硬石膏自流平地面材料配方试验探索

王丽，王鹏起，周建中

（北新集团建材股份有限公司，北京　100096）

硬石膏自流平地面材料配方试验探索

王丽，王鹏起，周建中

（北新集团建材股份有限公司，北京100096）

以硬石膏为主要材料，添加不同外加剂、骨料等对其进行改性处理，制得硬石膏自流平地面材料。配方设计为：硬石膏60%～90%，激发剂10%～40%，减水剂0.25%～1.00%，胶粉0～3%，保水剂0.05%～0.10%，粉煤灰0～5%。经测试，硬石膏自流平地面材料的流动度达220 mm，抗折强度为7.3 MPa，抗压强度为16.7 MPa，拉伸粘结强度为0.57 MPa，收缩率为0.045%，性能符合日本住宅公团标准要求。

地坪砂浆；硬石膏；自流平；流动度

目前，自流平地面材料主要有：环氧树脂类、石膏基和水泥基3种，其中石膏基自流平地面材料是以石膏为基础材料，通过添加各种外加剂、骨料等制成的自流平地面材料［1］。该材料具有收缩率小、保温隔热隔声性能良好、环保节能、施工效率高等优点，成为近年来研究的热点。

我国硬石膏矿产资源丰富，储量居世界首位［2］。目前，大多数硬石膏矿床未开发，仅有少数硬石膏矿床如南京、邵东、太原、兴宁、重庆等矿床被开采［3］。硬石膏水化速度较慢、凝结时间较长、胶凝性能较差是限制其开发利用的重要原因［4］。本实验以硬石膏为主要原料，通过添加激发剂、减水剂、胶粉、保水剂、骨料等，开发一种自流平地面材料，拓宽了硬石膏应用领域，大幅提高其附加值。

1　实验

1.1原材料

硬石膏：取自安徽某化工厂。采用球磨机粉磨，以优化颗粒级配，增大比表面积，有效改善硬石膏表面活性，使水和外加剂更好地与物料作用，从而大幅度提高硬石膏水化、硬化速度，缩短凝结时间［5］。经粉磨后硬石膏密度为2.92 g/cm3，细度约200目，比表面积3100 cm2/g，白度约68，初凝时间约15 h，终凝时间约77 h，pH值为7.9。参照GB 5484—85《石膏和硬石膏化学分析方法》测试硬石膏的化学成分，结果见表1。

表1　硬石膏的化学成分%

对硬石膏进行X射线粉末衍射分析，结果见图1。

图1　硬石膏的X射线衍射分析

由图1可以看出，图谱中CaSO4衍射峰强度高且尖锐，说明硬石膏的主要物相组成为CaSO4；除此之外，还可观察到微弱CaMg（CO3）2、CaCO3特征峰。结合化学分析结果可知，微量MgO是白云石矿物组分特征。

KAl（SO4）2·12H2O、FeSO4·7H2O、Na2C2O4、NaHSO4、K2SO4、（NH4）2SO4和Na2SO4：分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

水泥：钻牌32.5级早强复合硅酸盐水泥；亚奥牌52.5级铝酸盐水泥；企鹅牌42.5级早强快硬硫铝酸盐水泥。

减水剂：1#密胺树脂类减水剂MELMENT F10，白色可自由流动粉末，堆积密度500～800 kg/m3，pH值9.0～11.4；2#聚羧酸类减水剂Melflux 2651，橘色-褐色粉末，堆积密度300～600 kg/m3，pH值6.5～8.5；3#聚羧酸类减水剂Liquiment 5581F，黄色-淡黄色粉末，堆积密度400 kg/m3，pH值7.5。3种减水剂均来自巴斯夫（BASF）（中国）股份有限公司。

胶粉：5044N，白色粉末，固含量99%，灰分13%，表观密度450 g/L；5011L，白色粉末，固含量99%，灰分11%，表观密度550 g/L。2种胶粉均来自瓦克（Wacker）化学（中国）股份有限公司。

保水剂：Starvis 3003F，淡黄色粉末，堆积密度250～400 kg/m3，pH值7～9，巴斯夫（BASF）（中国）股份有限公司。

粉煤灰：Ⅱ级，白山市热电厂，化学成分见表2。

表2　粉煤灰的化学成分%

1.2实验仪器

马弗炉：SX2-5-12A，天津中环实验电炉有限公司；流动度测试筒：Φ5 cm×h5.1 cm；维卡仪：无锡建仪仪器机械有限公司；电热恒温鼓风干燥箱：DHG-9245A，上海一恒科技有限公司；布氏漏斗：Φ10 cm；真空泵：SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司；立式砂浆收缩膨胀仪：SP-175，天津市京润建筑仪器厂；10 mm×40 mm×160 mm收缩试模。

