水泥基面層自流平砂漿的尺寸變化測(cè)試及性能研究

劉成，李英丁，賈陸軍

（1.綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料與建造學(xué)院，四川 綿陽 621000；2．廣東龍湖科技股份有限公司綿陽技術(shù)中心，四川 綿陽 621000）

水泥基面層自流平砂漿是以特種水泥、普硅水泥、石膏為主要膠凝材料、加入填料和各種外加劑制備而成的新型地面找平裝飾材料，能夠快速、高效地對(duì)地面進(jìn)行找平，并具有優(yōu)良的裝飾效果。

水泥基面層自流平砂漿具有流平性好、早期強(qiáng)度高、易于鋪設(shè)、施工速度快、工期短等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠房、停車場(chǎng)以及公共地面等[1]。水泥基面層自流平砂漿通常大面積施工，高表面體積比導(dǎo)致的蒸發(fā)作用和劇烈的水化反應(yīng)會(huì)引起顯著的化學(xué)收縮使其易產(chǎn)生收縮開裂[2]。對(duì)于厚度大于10 mm的水泥基面層自流平砂漿地面，收縮應(yīng)力是導(dǎo)致其早期開裂的最重要因素。隨著收縮（包括自收縮和干燥收縮）應(yīng)變的增加，由于地基對(duì)地面的約束，使地面不能自由變形，從而形成沿其長(zhǎng)度方向分布的收縮應(yīng)力。當(dāng)收縮拉應(yīng)力超過水泥基面層自流平砂漿的抗拉強(qiáng)度時(shí)，自流平砂漿就會(huì)開裂。因此對(duì)于水泥基面層自流平砂漿收縮應(yīng)變進(jìn)行控制，將有利于降低自流平砂漿的開裂風(fēng)險(xiǎn)[3]。

水泥基面層自流平砂漿的尺寸變化率依據(jù)JC/T 985—2017《地面用水泥基自流平砂漿》進(jìn)行測(cè)試，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定自流平砂漿在收縮模具內(nèi)澆筑24 h脫模測(cè)試初始長(zhǎng)度，28 d后測(cè)試自然干燥后長(zhǎng)度，通過2次測(cè)試長(zhǎng)度計(jì)算尺寸變化率。水泥砂漿現(xiàn)行的其他標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 29756—2013《干混砂漿物理性能試驗(yàn)方法》、JCT 603—2004《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》均是以成型后24 h脫模開始測(cè)試初始長(zhǎng)度計(jì)算砂漿的收縮，砂漿從模具澆筑至24 h的尺寸變化被忽略。然而水泥基面層自流平砂漿是一種快凝砂漿，通常2 h左右膠凝材料即開始水化，澆筑至24 h的尺寸變化對(duì)研究水泥基面層自流平砂漿的尺寸變化率極為重要，然現(xiàn)行的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并無相關(guān)測(cè)試方法。

本文采用新型砂漿尺寸變化測(cè)試儀測(cè)試了水泥基面層自流平砂漿的0～24 h和長(zhǎng)齡期的尺寸變化性能，研究了水泥基面層自流平砂漿石膏摻量和凝結(jié)時(shí)間對(duì)水泥基面層自流平砂漿0～24 h的尺寸變化的影響，對(duì)指導(dǎo)水泥基面層自流平砂漿的應(yīng)用具有參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

硬石膏：廣安恒盛建材有限公司；高鋁水泥：CA50-A700，鄭州嘉耐特種鋁酸鹽有限公司；普硅水泥：P·O42.5，安縣中聯(lián)水泥有限公司；石英砂：40～140目，綿陽市龍門石英砂廠；重鈣：325目，江油市華川新材料集團(tuán)有限公司；酒石酸：DL，常茂生物化學(xué)工程股份有限公司。膠凝材料的化學(xué)成分如表1所示。

表1 膠凝材料的化學(xué)成分 %

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 流動(dòng)度

稱取2 kg試樣，將440 g水倒入膠砂攪拌鍋中，緩慢倒入自流平砂漿粉料，慢速攪拌1 min后再快速攪拌1 min至均勻。將符合JC/T 985—2017的流動(dòng)度環(huán)放置在干燥的玻璃板中央，將攪拌均勻的漿料灌滿流動(dòng)度環(huán)，分別在10 s內(nèi)提起流動(dòng)度環(huán)和15 min提起流動(dòng)度環(huán)，保持10～15 s，使?jié){料自由流動(dòng)，待流動(dòng)停止4 min后測(cè)試垂直方向的直徑，取平均值為初始流動(dòng)度和15 min流動(dòng)度。

1.2.2 凝結(jié)時(shí)間

按照1.2.1中均勻攪拌漿料，按照GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》測(cè)試水泥自流平砂漿的初凝和終凝時(shí)間。

