三元膠凝體系水泥基自流平砂漿的研究及進(jìn)展

王浩然 侯云芬 胡傳奇 劉海林 楊泰生

（1.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100024；2.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 102699）

自流平砂漿的主體是水泥基膠凝材料復(fù)合石英砂后，摻加多種化學(xué)添加劑組成的粉體，使用時(shí)再與水?dāng)嚢杌靹蚝笮纬傻囊环N流動(dòng)性強(qiáng)、高塑性的自流平地基材料。它是當(dāng)前地面施工新技術(shù)的新型建筑材料，施工便捷，性能良好，可作為飾面面層，亦可作為耐磨基層，用于商業(yè)展廳、大型賣(mài)場(chǎng)、工業(yè)廠房、車(chē)間倉(cāng)儲(chǔ)、體育場(chǎng)館、劇場(chǎng)醫(yī)院及各種公眾聚集性場(chǎng)地等，也用于居家、別墅、溫馨小空間等。

國(guó)外對(duì)自流平砂漿的研究起步較早，技術(shù)相對(duì)成熟，而國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究大多停留在實(shí)驗(yàn)室理論階段，對(duì)實(shí)際施工研究較少。綠色無(wú)污染、效果美觀、操作安全、快速施工是自流平砂漿的特點(diǎn)，常用作木地板、地毯、地磚、天然石材、塑料地板等地面裝飾面材的基面，但目前為止很多自流平砂漿一直存在一些共性問(wèn)題，如開(kāi)裂、空鼓、起灰、砂面等。

1 常見(jiàn)的三種自流平砂漿材料

常見(jiàn)的自流平砂漿材料有三種，以硅酸鹽水泥為主的PC系、以高鋁水泥為主的AC系和石膏自流平材料。

1.1 硅酸鹽水泥為主的PC系

硅酸鹽水泥為主的PC系，即普通硅酸鹽水泥-鋁酸鹽水泥-石膏三元復(fù)合膠凝體系，其特點(diǎn)是強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢、干燥收縮較難控制。

普通硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物具有較高的強(qiáng)度，構(gòu)件成型的過(guò)程中養(yǎng)護(hù)得當(dāng)，則其后期強(qiáng)度還可持續(xù)發(fā)展，很少出現(xiàn)強(qiáng)度倒縮的現(xiàn)象；也不易產(chǎn)生干燥收縮裂縫，有較高的密實(shí)度和表面完整性，表面不易起灰，具有較高的耐磨性。同時(shí)由于硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物中有較高含量的氫氧化鈣，堿度較高。普通硅酸鹽水泥為主要材料制備的混凝土存在放熱量大、放熱過(guò)程緩慢的后期階段，尤其在進(jìn)行大工程量澆筑的施工過(guò)程，其水化放熱現(xiàn)象引起的內(nèi)外劇烈溫差會(huì)嚴(yán)重影響施工質(zhì)量。

普通硅酸鹽水泥-鋁酸鹽水泥-石膏三元復(fù)合膠凝體系中石膏的形態(tài)和添加量對(duì)自流平砂漿的性能影響十分明顯，硬石膏、α-半水石膏、β-半水石膏加入后的PC三元膠凝體系均有三個(gè)水化放熱峰，而在三元膠凝體系中添加二水石膏，水化過(guò)程只有一個(gè)水化放熱峰。該體系水化硬化初期，總體積減小，當(dāng)水泥漿體硬化到一定程度，體積發(fā)生膨脹。使用無(wú)水石膏或二水石膏的三元復(fù)合膠凝體系的強(qiáng)度較為理想，使用半水石膏的體系強(qiáng)度較差。