1.3实验方法

流动度：参照日本住宅公团标准进行测试。在流动度测试筒内装100 cm3料浆，表面用抹刀轻轻刮平，垂直向上提起圆筒，浆体自由流动形成圆盘状，待浆体流动停止后，量取相互垂直方向的4个直径，取平均值即为流动度。

凝结时间：参照JC/T 1023—2007《石膏基自流平砂浆》进行测试。

抗折、抗压强度：将料浆倒入模具，终凝1 h内脱模制成试件，置于（40±2）℃电热恒温鼓风干燥箱烘干至恒重，按GB/T 17669.3—1999《建筑石膏力学性能的测定》测试试件绝干状态的抗折、抗压强度。

拉伸粘结强度：参照JC/T 985—2005《地面用水泥基自流平砂浆》和JC/T 1023—2007进行测试。选用混凝土［200 mm× 400 mm×（40～50）mm］作基底材料。

保水率：参照JC/T 517—2004《粉刷石膏》进行测试。将料浆置于称量后的布氏漏斗，料浆厚度保持在（10±0.5）mm内；将布氏漏斗放到抽滤瓶上，开动真空泵，在30 s内将负压调至（53.33±0.67）kPa；抽滤20 min，取下布氏漏斗称重。

收缩率：参照JC/T 1023—2007进行测试。称取适量料浆，倒入收缩试模内，无需振动，用金属刮刀清除多余料浆，使料浆完全充满模具，并使表面平整。试件在标准实验条件下放至（24±0.5）h拆模，编号，标明测试方向。脱模后30 min内按标明方向测试试件的初始长度。然后将试件放入（40±2）℃电热鼓风干燥箱中干燥至恒重，在试验室条件下冷却至室温，按标明方向测试试件的长度。

2　结果与讨论

2.1激发剂对硬石膏自流平地面材料性能的影响

添加激发剂可以改变硬石膏溶解度或溶解速度，提高硬石膏水化硬化能力、缩短凝结时间。目前，常用的石膏激发剂主要有硫酸盐、碱性材料以及其它盐类激发剂［6］。图2为分别添加KAl（SO4）2·12H2O、KAl（SO4）2［KAl（SO4）2·12H2O经450℃煅烧1 h制得］、Na2SO4、NaHSO4、（NH4）2SO4、Na2C2O4、K2SO4、FeSO4·7H2O激发剂（硬石膏与激发剂摩尔比为100∶1）的硬石膏在不同龄期的水化率。

图2　激发剂对不同龄期硬石膏水化率的影响

从图2可以看出，不同激发剂对硬石膏水化能力的影响不同，但其水化速率均加快。KAl（SO4）2·12H2O和KAl（SO4）2的激发效果最好，3 d水化率都达到60%以上；其次是Na2SO4；而K2SO4、NaHSO4、FeSO4·7H2O、Na2C2O4和（NH4）2SO4的效果基本一致，但仍可大幅提高硬石膏的水化率。若以KAl（SO4）2· 12H2O为激发剂，成型过程中会产生大量气泡，这是因为硬石膏中含有少量碳酸盐矿物，KAl（SO4）2·12H2O水解后生成H＋将与CO32－作用产生CO2气体；煅烧明矾KAl（SO4）2中含有活性Al2O3和K2SO4，均对硬石膏有激发作用。对硬石膏来说，选择KAl（SO4）2、Na2SO4和K2SO4作激发剂较合适。