1.2.3 抗折、抗壓強(qiáng)度

稱取2 kg試樣，按照1.2.1攪拌方法攪拌均勻。將漿料灌入預(yù)先涂有脫模劑的40 mm×40 mm×160 mm膠砂試模中，漿料充滿后用刮刀刮平，24 h脫模，同時(shí)制備2組試件。試件在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下分別養(yǎng)護(hù)24 h和28 d，按照J(rèn)C/T 985—2017測(cè)試抗折、抗壓強(qiáng)度。

1.2.4 尺寸變化測(cè)試

面層自流平砂漿測(cè)尺寸變化采用如圖1所示砂漿尺寸變化測(cè)試裝置，模具槽尺寸為50 mm×20 mm×1060 mm，倒入模具槽內(nèi)的面層自流平砂漿一端通過固定件與模具固定，另一端通過固定件與移動(dòng)滑塊相連，千分表通過位移探針與移動(dòng)滑塊接觸，當(dāng)膠凝材料水化過程發(fā)生收縮或膨脹時(shí)，面層自流平砂漿的尺寸發(fā)生變化，從而帶動(dòng)移動(dòng)滑塊位移，通過位移探針傳導(dǎo)到千分表，從而可以通過千分表的度數(shù)變化計(jì)算面層自流平砂漿的尺寸變化率。

稱取2 kg試樣，按照1.2.1攪拌方法攪拌均勻。倒入砂漿尺寸變化測(cè)試儀模具槽內(nèi)，自水泥基面層自流平砂漿加水開始計(jì)時(shí)，每0.5 h讀取千分表數(shù)據(jù)，至24 h。隨后每1 d讀取1次，至28 d。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 石膏對(duì)水泥基面層自流平砂漿性能的影響

石膏是水泥基面層自流平砂漿重要膠凝材料和膨脹組分，在水泥基面層自流平砂漿中提供CaSO4與水泥反應(yīng)形成鈣礬石抵消自流平砂漿的收縮。自流平砂漿配比為：普硅水泥15%、高鋁水泥20%、石英砂（40～140目）40%、添加劑（包含可再分散乳膠粉、減水劑、消泡劑、抗沉淀劑和早強(qiáng)劑）4%、酒石酸0.13%、硬石膏摻量分別為10%、15%和20%、采用重鈣配平至100%，確保配方中細(xì)粉料和石英砂的比例不變。研究硬石膏摻量對(duì)水泥基面層自流平砂漿的性能的影響。結(jié)果如表2所示。

表2 硬石膏摻量對(duì)水泥基面層自流平砂漿性能的影響

由表2可見，硬石膏摻量對(duì)水泥基面層自流平砂漿初始和15 min流動(dòng)度的影響極小，硬石膏摻量從10%增加至20%時(shí)，水泥基面層自流平砂漿的流動(dòng)度變化在2 mm以內(nèi)。硬石膏摻量對(duì)水泥基面層自流平砂漿早期抗折、抗壓強(qiáng)度的影響明顯大于后期抗折抗壓強(qiáng)度的影響。硬石膏摻量從10%增加至20%時(shí)，水泥基面層自流平砂漿1 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別提高了43.5%、36.8%；3 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別提高了58.2%、32.7%；28 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別提高了26.3%、20.5%。這是因?yàn)殡S硬石膏摻量的增加，體系中硫酸鈣溶度增大，有利于鈣礬石的形成，因此自流平砂漿的密實(shí)度相應(yīng)提高，從而改善了自流平砂漿不同齡期的強(qiáng)度。

將砂漿尺寸變化測(cè)試儀置于自然環(huán)境下，然后將水泥基面層自流平砂漿漿料澆筑到模具槽內(nèi)，調(diào)整滑塊位置，保持模具槽內(nèi)漿料的長(zhǎng)度為1000 mm。水泥基面層自流平砂漿0～24h尺寸變化和1～28 d尺寸變化分別如圖2、圖3所示。

水泥基面層自流平砂漿是一種快凝砂漿，終凝時(shí)間2 h左右，硬化過程水化反應(yīng)較為激烈，既有水泥水化的化學(xué)收縮，也有水分消耗和蒸發(fā)產(chǎn)生的物理收縮。從圖2可以看出，水泥基面層自流平砂漿在硬化前尺寸均發(fā)生收縮，硬石膏摻量為10%時(shí)，1 h的收縮最大，收縮值為0.017 mm/m，隨后收縮開始減小，3 h時(shí)收縮最小，收縮值為0.002 mm/m，隨著齡期的延長(zhǎng)，收縮越來越大，直至24 h時(shí)收縮值為0.103 mm/m；硬石膏摻量為15%時(shí)，1 h的收縮也最大，收縮值為0.024 mm/m，隨著齡期的進(jìn)一步延長(zhǎng)，收縮越來越小，3.5 h時(shí)開始膨脹，膨脹值為0.018 mm/m，隨后尺寸一直呈現(xiàn)膨脹趨勢(shì)，直至10 h時(shí)膨脹基本平穩(wěn)，到24 h時(shí)膨脹值為0.201 mm/m；硬石膏摻量為20%時(shí)，3 h的收縮最大，收縮值為0.066 mm/m，隨后收縮快速下降并迅速膨脹，至4 h轉(zhuǎn)為膨脹，此時(shí)膨脹值為0.145 mm/m，4 h時(shí)膨脹達(dá)到最大，此時(shí)膨脹值為0.414 mm/m，隨后膨脹開始下降，至24 h時(shí)膨脹值為0.349 mm/m。