1.2 高鋁水泥為主的AC系

鋁酸鹽水泥又稱高鋁水泥，其中最多的礦物為鋁酸一鈣（CA），其次為鋁酸二鈣（CA2），在室溫條件下的水化產(chǎn)物為鋁酸一鈣（CAH）和水化鋁酸二鈣（CAH），兩者都屬于介穩(wěn)產(chǎn)物，當(dāng)溫度達(dá)到35℃以上時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為穩(wěn)定的水化鋁酸三鈣（CAH）。在這個(gè)晶體轉(zhuǎn)化過(guò)程中，它們會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度下降。另外，在水化初始階段或在低溫下形成的氫氧化鋁是膠體，它起到強(qiáng)化晶粒之間填充的作用，在溫度升高后該膠體轉(zhuǎn)化為晶體三水鋁石（Al0.3H0）減少了膠體的增強(qiáng)，因此鋁酸鹽水泥快凝快硬、早期強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕，但會(huì)因環(huán)境溫度不同造成水化產(chǎn)物不同，穩(wěn)定性一般，常用于搶險(xiǎn)施工而不用于結(jié)構(gòu)施工，大面積長(zhǎng)期施工不適合。

硫鋁酸鹽水泥熟料中的礦物組分主要為無(wú)水硫鋁酸鈣和硅酸二鈣，其次還有游離石膏、方鎂石和鈣鈦礦等組分，及少量的鈣黃長(zhǎng)石、硫硅酸鈣、游離石灰和鋁酸鈣等。因而鋁酸鹽水泥具有堿度較低，抗腐蝕性較強(qiáng)的特性，并具有高強(qiáng)、高抗?jié)B和高抗凍的優(yōu)越性能。

硫鋁酸鹽水泥水化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生鈣礬石和少量水化硅酸鈣凝膠，這種凝膠能輔助抵消鈣礬石膨脹作用，導(dǎo)致以硫鋁酸鹽為主要成分的復(fù)雜膠凝體系中強(qiáng)度得以提高并可以抵消砂漿倒縮。

硫鋁酸鹽水泥不僅有較高的早期強(qiáng)度，而且有不斷增長(zhǎng)的后期強(qiáng)度。膠凝材料中摻入適量的硫鋁酸鹽水泥有利于提高早期強(qiáng)度，但硫鋁酸鹽水泥的摻入量不能過(guò)多。摻入量以體系質(zhì)量的15%為宜，過(guò)多地?fù)饺肓蜾X酸鹽水泥會(huì)導(dǎo)致膠凝體系流動(dòng)度下降，富集在漿體表面的水泥相成膜聚合物減少，以至于砂漿硬化速度過(guò)快，砂漿堅(jiān)硬和光滑度較差。研究認(rèn)為，普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復(fù)合形成的二元膠凝體系自流平砂漿在硫鋁酸鹽水泥摻量為20%左右時(shí)的整體效果最好。

硫鋁酸鹽三元膠凝材料中石膏的形態(tài)對(duì)自流平砂漿的性能影響也十分明顯，尤其是水化機(jī)理表現(xiàn)出明顯的不同，如表1所示。

表1 石膏的形態(tài)與AC系三元膠凝材料中的水化作用

高鋁水泥為主的AC系自流平砂漿的綜合性能優(yōu)于硅酸鹽水泥為主的PC系，尤其是使用流動(dòng)增強(qiáng)劑后，AC系砂漿可以在超低水灰比的條件下保持優(yōu)越的流動(dòng)度，硫鋁酸鹽三元膠凝體系自流平砂漿的快凝、早強(qiáng)、低收縮及早期抗開(kāi)裂能力均得以提高。

1.3 石膏自流平材料

常見(jiàn)的石膏有無(wú)水石膏、α-半水石膏、β-半水石膏、二水石膏四種不同形態(tài)。應(yīng)用于石膏基自流平砂漿膠凝材料的石膏主要采用α半水高強(qiáng)石膏、建筑石膏以及硬石膏。石膏自流平材料根據(jù)使用的石膏種類的不同，而有不同的類型。

摻入α-半水石膏形成的三元膠凝體系，強(qiáng)度變化隨摻入量而不同，如表2所示。

漿體組成 膠凝材料占比% 抗折強(qiáng)度/Mpa 抗壓強(qiáng)度/Mpa硅酸鹽水泥鋁酸鹽水泥α-半水石膏 1d 28d 1d 28d硅酸鹽水泥為主L1 30 10…… 3.2 6.6 10.6 39.5 L2 25 10 5 3.4 7.1 10.7 40.0鋁酸鹽水泥為主L3 10 20…… 5.8 9.7 26.2 38.4 L4 10 20 10 6.5 10.7 28.1 40.2石膏為主L5………… 40 2.7 6.0 8.8 20.4 L6 10……30 4.6 8.0 10.7 30.1

