一种新型石膏自流平材料的研究与工程应用

逄鲁峰，孙立刚，付鹏，郎慧东，庞伟琪，黄凌苗

（1.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南 250101；2.山东华迪建筑科技有限公司，山东 济阳 251400）

0 引言

自流平砂浆是由特种骨料及多种建筑化学添加剂经工厂配制、混合均匀制成的一种专门用于地面找平、抬高及地暖回填的干粉砂浆[1]。自流平砂浆可分为水泥基和石膏基两大类，使用时加水搅拌成浆状具有很高流动性。采用自流平砂浆施工的地面收缩小、水平度高、表面平滑、施工效率高[2]。

目前对水泥基自流平砂浆及含砂石膏基自流平砂浆的研究比较广泛，但是对于无砂石膏基自流平材料的研究与应用并没有大范围普及，其存在如强度低、泌水沉降严重、砂浆产品不稳定等缺点，使得在工程应用中存在很大局限。

自流平材料多应用于高层住宅，大都采用泵送施工的方式，传统的自流平材料由于其中含有细骨料，骨料与胶凝材料复配易结块，并且其密度大，泵送施工过程中堵管现象严重，给施工造成很大麻烦。本研究采用α-半水石膏作为主要胶凝材料，研制出一种高流动性、高强度、无泌水、无沉降、低密度、易泵送施工的新型石膏自流平材料。该材料主要特点一方面完全改变先前应用配合体系，研究出无砂配合体系，改善水泥基自流平砂浆及含砂石膏基自流平砂浆施工流动性小、收缩率大、不易施工泵送以及当前对于无砂石膏基自流平材料研究中存在的缺陷；另一方面充分利用工业废弃物脱硫石膏，研发出低环境负荷的建筑材料。通过设计正交试验，得出石膏减水剂（PCC-s）、羟丙基甲基纤维素（HPMC）、消泡剂、聚乙烯醇的最佳掺量。通过单因素变量试验分析了溶液pH值、石膏缓凝剂掺量、胶凝材料体系和搅拌工艺对石膏自流平材料性能的影响。工程应用表明，石膏自流平材料流动性大，无需人工辅助找平，泵送施工效率极高，凝结硬化过程中无泌水沉降现象，且凝结硬化后产品水平度极高。

1 试验

1.1 试验材料及仪器设备

1.1.1 试验材料

水泥（C）：P·Ⅰ52.5级，山东山铝环境新材料有限公司；粉煤灰（FA）：Ⅱ级，滨州电厂；硅灰（SF）：SF90级，山东博肯硅材料有限公司；α-半水石膏（α-HG）：脱硫型，山东沙湖昊天环保科技有限公司；石英砂：70～120目，山东招远建友石英砂厂；消泡剂：工业级，上海梓意化工有限公司；聚乙烯醇：工业级，北京弗特恩科技有限公司；碱性调节剂：主要成分为氧化钙，工业级，山东华迪建筑科技有限公司；蛋白质分解类石膏缓凝剂：工业级，山东华迪建筑科技有限公司；可再分散乳胶粉：工业级，瓦克化学；羟丙基甲基纤维素（HPMC）：黏度100 Pa·s，济南铭洲化工有限公司；石膏减水剂：PCC-s聚羧酸系高效石膏减水剂，粉末状，固含量99.1%，山东华迪建筑科技有限公司。

1.1.2 仪器设备

TYE-300B型压力试验机；PT-1179型拉力试验机；YDW-10型微机控制电子抗折试验机；HD-03型双通道红外线膨胀收缩测试仪；1100W型浆料搅拌分散机；JJ-5型水泥胶砂搅拌机；HD-05型工业自流平材料搅拌机；K1502型手持式工业搅拌器；MTB型天平。

1.2 测试方法

石膏自流平材料的各项性能参照JC/T 1023—2007《石膏基自流平砂浆》进行测试。

1.3 正交试验设计

试验基准配比：水泥50 g、粉煤灰50 g、硅灰20 g、α-半水石膏880 g、石膏缓凝剂0.8 g、碱性调节剂2.7 g、可再分散乳胶粉10 g、水500 g。将粉料倒入水泥胶砂搅拌锅内自动搅拌。加料完毕后采用搅拌机慢速搅拌2 min，得到均匀的料浆，测试料浆初始流动度；从加料搅拌开始料浆在搅拌锅中静置至30 min，采用搅拌机慢速搅拌1 min，测试料浆的30 min流动度。正交试验以基准配比为基础，控制胶凝材料掺量、水胶比、加料搅拌方式、搅拌时间等因素均相同，通过前期探索性试验，确定PCC-s、HPMC、消泡剂、聚乙烯醇掺量（均按占胶凝材料总质量计）4个主要影响因素，以石膏自流平材料的初始以及30 min流动度为指标，设计L9（3）4正交试验，确定各因素的最优水平。正交试验因素水平见表1。

表1 正交试验因素水平

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果分析

正交试验设计及测试结果见表2，极差分析见表3。

表2 正交试验设计及性能测试结果

表3 正交试验极差分析

由表3可见：

（1）各因素对初始流动度影响顺序为：B＞A＞D＞C；对30min流动度影响顺序为：B＞A＞C＞D。

（2）HPMC掺量为主要影响因素，随HPMC掺量的增加，初始流动度先增大后减小，30 min流动度损失值先减小后增大。HPMC为非离子型聚合物，其分子结构链上的羟基和醚键上的氧原子均可与水分子结合形成氢键，使游离水变成结合水，从而起到保水作用[3]。HPMC的存在防止材料下底基材吸收水分过多过快并且能够阻碍水分蒸发，降低流动度损失，保证自流平材料水化时具有足够的水[4]。