楊峰等[4]對(duì)普硅水泥-高鋁水泥-石膏三元體系鈣礬石的作用原理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，硬石膏與高鋁水泥的主要礦物成分C3A發(fā)生如下反應(yīng)生成鈣礬石，從而控制水泥基面層自流平砂漿的尺寸變化。

由此可以看出，在普硅水泥和高鋁水泥一定的情況下，鈣礬石的形成主要取決于石膏的含量，因此隨著石膏摻量的增加，鈣礬石生成量增多，從而抵消了水泥自流平體系的收縮。

硬石膏摻量較少時(shí)，水泥基面層自流平砂漿的水化初期，由于體系中的一部分水參與水化反應(yīng)，另外一部分水自然蒸發(fā)消耗，因此從水泥基面層自流平砂漿澆筑至1 h，體系水分的消耗引起砂漿的塑性物理收縮，在此階段表現(xiàn)出隨著齡期延長(zhǎng)收縮增大。當(dāng)水泥基面層自流平砂漿初凝后，隨著鈣礬石的大量生成，抵消了水分消耗帶來的物理塑性收縮，體系開始膨脹，且隨著齡期延長(zhǎng)膨脹增大。當(dāng)硬石膏摻量較多時(shí)，水泥基面層自流平砂漿的水化初期，水化反應(yīng)較為激烈，水化熱較高加速了水分的消耗，從而導(dǎo)致體系塑性物理收縮延長(zhǎng)。體系終凝階段鈣礬石大量生成，水泥基面層自流平砂漿迅速膨脹，水化熱較高，當(dāng)水化反應(yīng)趨于平穩(wěn)后，水泥基面層自流平砂漿溫度下降，從而引起膨脹率減小，表現(xiàn)出輕微收縮的特征。

由圖3可見，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，水泥基面層自流平砂漿呈現(xiàn)收縮的趨勢(shì)，硬石膏摻量為10%的水泥基面層自流平砂漿，1 d收縮值為0.103 mm/m，28 d收縮值為0.521 mm/m。硬石膏摻量為15%的水泥基面層自流平砂漿，1 d膨脹值為0.201 mm/m，28 d膨脹值為0.021 mm/m。硬石膏摻量為20%的水泥基面層自流平砂漿，1 d膨脹值為0.349 mm/m，28 d膨脹值為0.095 mm/m。硬石膏摻量為15%對(duì)水泥基面層自流平砂漿的收縮控制最佳，28 d收縮最小，且相對(duì)體積處于膨脹狀態(tài)。

2.2 緩凝劑對(duì)水泥基面層自流平砂漿性能的影響

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論，鈣礬石是影響試水泥基面層自流平砂漿強(qiáng)度和體積變化的主要因素，因此鈣礬石的形成時(shí)間對(duì)水泥基面層自流平砂漿的研究具有重要意義。水泥基面層自流平砂漿中酒石酸為常用的緩凝組分，酒石酸摻量是調(diào)節(jié)水泥基面層自流平砂漿施工時(shí)間和凝結(jié)時(shí)間的重要添加劑。結(jié)合硬石膏摻量的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試酒石酸摻量分別為0.03%、0.08%和0.13%時(shí)水泥基面層自流平砂漿的性能變化，其余配比為：普硅水泥15%、高鋁水泥20%、石英砂（40～140目）40%、添加劑4%、硬石膏摻量15%、采用重鈣配平至100%，結(jié)果如表3和圖4所示。