適量α-半水石膏的摻入可促進(jìn)膠凝體系的水化硬化，對(duì)材料的強(qiáng)度有一定的促進(jìn)作用，并有助于減小砂漿的收縮性。以α-半水石膏作為自流平材料的主體材料，可顯著提高成型產(chǎn)品的強(qiáng)度。

1.3.1 化學(xué)石膏自流平材料

不同的物理的或化學(xué)的處理，化學(xué)石膏的性能因處理方法的不同而有明顯的差異。沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何處理的化學(xué)石膏主要成份是二水石膏，經(jīng)過(guò)煅燒或蒸壓工藝處理過(guò)的化學(xué)石膏，其主要成份是半水石膏。

石膏基自流平材料以石膏為基材，摻入水泥、木質(zhì)素纖維、消泡劑和可再分散膠粉等功能性添加劑，用以改善膠凝體系的流動(dòng)性、成型性和強(qiáng)度性質(zhì)，其中影響流動(dòng)度的主要因素是石膏與水泥，自流平材料的流動(dòng)度隨石膏用量的增加而降低，但隨水泥用量的增加而增大；影響抗折強(qiáng)度的主要因素是石膏、水泥；影響抗壓強(qiáng)度的主要因素是石膏和可再分散膠粉。

參照不同的標(biāo)準(zhǔn)制備石膏基自流平材料的過(guò)程不同，以致使用過(guò)程中的施工工藝和性能要求參差不齊，同時(shí)材料的抗壓、抗彎強(qiáng)度、軟化系數(shù)、硬度等物理性能與水泥基自流平材料相比存在一定差距。典型石膏基自流平材料性能良好，強(qiáng)度好、不空鼓、不開(kāi)裂。熱穩(wěn)定性好，50℃條件下的耐熱性能基本保持穩(wěn)定；抗裂性能優(yōu)異，28d和194d收縮值及抗折、抗壓強(qiáng)度幾乎保持一致。

化學(xué)石膏中的雜質(zhì)主要有碳酸鹽類（比如石灰石、白云石等）、黏土礦物類（比如高嶺石、蒙脫石、伊利石、綠泥石等），及少量的石英、長(zhǎng)石、云母、黃鐵礦、有機(jī)質(zhì)等，這些雜質(zhì)會(huì)嚴(yán)重影響石膏基膠凝材料的制備過(guò)程及其應(yīng)用性能，使強(qiáng)度減小，軟化系數(shù)降低，制品的密度增大。

1.3.2 無(wú)水石膏自流平材料

無(wú)水石膏自流平材料的自身流動(dòng)性好，應(yīng)用于施工的平整度高，能夠快速凝結(jié)，有較為理想的強(qiáng)度和良好的耐水性。無(wú)水石膏自流平材料的攤展度可達(dá)300 mm以上，抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到15 MPa以上，抗折強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度較高。由于我國(guó)目前尚未有石膏基自流平材料的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，參照國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試的初凝和終凝時(shí)間可分別達(dá)到2.4h和9.1h。

以無(wú)水石膏為主要組分，添加多種配劑（比如保水劑、緩釋劑、消泡劑等）進(jìn)行改性得到無(wú)水石膏基自流平材料，使用合適的激發(fā)劑（比如石灰，明礬，水泥等）可以提高無(wú)水石膏自流平材料的承載強(qiáng)度，但如果采用硫酸鹽類激發(fā)劑會(huì)導(dǎo)致與基層材料的粘結(jié)強(qiáng)度嚴(yán)重降低。

