕干抗壓強(qiáng)度為32.30 MPa的石膏基自流平砂漿。但是，已報(bào)道的研究成果大多針對(duì)改善和提高石膏基自流平砂漿的流動(dòng)性與力學(xué)性能。

因此，本文針對(duì)石膏基自流平材料與外加劑的匹配適應(yīng)性展開深入研究，旨在為進(jìn)一步提高石膏基自流平砂漿的工作性能和力學(xué)強(qiáng)度提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

高強(qiáng)石膏為貴州甕福化工科技有限公司生產(chǎn)的高強(qiáng)α-半水磷石膏；石英砂為廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的0.5～1.0 mm中級(jí)砂；水泥為廣西魚峰有限公司生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)的CH-C型緩凝劑。其中，高強(qiáng)α-半水磷石膏的主要化學(xué)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(qiáng)α-半水磷石膏的主要化學(xué)成分 wt%

表2 高強(qiáng)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(yàn)方法

以高強(qiáng)α-半水磷石膏為石膏基材、石英砂為骨料，按高強(qiáng)石膏∶石英砂∶水泥的質(zhì)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(jī)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(duì)其工作性能和力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

1.3 性能測(cè)試

根據(jù)《建筑石膏凈漿物理性能的測(cè)定》(GB/T 17669.4—1999)測(cè)試石膏基自流平砂漿的流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間，根據(jù)《石膏基自流平砂漿》(JC/T 1023—2007)測(cè)試石膏基自流平砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 減水劑和緩凝劑對(duì)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(duì)石膏基自流平砂漿流動(dòng)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(duì)自流平砂漿有較好的減水效果，可明顯提高砂漿的流動(dòng)度，且砂漿流動(dòng)度隨減水劑摻量增大而逐漸增大。當(dāng)減水劑摻量為0.2 wt%時(shí)，砂漿的流動(dòng)度由104 mm增加至202 mm，表現(xiàn)出優(yōu)異的自流平性能。但當(dāng)減水劑摻量高于0.2 wt%時(shí)，隨減水劑摻量增加，砂漿的流動(dòng)度增長(zhǎng)速率較緩慢。這說明聚羧酸系減水劑存在一個(gè)飽和摻量點(diǎn)[9-10]。減水劑對(duì)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(zhì)[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(xué)性質(zhì)，使被石膏包裹的水釋放出來，從而達(dá)到提高砂漿流動(dòng)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(xié)同作用，阻止石膏顆粒間的直接接觸，相當(dāng)于在石膏顆粒表面形成了一層穩(wěn)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(dòng)度[12]。

圖1 聚羧酸系減水劑摻量對(duì)石膏基自流平砂漿流動(dòng)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(dòng)性有所提高。但與減水劑相比，緩凝劑提升石膏砂漿流動(dòng)度的幅度相對(duì)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(dòng)度提高的幅度較小，當(dāng)緩凝劑摻量為0.5 wt%時(shí)，砂漿流動(dòng)度為209 mm。這表明，增加緩凝劑摻量對(duì)砂漿的流動(dòng)度影響較小。

圖2 CH—C型緩凝劑摻量對(duì)石膏基自流平砂漿流動(dòng)度的影響

在減水劑摻量為0.2 wt%的前提下，緩凝劑摻量對(duì)砂漿凝結(jié)時(shí)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(shí)間為35 min，終凝時(shí)間為48 min，遠(yuǎn)低于《石膏基自流平砂漿》(JC/T 1023—2007)中的緩凝時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)摻入緩凝劑后，砂漿的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間都隨緩凝劑摻量增加逐漸增加，說明緩凝劑對(duì)砂漿有明顯的緩凝作用。當(dāng)緩凝劑摻量低于0.2 wt%時(shí)，隨著緩凝劑摻入量增加，砂漿初凝時(shí)間和終凝時(shí)間近乎同步增大，且時(shí)間間隔較短，石膏砂漿在施工時(shí)容易控制；當(dāng)緩凝劑摻量大于0.2 wt%，砂漿初凝、終凝時(shí)間間隔增大，且砂漿終凝時(shí)間過長(zhǎng)，將會(huì)提高施工后的養(yǎng)護(hù)難度。

圖3 緩凝劑摻量對(duì)砂漿凝結(jié)時(shí)間的影響

為了進(jìn)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(jīng)時(shí)流動(dòng)度損失的變化規(guī)律，如圖4所示。

圖4 石膏基自流平砂漿經(jīng)時(shí)流動(dòng)度損失的變化規(guī)律

由圖4可知，石膏基自流平砂漿在20 min時(shí)間內(nèi)的流動(dòng)度損失較小，但當(dāng)時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)時(shí)，漿體流動(dòng)度損失較為嚴(yán)重。這主要是因?yàn)樵讦?半水石膏水化的初始階段，減水劑和緩凝劑中的有機(jī)高分子通過靜電斥力和空間位阻效應(yīng)改變了石膏顆粒的表面性質(zhì)，使砂漿在初始階段的需水量減少。隨著漿體水化持續(xù)進(jìn)行，石膏顆粒被逐漸活化與分散，水化產(chǎn)物中的超細(xì)粒子或膠凝團(tuán)吸附了更多的有機(jī)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(xié)同作用能力降低，破壞了體系電化學(xué)性質(zhì)的平衡。這時(shí)石膏漿體開始凝聚，從而導(dǎo)致漿體的經(jīng)時(shí)流動(dòng)度損失隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大。

2.2 減水劑和緩凝劑對(duì)砂漿力學(xué)強(qiáng)度的影響

聚羧酸系減水劑摻量對(duì)石膏基自流平砂漿力學(xué)強(qiáng)度的影響如圖5所示。由圖5可以看出，聚羧酸系減水劑對(duì)砂漿的力學(xué)強(qiáng)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(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)聚羧酸減水劑摻量增至0.2 wt%時(shí)，砂漿1 d，7 d，14 d的抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)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(dǎo)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(shí)的試樣有最大的力學(xué)強(qiáng)度；而當(dāng)減水劑摻量繼續(xù)增大時(shí)，導(dǎo)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(jìn)而影響了試樣成型后的力學(xué)強(qiáng)度。結(jié)合減水劑對(duì)砂漿工作性能和抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律可認(rèn)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(qiáng)度

(b) 抗折強(qiáng)度

CH—C型緩凝劑摻量對(duì)石膏基自流平砂漿力學(xué)強(qiáng)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(duì)砂漿的力學(xué)強(qiáng)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(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。當(dāng)緩凝劑摻量低于0.2 wt%時(shí)，隨著緩凝劑摻量增加，砂漿1 d和7 d的抗折強(qiáng)度下降幅度較大，而14 d抗折強(qiáng)度下降幅度較??；當(dāng)緩凝劑摻量高于0.2 wt%時(shí)，隨著緩凝劑摻量增加，砂漿1 d，7 d，14 d的抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度均明顯降低。結(jié)合緩凝劑對(duì)砂漿工作性能和抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律認(rèn)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(yīng)為0.1 wt%。

(a) 抗壓強(qiáng)度

(b) 抗折強(qiáng)度

3 結(jié)論

1)隨著減水劑摻量增加，石膏基自流平砂漿的流動(dòng)度先快速增加而后逐漸趨于平穩(wěn)，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，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(dòng)度變化幅度較小，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間逐漸增大，而抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)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(dāng)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(shí)，所制備的砂漿具有最優(yōu)性能，其流動(dòng)度為196 mm，初凝時(shí)間為55 min，終凝時(shí)間為75 min，14 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為9.2 MPa和25.3 MPa，已達(dá)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。