无机高强耐磨地坪砂浆的研制及其施工工艺

叶云飞，张菁燕，杨建辉，张凯华，黄星星

（常州市建筑科学研究院集团股份有限公司，常州绿马特建筑科技有限公司，江苏 常州 213100）

0 前 言

目前，市场上的耐磨地坪材料品种丰富，主要包括有机环氧体系和无机耐磨体系。油性环氧地坪毒性大，气味难以散去；水性环氧地坪价格昂贵，对施工的要求高，使用寿命相对较短[1-2]。无机耐磨地坪主要由水泥、超硬骨料及外加剂组成，在初凝阶段的混凝土表面均匀干撒，经压实固化与混凝土地面结构形成抗压、抗冲击、耐磨损的高性能耐磨地坪。适用于地下停车站、大型商场、物流仓库、重型机械厂等新浇混凝土地面。但市场上的部分无机耐磨材料抗压强度低、耐磨性能差，严重影响工程质量。

本文研究了水泥用量、砂子级配、石榴石砂和氟硅酸盐掺量对无机耐磨地坪砂浆抗折强度、抗压强度、耐磨度比等性能的影响，制得一种无机高强耐磨地坪砂浆。将其应用于实际工程后发现，规范的施工工艺对工程质量非常关键。

1 试验

1.1 原材料与仪器设备

水泥：P·O52.5水泥，江苏金坛盘固水泥，性能指标见表1；石英砂：12～20 目与 20～50 目，安徽滁州；石榴石砂：20～50目，山东日照；硅灰：工业级，河南灵寿；氟硅酸镁、氟硅酸锌：工业级，常熟市科宇氟化工；其它原材料均为市售。20～50目石英砂与石榴石砂的级配见表2。

表1 水泥的主要性能指标

表2 20～50目砂子的级配

主要仪器设备：NRJ-411A型水泥胶砂搅拌机，无锡市建筑材料仪器机械厂；NLD-3型水泥胶砂流动度测定仪，上海东舜建材试验设备有限公司；ZT-96型胶砂试体成型振实台，无锡市中科建材仪器有限公司；AEC型压力试验机，无锡建仪仪器机械有限公司。

1.2 基本配比

硅灰具有很好的分散性，能充分填充在水泥水化物颗粒之间，形成水化硅酸钙凝胶，提高浆体硬化后的密实程度。本研究中硅灰用量为1%～2%。

减水剂选取的是减水率为30%的粉体聚羧酸减水剂，掺量控制在0.10%～0.15%，使得水料比控制在10%～12%，初始流动度为145～160 mm。

添加适量的消泡剂可以很大程度减少浆料中的细微气泡，从而增加砂浆的密实度。经试验发现，适宜的消泡剂掺量为0.03%～0.05%。

为了满足工程对彩色无机耐磨地坪材料的需求，可在水泥原色砂浆中添加氧化铁系颜料粉进行调色，常用的有氧化铁绿、铁红和铁黄。灰色耐磨地坪砂浆可以用金红石型钛白粉搭配氧化铁黑颜料进行调色。根据不同的颜色需求，颜料的总添加量可控制在2%～5%。

无机高强耐磨地坪砂浆的基本配比见表3。

表3 无机耐磨地坪的基本配比 %

1.3 测试方法

抗折强度与抗压强度测试：按GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》中的相关规定进行。

耐磨度比测试：基准砂浆和水泥基耐磨材料的试块制备按JC/T 906—2002《混凝土地面用水泥基耐磨材料》中7.6.1进行，成型后带模在标准养护箱中养护24 h，脱模后将试块放入（20±1）℃的水中养护至规定龄期。试块应在试验前15 min从水中取出，擦除表面沉积物并用湿布覆盖。耐磨性试验按GB/T 16925—1997《混凝土及其制品耐磨性试验方法（滚珠轴承法）》中相关规定进行。耐磨度比即为水泥基耐磨材料的耐磨度与基准砂浆的耐磨度的比值。

表面强度（压痕直径）测试：按JC/T 906—2002中附录A，采用钢球压痕方法，钢球直径10 mm，采用最大量程为50 kN的压力试验机，以（80±20）N/s的速率加荷至4 kN并持荷10 s卸载，利用读数显微镜读取压痕直径。每个试件取6个点测试，去除最大值和最小值，取剩余4个数据的算数平均值作为该试件的压痕直径。

2 结果与分析

2.1 水泥用量对无机耐磨地坪砂浆抗折和抗压强度的影响（见表4）

从表4可以看出，在水泥用量为25%～40%时，随着水泥用量的增加，无机耐磨地坪砂浆的抗折、抗压强度均先提高后降低，当水泥用量为35%时，抗折、抗压强度最高。在一定范围内，增加胶凝材料的用量，会增加水化产物的生成量，提高抗折、抗压强度。但水泥用量过多会影响体系的体积稳定性，同时降低了砂子的含量，反而不利于强度的提高。综合考虑，水泥的最佳用量为35%，此时，无机耐磨地坪砂浆的7 d抗折强度为12.3 MPa，7 d抗压强度高于80 MPa，28 d抗折强度为16.9MPa，28d抗压强度接近120MPa。