2 三元膠凝體系自流平砂漿的研究現(xiàn)狀

三元膠凝體系的構(gòu)成組分極度復(fù)雜。通常意義上的水泥基自流平砂漿是由無(wú)機(jī)膠凝組分、有機(jī)膠凝組分、無(wú)機(jī)填料和多種化學(xué)外加組分（比如乙烯基聚合物、超硬化劑、超塑化劑、木質(zhì)素磺酸鈣等）組成，又要求其性能滿足工作性能好、快干速硬、收縮補(bǔ)償、高平整度等要求，這使得自流平砂漿被工程界人士稱為“最復(fù)雜的產(chǎn)品”。

國(guó)內(nèi)對(duì)于三元膠凝體系的研究鮮有報(bào)道。復(fù)合膠凝體系自流平砂漿的研究多數(shù)選取硬石膏、鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥的互相搭配，而采用硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥-半水石膏三元體系的研究較少，對(duì)其微觀機(jī)理的研究更少。零星報(bào)道的研究大多是針對(duì)自己特殊需求或者基于特定條件的指向性研究，缺少成體系的研究。

2.1 三元膠凝體系砂漿水化機(jī)理的研究

水泥水化過(guò)程中的反應(yīng)機(jī)理，主要有溶解結(jié)晶機(jī)理和局部化學(xué)反應(yīng)機(jī)理：在水泥水化的前期，溶解結(jié)晶機(jī)理占主導(dǎo)地位，而水化后期特別是擴(kuò)散作用更難進(jìn)行時(shí)，主要是局部化學(xué)反應(yīng)機(jī)理起作用。水泥加水?dāng)嚢?，隨著水化過(guò)程的進(jìn)行，越來(lái)越多的水化產(chǎn)物產(chǎn)生，水化物因結(jié)晶沉淀析出，硅酸鹽晶體的結(jié)合力普遍地認(rèn)為，有島狀結(jié)構(gòu)、鏈狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、架狀結(jié)構(gòu)等四面體空間結(jié)合情況，并且彼此相互交錯(cuò)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得水泥最終凝結(jié)形成強(qiáng)度；在局部化學(xué)反應(yīng)機(jī)理階段，固液兩相直接反應(yīng)成水化物，這些水化產(chǎn)物會(huì)不斷填充網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的孔隙，使得孔隙率減少，密實(shí)度增加，進(jìn)一步增加了強(qiáng)度。但無(wú)論是LeChatelier的結(jié)晶理論、W·Michaelis的膠體理論，亦或A.A.巴依可夫的三階段硬化理論都不能對(duì)水泥凝結(jié)硬化過(guò)程給予充分的解釋，尚有許多具體問(wèn)題值得進(jìn)一步深入研究。

在三元膠凝體系下，水泥的水化機(jī)理也不會(huì)產(chǎn)生變化，水化過(guò)程的影響因素更加復(fù)雜，比如環(huán)境溫度、濕度、養(yǎng)護(hù)條件及施工厚度等都會(huì)影響三元體系的水化進(jìn)程及成型強(qiáng)度。

2.2 外加劑在三元膠凝體系下的使用效果研究

水泥基自流平砂漿由于原材料品種或添加量稍有不同，性能會(huì)相差很大。

高效減水劑與緩凝劑復(fù)摻會(huì)影響三元膠凝體系流動(dòng)性和強(qiáng)度，增大緩凝劑摻量雖可提高漿體流動(dòng)性，但對(duì)體系的早期強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生不良影響。高效減水劑復(fù)摻不同的凝緩劑對(duì)三元膠凝體系的流動(dòng)性、流動(dòng)經(jīng)時(shí)損失及凝結(jié)時(shí)間均產(chǎn)生一定的影響。