硬石膏与激发剂摩尔比为100∶1时，激发剂对硬石膏自流平地面材料抗折、强压强度和凝结时间的影响见表3。

表3　激发剂对硬石膏自流平地面材料物理性能的影响

由表3可见，适量复合激发剂改善了硬石膏自流平地面材料的物理性能，Na2SO4和K2SO4按1∶1摩尔比复合使用，硬石膏自流平地面材料的综合物理性能较好。

根据前述实验结果，在添加适量硫酸盐激发剂后，在硬石膏中分别添加硅酸盐、铝酸盐和早强快硬硫铝酸盐水泥，水泥掺量对硬石膏基自流平地面材料抗压强度的影响见图3。

图3　水泥对硬石膏自流平地面材料抗压强度的影响

由图3可以看出，随水泥掺量增加，硬石膏-水泥体系抗压强度逐渐提高；在相同掺量下，硬石膏-硅酸盐水泥体系和硬石膏-铝酸盐水泥体系的抗压强度基本一致，而硬石膏-硫铝酸盐水泥体系的抗压强度明显提高；对于硬石膏-硫铝酸盐水泥体系，当水泥掺量低于40%时，抗压强度随水泥掺量增大而大幅提高，当水泥掺量为40%时，其绝干抗压强度为27.2 MPa，之后继续增加水泥掺量，抗压强度基本稳定不变。

2.2减水剂对硬石膏自流平地面材料性能的影响

对于硬石膏，聚羧酸类减水剂在掺量较低的情况下具有较好的流动度［7］，密胺树脂类减水剂即使增大掺量，分散效果也差于聚羧酸类减水剂。在上述实验基础上对硬石膏添加适量复合激发剂后，研究减水剂对硬石膏自流平地面材料流动度的影响（水膏比为0.21），结果见图4。

图4　减水剂对硬石膏自流平地面材料流动度的影响

由图4可知，对于1#减水剂，当掺量为0.35%才达到其饱和掺量，流动度仅为110 mm；对于2#减水剂，当掺量为0.25%达到其饱和掺量，流动度为250 mm；对于3#减水剂，当掺量为0.225%达到其饱和掺量，流动度为280 mm。显然，对硬石膏而言，3#减水剂减水效果优于1#和2#减水剂。聚羧酸类减水剂之所以拥有良好的分散性和高效减水效果，是因为其分子结构设计是在分子主链或侧链上引入强极性基团，使分子具有梳形结构，这样就可以通过调节聚合物的分子质量来提高减水性，通过调节侧链分子质量增加立体位阻作用而提高分散性［8］。在本实验中，添加了适量Liquiment 5581F减水剂的硬石膏具有良好的流动性。

2.3胶粉对硬石膏自流平地面材料性能的影响

胶粉能够改善自流平地面材料的一系列性能，如和易性、流平性、耐磨性、柔韧性和与基底的粘结性能等。在上述实验基础上对硬石膏添加适量复合激发剂、减水剂后，研究胶粉对硬石膏自流平地面材料性能的影响，结果见表4。

表4　胶粉对硬石膏自流平地面材料性能的影响

由表4可以发现，随胶粉掺量增加，硬石膏自流平地面材料的绝干抗折强度和拉伸粘结强度逐渐提高。对5044N胶粉，随其掺量增加绝干抗压强度和试块绝干质量逐渐降低；对5011L胶粉，随其掺量增加绝干抗压强度基本稳定不变，绝干抗折强度和绝干质量逐渐增大。通过绝干质量可知，5011L胶粉降低了硬石膏自流平地面材料的含气量，使空隙率下降，导致抗压强度提高，因此，随其掺量增加绝干抗压强度并没有降低。当胶粉掺量超过2%时，反而会对地面材料基本性能产生不利影响，因此适宜添加量应控制在2%左右。在本实验中，添加了适量5011L胶粉，改善了砂浆的力学性能。

2.4保水剂对硬石膏自流平地面材料性能的影响

保水剂能够有效解决自流平材料因失水过快而导致材料水化不充分、强度降低、表面脱粉、干裂等问题［9］。由于保水剂本身具有增稠增黏作用［10］，对于自流平地面流动度会产生不利影响，因此，应严格控制保水剂种类和添加量。在上述实验基础上对硬石膏添加适量复合激发剂、减水剂和胶粉后，研究保水剂对硬石膏自流平地面材料保水率的影响，结果见表5。

表5　保水剂对硬石膏自流平地面材料保水率的影响

从表5可以看出，当未掺保水剂时，料浆保水率较低，仅为78.4%；当保水剂掺量为0.05%时，料浆保水率为90.0%，此时浆体均匀性、自愈合性能良好，并且没出现离析沉降；当掺量为0.10%时，料浆保水率为92.1%。综合考虑，对硬石膏自流平地面材料保水剂Starvis 3003F适宜掺量为0.05%。

