硫鋁酸鹽水泥對無砂自流平材料物理力學(xué)性能的影響

歐志華，李家楣，趙明明，李光球

（1.湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南株洲 412007；2.湖南省建筑墻體節(jié)能新材料工程技術(shù)研究中心，湖南株洲 412007；3.湖南省三樹新材料研究院有限公司，湖南長沙 410010）

0 引言

水泥基自流平砂漿具有成本低、流動性強(qiáng)、耐久性好、施工速度快、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[1-4]，但水泥基自流平砂漿容易離析，從而使其性能受到影響。利用廢棄粉料制備無砂自流平材料不僅可以減少離析，還能解決大量粉料難以利用的問題。

為滿足水泥基自流平砂漿快硬和低收縮的要求，通常采用混合膠凝材料，生成以鈣釩石為主的水化產(chǎn)物[5]。而硫鋁酸鹽水泥（SAC）具有快硬早強(qiáng)、補(bǔ)償收縮等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。本研究的主要目的是利用硫鋁酸鹽水泥部分或全部替代普通硅酸鹽水泥，制備無砂自流平材料，以達(dá)到提高自流平材料早期強(qiáng)度（快速硬化）和減少收縮的目的。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

使用的水泥包括P·O 42.5 級普通硅酸鹽水泥和L·SAC 42.5 級低堿硫鋁酸鹽水泥，粉料為利用廢棄混凝土制備再生骨料以及利用天然石料制備骨料時產(chǎn)生的粉料混合物，減水劑為聚羧酸高效減水劑（粉劑），水為自來水。

1.2 配合比

共設(shè)計(jì)了15 組配合比，如表1 所示。每組配合比中，水泥和粉料的總質(zhì)量為1 000 g。其中，SL01～SL06用于研究硅酸鹽水泥基無砂自流平材料中硫鋁酸鹽水泥摻量對其性能的影響，使用硫鋁酸鹽水泥分別取代硅酸鹽水泥質(zhì)量的5%、10%、15%和20%。改變減水劑摻量的目的是調(diào)整材料的流動度。SL07～SL12 用于研究硫鋁酸鹽水泥基無砂自流平材料中，硫鋁酸鹽水泥摻量和減水劑摻量對其性能的影響。

表1 無砂自流平材料的配合比（Tab.1 Mix ratio of sand-free self-levelling material）

1.3 試驗(yàn)方法

按照J(rèn)C/T 985—2017《地面用水泥基自流平砂漿》來測定流動度和流動度損失。測定流動度損失時，靜置時間為30 min。按照GB/T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》來測試抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。對于硅酸鹽水泥基無砂自流平材料，在30 min 流動度測試后，進(jìn)行成型并制備強(qiáng)度試塊；對于硫鋁酸鹽水泥基無砂自流平材料，在完成初始流動度測試后，立即成型并制備強(qiáng)度試塊。

2 硅酸鹽水泥基無砂自流平材料的性能

2.1 SAC 摻量對硅酸鹽水泥基無砂自流平材料流動度的影響

圖1 為減水劑摻量為0.225%、用水量為220 g 時SAC摻量對硅酸鹽水泥基無砂自流平材料流動度的影響曲線。由圖1 可知，隨著SAC 摻量的增加，初始流動度基本保持穩(wěn)定，30 min 流動度先小幅下降，后降幅增大。當(dāng)SAC 摻量由10%增加到15%時，30 min 流動度由156 mm 下降到108 mm，降幅為30.8%，此時流動度已經(jīng)不滿足預(yù)設(shè)要求。由于SAC 具有快硬早強(qiáng)的特性，水化速度快，SAC 摻量較大會導(dǎo)致自流平材料在30 min時流動度損失率增大。

圖1 SAC 摻量對硅酸鹽水泥基無砂自流平材料流動度的影響（Fig.1 Influence of SAC content on fluidity of Portland cement-based sand free self-levelling material）

為了彌補(bǔ)SAC 給自流平材料帶來的流動度損失，在增加SAC 的同時增加減水劑的摻量，以保證自流平材料的初始流動度和30 min 流動度滿足要求。圖2 給出了自流平材料流動性滿足要求時減水劑摻量隨SAC摻量的變化情況以及對應(yīng)的流動度。由圖2 可知：當(dāng)SAC摻量從0%增加到10%時，減水劑的摻量保持不變，自流平材料的初始流動度和30 min 流動度有所降低，但均滿足預(yù)設(shè)要求；當(dāng)SAC 摻量從10%增加到20%時，為使自流平材料的初始流動度和30 min 流動度滿足預(yù)設(shè)要求，減水劑摻量顯著增加，但該條件下30 min 流動度仍明顯降低。

圖2 自流平材料流動性滿足要求時減水劑摻量隨SAC 摻量的變化以及對應(yīng)的流動度（Fig.2 When the fluidity of self-leveling material meets the requirement,the change of water reducer content with SAC content and the corresponding fluidity of self-levelling material）

2.2 SAC摻量對硅酸鹽水泥基無砂自流平材料強(qiáng)度的影響

圖3 為流動度滿足要求時SAC 摻量對硅酸鹽水泥基自流平材料抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響。由圖3 可知：當(dāng)SAC摻量由0%增加到20%時，總體上自流平材料3、28 d 抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均減小，其中3 d 抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的降幅分別為13.3%和24.6%，28 d 抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的降幅分別為20.6%和14.6%；當(dāng)SAC 摻量由0%增加到15%時，自流平材料的1 d 抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均降低，該變化與硫鋁酸鹽的性能有關(guān)，也與其因流動性降低而密實(shí)性受到影響有關(guān)；當(dāng)SAC 摻量由15%增加到20%時，自流平材料的1 d 抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均提高，增幅分別為25.0%和21.4%，這說明SAC 摻量為20%時水泥體系早期水化非常迅速。