2.2 砂子级配对无机耐磨地坪砂浆抗压强度的影响

适当加入砂子对维持水泥水化过程后期体积稳定性非常重要，同时骨料的增强作用对提高无机耐磨地坪砂浆的力学性能至关重要。本文选取12～20目、20～50目石英砂和石榴石砂作为骨料。石榴石砂是以天然铁铝石榴石为原料经现代工艺技术加工精制而成。其主要成分为SiO2、Al2O3和Fe2O3，还有少量的MgO、CaO、TiO2等。试验所用石榴石砂为20～50目，密度为3630 kg/m3，莫氏硬度为7.5，具有优异的耐磨性能。在水泥用量为35%、砂用量为60%的前提下，研究砂子级配对无机耐磨地坪砂浆抗压强度的影响，结果见表5。

由表5可以看出，5种搭配中3＃和4＃试样的抗压强度相对较高，7 d抗压强度约为80 MPa，28 d抗压强度均高于110 MPa。1＃～3＃试样中 12～20 目石英砂用量均为 10%，随着 20～目石榴石砂掺量的逐渐增加，试样的抗压强度明显提高，这与石榴石砂作为增强骨料从而提高砂浆的强度有关。当较细的石榴砂偏多时（4＃试样），影响了砂子合理的级配，同时细砂多了需要提高用水量，因此其抗压强度会有一定程度的降低。5＃试样在3＃试样的基础上，增加了12～20目石英砂用量，降低了20～50目石英砂用量，试验中发现，5＃试样的状态较散，施工性较差，说明砂子级配很不合理，大大降低了砂浆的抗压强度。综上考虑，建议采取3＃搭配作为无机耐磨地坪砂浆的骨料搭配。表6给出了3＃搭配对应的砂子级配。

表6 砂子的合理级配

2.3 氟硅酸盐对无机耐磨地坪砂浆强度的影响

有研究表明[3]，添加适量的氟硅酸盐可以对无机耐磨地坪砂浆起到增强增硬的效果。因此，试验选取氟硅酸镁和氟硅酸锌，探究不同种类与掺量氟硅酸盐对无机耐磨地坪砂浆抗折、抗压强度的影响，结果分别见图1、图2。

图1 氟硅酸盐对无机耐磨地坪砂浆抗折强度的影响

由图1可以看出，氟硅酸镁和氟硅酸锌掺量为0～0.25%时，随着其掺量的增加，无机耐磨地坪砂浆的抗折强度均呈先提高后降低的趋势，说明掺入一定量的氟硅酸盐有利于砂浆抗折强度的发展。氟硅酸镁掺量为0.10%时，砂浆的抗折强度最高，7 d抗折强度可达到13 MPa，28 d抗折强度达到17 MPa；氟硅酸锌掺量为0.15%时，砂浆的抗折强度最高，且氟硅酸锌对抗折强度的提高作用略高于氟硅酸镁。

图2 氟硅酸盐对无机耐磨地坪砂浆抗压强度的影响

由图2可见，抗压强度变化趋势与抗折强度基本一致，均随着氟硅酸盐掺量的增加先提高后降低，在掺量为0.15%时最高，略高于0.10%对应的强度。当掺量为0.10%～0.15%时，7 d抗压强度可达到80 MPa，28 d抗压强度超过110 MPa。氟硅酸锌对抗压强度的提高作用略高于氟硅酸镁。氟硅酸盐与水泥水化产物Ca（OH）2会反应产生晶体物质，如CaF2和K2SiF6，同时氟硅酸盐水解产物有硅胶，可以填充毛细空隙，提高胶砂结构强度。

考虑到成本因素，氟硅酸镁的价格为5000～6000元/t，氟硅酸锌的价格远高于氟硅酸镁，通常为20 000元/t，而氟硅酸锌的增强效果仅略高于氟硅酸镁，掺加0.15%与0.10%对应的抗折、抗压强度相差并不明显。因此，最终确定掺加0.10%的氟硅酸镁。

2.4 最佳配比及其性能测试结果

通过不断优化试验确定的最佳配合比见表7，最终制备的无机高强耐磨地坪砂浆性能测试结果见表8。

表7 无机高强耐磨地坪砂浆的最佳配比 %

表8 无机高强耐磨地坪砂浆的性能

由表8可见，制备的无机耐磨地坪砂浆各项性能均符合JC/T 906—2002的要求。

2.5 施工工艺

合理规范的施工工艺是必不可少的[4-5]。通过一些工程应用，总结出一套无机高强耐磨地坪砂浆的施工工艺：新拌混凝土的初凝时间约为4 h，用抹光机找平并提浆，初凝时均匀铺撒2/3的无机耐磨地坪砂浆；机械打磨平整，待混凝土接近终凝前，均匀铺撒剩余1/3的无机耐磨地坪砂浆；机械抹光，并养护7 d。

特别要注意，第1次铺撒的时间要严格控制，过早会使耐磨骨料沉入混凝土内部，影响表面强度；过晚时混凝土接近终凝，耐磨地坪砂浆不能与混凝土起到很好的粘结作用从而影响效果。

图3 施工前后的效果对比

图3为无机高强耐磨地坪砂在实际工程应用中施工前后的效果对比。的无机高强耐磨地坪砂浆，并已将其应用于工程实际。结果表明：（1）以P·O52.5水泥作为无机胶凝材料，最佳用量为35%；（2）合理的砂子级配对砂浆强度非常重要，在一定范围内增加石榴石砂的掺量可以提高抗折、抗压强度；（3）氟硅酸盐的掺入对耐磨砂浆起到增强作用，推荐掺加0.10%的氟硅酸镁；（4）合理规范的施工工艺可以保证无机耐磨地坪砂浆的施工质量。

相比于有机环氧体系，无机高强耐磨地坪砂浆绿色环保、成本低廉、使用寿命长，具有十分广阔的应用前景。