2.5细骨料对硬石膏性能的影响

粉煤灰作为细骨料会影响硬石膏基地面材料基本性能，在上述实验基础上对硬石膏添加适量复合激发剂、减水剂、胶粉和保水剂后，研究粉煤灰对硬石膏自流平地面材料性能的影响，结果见表6。

表6　粉煤灰对硬石膏自流平地面材料流动度的影响

由表6可知，粉煤灰掺量为3%时比不掺加粉煤灰的料浆流动度增大了7 mm。

3　硬石膏地面材料性能测试

综合考虑，配方设计为：硬石膏60%～90%，复合激发剂（早强快硬硫铝酸盐水泥和适量硫酸盐激发剂）10%～40%，聚羧酸类减水剂0.25%～1.00%，胶粉0～3%，保水剂0.05%～0.10%，粉煤灰0～5%。

经过一系列探索试验，对硬石膏配方设计进行优化，制得的硬石膏自流平地面材料性能均符合日本住宅公团标准要求，其性能测试结果见表7。

表7　硬石膏自流平地面材料的基本性能

4　结论

（1）以硬石膏为主要材料，通过添加各种外加剂和细骨料可制成硬石膏基自流平地面材料。配方设计为：硬石膏60%～90%，复合激发剂（早强快硬硫铝酸盐水泥和适量硫酸盐激发剂）10%～40%，聚羧酸类减水剂0.25%～1.00%，胶粉0～3%，保水剂0.05%～0.10%，粉煤灰0～5%。

（2）通过配方优化后，制成的硬石膏基自流平地面材料流动度达220mm，绝干抗折强度为7.3 MPa，绝干抗压强度为16.7 MPa，拉伸粘结强度为0.57 MPa，收缩率为0.045%，基本性能符合日本住宅公团标准要求，具有广阔的推广和应用前景。

［1］王丽，赵金平，冯菊莲，等.氟石膏基自流平地坪砂浆的试验研究［J］.矿物岩石，2012：32（2）：7-11.

［2］彭家惠，董军，张建新，等.煅烧硬石膏溶解水化性能及煅烧活化机制研究［J］.建筑材料学报，2010，13（1）：111-115.

［3］张建新.天然硬石膏水化硬化及活性激发研究［D］.重庆：重庆大学，2009.

［4］陈吉春，罗惠莉.不同条件下改性的硬石膏的性能［J］.硅酸盐学报，2005，33（2）：249-252.

［5］杨新亚，牟善彬，秦克刚.粉磨方式对硬石膏活性激发的影响［J］.硅酸盐通报，2004（1）：50-53.

［6］王丽，冯菊莲，赵金平，等.激发剂对氟石膏适应性的研究［J］.新型建筑材料，2012（9）：7-10.

［7］林艳梅.早强型聚羧酸高性能减水剂的合成研究［J］.新型建筑材料，2014（5）：11-14.

［8］沈春林.商品砂浆［M］.北京：中国标准出版社，2007：107-108.

［9］彭明强，叶蓓红.脱硫石膏用于自流平砂浆的研究［J］.建筑材料学报，2012，15（3）：406-409.

［10］肖群芳，李岩凌，苟洪珊，等.干混普通砂浆关键技术研究［J］.新型建筑材料，2014（5）：33-36.

Research and preparation of self-leveling floor mortar from anhydrite

WANG Li，WANG Pengqi，ZHOU Jianzhong
（Beijing New Building Materials Public Limited Company，Beijing 100096，China）

Based on anhydrite，a new kind of self-leveling floor mortar was developed with different additives and aggregate through modification.The optimization formula was：anhydrite 60%～90%，complex activator 10%～40%，superplasticizer 0.25%～1.00%，redispersible polymeric powder 0～3%，water-retaining agent 0.05%～0.10%and fly ash 0～5%.Test results show that the fluidity was 220 mm，the flexural and compressive strength of the mortar reached 7.3 MPa and 16.7 MPa respectively and the tensile adhesive strength was 0.57 MPa with the shrinkage ratio of 0.045%.The property of anhydrite has reached Japan standard of Residential Group and Housing Corporation about gypsum-based self-leveling mortar.

floor mortar，anhydrite，self-leveling，fluidity

TU526；TQ177.3+79

A

1001-702X（2015）09-0019-04

北京市科技新星计划项目（Z121103002512091）

2015-03-27；

2015-04-28

王丽，女，1981年生，河北邯郸人，工程师，主要从事废渣资源化利用及石膏基建材等方面的研究。