圖3 SAC 摻量對硅酸鹽水泥基無砂自流平材料強(qiáng)度的影響（Fig.3 Influence of SAC content on strength of Portland cement-based sand free self-levelling material）

3 硫鋁酸鹽水泥基無砂自流平材料的性能

3.1 減水劑摻量對硫鋁酸鹽水泥基無砂自流平材料性能的影響

圖4 和圖5 分別給出了SAC 摻量為28%、用水量為220 g 時減水劑摻量對硫鋁酸鹽水泥基無砂自流平材料流動度和強(qiáng)度的影響。由于SAC 快硬早強(qiáng)，不同減水劑摻量下30 min 硫鋁酸鹽水泥基無砂自流平材料的流動度均為0 mm。由圖4 可知：隨著減水劑摻量從0.225%增加到0.300%，自流平材料的初始流動度先顯著提高，后趨于穩(wěn)定；當(dāng)減水劑摻量從0.225%增加到0.250%時，初始流動度從86 mm 增加到150 mm，增幅為74.4%；當(dāng)減水劑摻量從0.250%增加到0.300%時，初始流動度從150 mm 增加到154 mm，增幅僅2.7%。這說明減水劑摻量為0.250%時已經(jīng)達(dá)到了飽和摻量點(diǎn)，再繼續(xù)增加減水劑摻量不會使流動度提高，故選用減水劑摻量為0.250%。

圖4 減水劑摻量對SAC 基無砂自流平材料流動度的影響（Fig.4 Influence of water reducer content on fluidity of SAC-based sand-free self-levelling material）

圖5 減水劑摻量對SAC 基無砂自流平材料強(qiáng)度的影響（Fig.5 Influence of water reducer content on strength of SAC based sand-free self-levelling material）

當(dāng)減水劑摻量為0.225%時，因自流平材料流動度太低而無法制備強(qiáng)度試塊。由圖5 可知，隨著減水劑摻量的增加，1、3、28 d 抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的變化幅度較小，大體上保持平穩(wěn)。這是由于自流平材料的水膠比沒有改變，流動度也基本沒有變化。從圖5 還可以看出，相對于1 d 抗折強(qiáng)度，3 d 和28 d 抗折強(qiáng)度出現(xiàn)倒縮，而抗壓強(qiáng)度沒有出現(xiàn)這種情況。

續(xù)圖5 減水劑摻量對SAC 基無砂自流平材料強(qiáng)度的影響（Fig.5 Influence of water reducer content on strength of SAC based sand-free self-levelling material）

3.2 SAC 摻量對硫鋁酸鹽水泥基無砂自流平材料性能的影響

當(dāng)減水劑摻量為0.250%時，不同SAC 摻量下自流平材料的流動度均滿足成型要求。圖6 和圖7 分別給出了減水劑摻量為0.250%、用水量為220 g時SAC摻量對硫鋁酸鹽水泥基無砂自流平材料流動度和強(qiáng)度的影響。由圖6 可知，當(dāng)SAC 摻量從200 g 增加到280 g時，自流平材料的初始流動度緩慢提高，增幅為7.14%。隨著SAC 摻量的增加，石粉用量會相應(yīng)減少，水泥漿體量增大，自流平材料的流動性提高。

圖7 SAC 摻量對SAC 基無砂自流平材料強(qiáng)度的影響（Fig.7 Influence of SAC content on the strength of SAC-based sand-free self-levelling material）

由圖7 可知，隨著SAC 摻量的增加，自流平材料的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均增加。當(dāng)SAC 摻量從200 g 增加到280 g 時，1、3、28 d 抗壓強(qiáng)度的增幅分別為71.1%、52.5%、73.6%，1、3、28 d 抗折強(qiáng)度的增幅分別為39.3%、50%和52.4%。相對于1 d 抗折強(qiáng)度，3、28 d 抗折強(qiáng)度出現(xiàn)倒縮情況。

4 結(jié)語

研究了硫鋁酸鹽水泥摻量對硅酸鹽水泥基無砂自流平材料流動性和強(qiáng)度的影響，以及減水劑摻量和硫鋁酸鹽水泥摻量對硫鋁酸鹽水泥基材料流動性和強(qiáng)度的影響。主要結(jié)論如下：

（1） 在硅酸鹽水泥基自流平材料中，隨著SAC 摻量由0%增加到20%，初始流動度基本保持穩(wěn)定，30 min 流動度先小幅下降，后降幅增大；在增加減水劑使其流動度滿足要求的情況下，3、28 d 抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度總體上均不斷降低，1 d 抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度先降低后有所提高。

（2） 在硫鋁酸鹽水泥基自流平材料中，自流平材料的30 min流動度均為0 mm。隨著減水劑摻量從0.225%增加到0.300%，自流平材料的初始流動度先顯著提高，后趨于穩(wěn)定，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度變化不大；當(dāng)SAC 用量從200 g 增加到280 g 時，自流平材料的初始流動度緩慢增加，而其強(qiáng)度均明顯提高。相對于1 d抗折強(qiáng)度，3、28 d 抗折強(qiáng)度出現(xiàn)倒縮現(xiàn)象。