石膏的摻加有助于砂漿形成更高的工作性能和成型強(qiáng)度，對(duì)三元膠凝體系自流平砂漿的性能影響顯著，可以起到補(bǔ)強(qiáng)的作用，和三元膠凝體系中生成的大量鈣礬石使得整體力學(xué)強(qiáng)度得到提升，同時(shí)對(duì)硬化收縮有補(bǔ)償作用，是控制三元膠凝體系自流平砂漿水化產(chǎn)物形貌和狀態(tài)分布的關(guān)鍵因素。石膏的摻加量對(duì)三元膠凝體系自流平砂漿性能的影響具體地體現(xiàn)在：工作性能，不同石膏摻加量對(duì)于三元膠凝體系的流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間影響甚微，但石膏摻加量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致自流平砂漿的開(kāi)裂；力學(xué)性能，隨著石膏摻加量的逐漸增加，抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸增高，達(dá)到一定程度后，抗壓、抗折強(qiáng)度又逐漸降低；收縮性能，隨著石膏摻加量的增加，各個(gè)齡期的收縮值逐漸由收縮變?yōu)榕蛎?，最終引起試件開(kāi)裂。

石膏摻量的變化對(duì)使用硫鋁酸鹽水泥的三元膠凝砂漿流變性發(fā)展影響不大，但會(huì)造成早期流變性損失變快的情況，水化反應(yīng)較快的石膏類型的表現(xiàn)更明顯。石膏在其中的具體作用機(jī)理以及水化前期的具體化學(xué)行為，受限于當(dāng)前的研究手段，還有待于進(jìn)一步深入研究；石膏摻量過(guò)高，早期水化熱較大，高鋁水泥早期強(qiáng)度增進(jìn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)硅酸鹽水泥，但后期強(qiáng)度會(huì)降低，可能會(huì)導(dǎo)致硬化開(kāi)裂等問(wèn)題。因此針對(duì)三元膠凝體系自流平砂漿的水化前期石膏的具體反應(yīng)過(guò)程機(jī)理應(yīng)當(dāng)予以重視。

2.3 三元膠凝體系自流平砂漿的發(fā)展

三元膠凝體系自流平砂漿中硅酸鹽水泥主要提供后期強(qiáng)度，鋁酸鹽水泥或硫鋁酸鹽水泥主要提供前期強(qiáng)度。三元膠凝體系自流平砂漿的研究初步解決了高強(qiáng)和快硬的矛盾，但現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，復(fù)雜多變的施工環(huán)境對(duì)砂漿產(chǎn)品提出了更高的性能要求，自流平砂漿的研究會(huì)向著更多元膠凝體系的方向發(fā)展。

石膏是三元膠凝體系自流平砂漿中改性的關(guān)鍵。對(duì)復(fù)合膠凝體系的研究不應(yīng)僅僅局限于石膏，可以擴(kuò)展到其他具有水化活性、有助于提高砂漿體系強(qiáng)度，但對(duì)流動(dòng)度的影響較小的摻合料，為研制更多元的復(fù)合砂漿提供了若干可能。

3 三元膠凝體系自流平砂漿的研究改進(jìn)及建議

1）三元膠凝體系的成分復(fù)雜多樣性，石膏的摻入使本就復(fù)雜的三元膠凝體系自流平砂漿的水化反應(yīng)的研究更加困難，諸如XRD分析等現(xiàn)有手段顯得力不從心，比如石膏加入后的三元膠凝體系砂漿前期水化過(guò)程，在XRD分析中會(huì)出現(xiàn)波峰重疊無(wú)法分辨的情況，需要更有效的檢測(cè)手段和更先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法研究水化過(guò)程，尤其是水化前期在微觀層面發(fā)生的具體化學(xué)變化以及成型機(jī)理研究，剖析三元膠凝體系下內(nèi)在的規(guī)律，推動(dòng)更加復(fù)合多元的砂漿體系研究。急需更加精準(zhǔn)高效的表征手段。

2）對(duì)于三元膠凝體系自流平砂漿施工中的養(yǎng)護(hù)條件有待深入研究。自流平砂漿澆注成型后，溫度過(guò)低或者表面干燥導(dǎo)致開(kāi)裂、起砂、發(fā)黃等不良現(xiàn)象；成型面積較大，長(zhǎng)時(shí)間封閉養(yǎng)護(hù)條件，缺少針對(duì)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。深入研究三元膠凝體系自流平砂漿的發(fā)展規(guī)律，對(duì)難以長(zhǎng)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的施工過(guò)程提出養(yǎng)護(hù)辦法，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。