表3 酒石酸摻量對(duì)水泥基面層自流平砂漿性能的影響

從表3可以看出，水泥基面層自流平砂漿的流動(dòng)度隨酒石酸摻量的增加而增大，酒石酸摻量為0.03%時(shí)，水泥基面層自流平砂漿初始流動(dòng)度為137 mm，15 min無流動(dòng)度，施工時(shí)間較短；酒石酸摻量為0.08%時(shí)，初始和15 min流動(dòng)度分別增加至143、108 mm，依然不能滿足施工要求；酒石酸摻量為0.13%時(shí)，初始和15 min流動(dòng)度分別增加至146、138 mm。水泥基面層自流平砂漿的1 d抗折、抗壓強(qiáng)度隨酒石酸摻量增加而降低，酒石酸摻量由0.03%增加至0.13%時(shí)，1 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別降低了14.1%、13.0%。水泥基面層自流平砂漿的28 d抗折、抗壓強(qiáng)度隨酒石酸摻量增加而提高，酒石酸摻量由0.03%增加至0.13%時(shí)，28 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別提高了2.9%、9.2%。酒石酸摻量增加自流平砂漿早期的水化進(jìn)程延遲，導(dǎo)致早期膠凝材料水化不足，從而影響了水泥基自流平砂漿的1 d強(qiáng)度，然而自流平砂漿中膠凝材料總量沒有發(fā)生變化，酒石酸的摻量變化僅僅改變了膠凝材料的水化進(jìn)程，凝結(jié)時(shí)間更長(zhǎng)的自流平砂漿1 d后鈣礬石的形成更多，更好地填充了自流平砂漿內(nèi)部空隙，使得自流平砂漿密實(shí)度更高，因此表現(xiàn)為酒石酸摻量增加，水泥自流平砂漿28 d強(qiáng)度提高。

由圖4可見，不同酒石酸摻量的水泥基面層自流平砂漿在初、終凝階段均發(fā)生收縮，酒石酸摻量為0.03%時(shí)，凝固較快，1 h的收縮最大，收縮值為0.449 mm/m，隨后收縮開始減小，7 h時(shí)收縮最小，收縮值為0.308 mm/m，隨著齡期的進(jìn)一步延長(zhǎng)，收縮進(jìn)一步增加，直至24 h時(shí)收縮值為0.365 mm/m；酒石酸摻量為0.08%時(shí)，1.5 h的收縮最大，收縮值為0.084 mm/m，隨著齡期的進(jìn)一步延長(zhǎng)，收縮越來越小，3 h時(shí)體積轉(zhuǎn)為膨脹，膨脹值為0.045 mm/m，隨后尺寸一直呈現(xiàn)膨脹趨勢(shì)，直至16 h時(shí)膨脹達(dá)到最大值，到24 h時(shí)膨脹值為0.212 mm/m；酒石酸摻量為0.13%時(shí)，6 h的收縮達(dá)到最大，收縮值為0.087 mm/m，隨后收縮快速下降，至8 h體積轉(zhuǎn)為膨脹，此時(shí)膨脹值為0.004 mm/m，20 h時(shí)膨脹達(dá)到最大，此時(shí)膨脹值為0.312 mm/m，隨后體積輕微下降，至24 h時(shí)膨脹值為0.305mm/m。

酒石酸作為水泥基自流平砂漿的緩凝組分，其摻量直接影響水泥基面層自流平的初、終凝時(shí)間。當(dāng)酒石酸摻量較少時(shí)，水泥基自流平的初凝時(shí)間較短，且初、終凝的間隔時(shí)間短，普硅-高鋁-石膏三元體系水化熱集中釋放，水泥自流平砂漿漿料的塑性收縮較大，自流平砂漿終凝前鈣礬石的形成被塑性漿料吸收抵消，未能達(dá)到有效的膨脹效果。當(dāng)酒石酸摻量較高時(shí)，普硅-高鋁-石膏三元體系初終凝間隔時(shí)間較長(zhǎng)，普硅-高鋁-石膏三元體系水化進(jìn)程未集中進(jìn)行，鈣礬石的形成主要發(fā)生在水泥自流平砂漿終凝以后，形成有效膨脹。因此，酒石酸摻量既能調(diào)節(jié)水泥基自流平砂漿的操作時(shí)間和凝固時(shí)間，也對(duì)水泥自流平砂漿早期的尺寸變化有很好的調(diào)節(jié)作用。

3 結(jié)論

（1）三元體系的水泥基自流平砂漿中，硬石膏的摻量是影響水泥基自流平砂漿性能的重要因素，硬石膏摻量的增加可以顯著提高水泥基自流平砂漿的1 d強(qiáng)度、同時(shí)對(duì)28 d強(qiáng)度也有一定的改善。

（2）硬石膏摻量的增加可以抑制水泥基自流平砂漿的早期收縮，同時(shí)減少水泥基自流平砂漿后期收縮。

（3）酒石酸摻量對(duì)水泥基自流平砂漿的1 d和28 d強(qiáng)度有一定的影響，同時(shí)可以顯著改善水泥基自流平砂漿早期鈣礬石形成進(jìn)程，可以有效的調(diào)節(jié)水泥基自流平砂漿早期尺寸變化。

（4）采用新型尺寸變化測(cè)試裝置可以測(cè)試水泥基自流平砂漿水化過程的尺寸變化，能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水泥基自流平砂漿的水化過程的收縮膨脹特性。