（3）PCC-s以空间位阻效应与静电斥力效应为其主要作用方式。吸附时，主链上羧基与钙离子作用吸附于石膏表面，侧链向外伸展，阻碍颗粒间聚集，表现出优异分散性能，促使石膏颗粒相互分散并释放出被包裹的部分水，起到减水、增大流动度的作用。随石膏减水剂掺量的增加，初始及30 min流动度均先增大后减小，石膏减水剂的最佳掺量为0.45%。

（4）聚乙烯醇能够与HPMC共同作用改善石膏自流平材料的保水性，也能够对生成的二水石膏起到悬浮稳定的作用，本试验中聚乙烯醇的最佳掺量为0.02%。

（5）消泡剂的掺加一方面能够消除石膏自流平材料在机械搅拌过程混入空气产生的气泡，使体系更加均匀，增大流动度，又可避免在凝结硬化过程中表面出现蜂窝麻面状况，硬化后表面残留气孔减少，使石膏自流平材料硬化后平整、光滑[5]。另一方面，由于自流平材料在搅拌过程中产生的气泡硬化后会形成孔洞，最终使材料的强度降低，消泡剂的存在能够消除这一严重缺陷。随消泡剂掺量增加，初始及30 min流动度逐渐减小，消泡剂的最佳掺量为0.01%。

通过极差分析结果，并考虑石膏自流平材料的初始、30min流动度以及凝结硬化后表面状态，最佳因素水平为A2B2C1D2，即PCC-s掺量为0.45%、HPMC掺量为0.04%、消泡剂掺量为0.01%、聚乙烯醇掺量为0.02%。

2.2 料浆pH值对石膏自流平材料流动性和硬化后状态的影响

料浆酸碱条件对石膏自流平材料性能影响很大，为胶凝材料水化提供碱性环境[6]。通过改变碱性调节剂用量调节料浆的pH值，研究料浆pH值对石膏自流平材料流动性及对凝结硬化后状态（有无泌水、有无沉降、表面光滑度等）的影响。试验采用基准配比，且根据正交试验结果，PCC-s、HPMC、消泡剂、聚乙烯醇的用量分别为4.5、0.4、0.1、0.2 g。试验结果见表4。

表4 料浆pH值对石膏自流平材料性能的影响

由表4可见：

（1）随料浆pH值的增大，石膏自流平材料的流动度先增大后减小。HPMC在碱性环境条件下的溶解速度快，并且其黏度变化较快，碱性环境下使用效果最佳。随pH值增大，溶液中引入Ca2+、OH-等离子，促使溶液中HPMC黏度变化，即此时溶液过饱和，将会使二水石膏晶核生成很快，水化放热速度增大，初始流动度变大，30 min流动度损失变小。当pH值过大时，液相中Ca2+浓度过大，水化速度减慢，浆体流动度变小。当pH值为8～9时，溶液达到最佳平衡状态，各组分最大限度发挥作用，石膏自流平材料的流动度最大，表面状态良好，此时碱性调节剂用量为胶材总质量的0.4%。

（2）料浆pH值为8～9时，石膏自流平材料凝结硬化前无泌水、沉降现象，并且其硬化后28 d表面光滑度最高，表面状态最好。碱性调节剂的主要成分为氧化钙，pH值增大同时溶液中Ca2+浓度逐渐增大，当pH值达到合适值时，二水石膏晶核形成过程均匀。此变化时间对于石膏自流平材料的均匀度有极大影响，变化时间过长或过短均影响自流平材料中HPMC、聚乙烯醇等保水调黏组分发挥对水化颗粒的悬浮稳定作用，使浆体硬化过程存在极不均匀性。

2.3 胶凝材料体系对石膏自流平材料性能影响

采用的胶凝材料体系：水泥-α-半水石膏体系（T1）、水泥-硅灰-α-半水石膏体系（T2）、粉煤灰-α-半水石膏体系（T3）、水泥-粉煤灰-α-半水石膏体系（T4）、α-半水石膏体系（T5）。参照基准配比，固定其它材料用量不变，正交试验各因素按最优水平，对不同胶凝材料体系的强度和收缩性能进行研究，试验结果见表5和图1。

表5 不同胶材体系对石膏自流平材料强度的影响

图1 不同胶材体系对石膏自流平材料收缩率的影响

由表5可见，掺加水泥明显提高了石膏自流平材料的强度，当其掺量为10%时，其早期和后期强度均有较大幅度提升。若仅采用α-半水石膏作胶凝材料时，其绝干抗折强度仅为6.89MPa，低于JC/T 1023—2007规定的≥7.5 MPa。掺9%水泥+2%硅灰时，石膏自流平材料的早期和后期强度均有提升，且符合JC/T 1023—2007的规定。

由图1可知，在不同水化阶段材料表现出不同的胀缩，但最终趋于稳定[7-8]。胶凝材料体系T2的变化曲线平缓，膨胀收缩稳定性更好，收缩率为0.037%，符合JC/T1023—2007≤0.05%的要求。考虑强度以及收缩率2个重要因素，石膏自流平材料宜选取胶凝材料体系T2作为试验应用体系。

2.4 石膏缓凝剂对石膏自流平材料性能影响

试验配比为：水泥90g、硅灰20g、α-半水石膏890g、PCC-s 4.5g、HPMC0.4g、消泡剂0.1g、聚乙烯醇0.2g、碱性调节剂4g、可再分散乳胶粉10g、水500g。改变石膏缓凝剂掺量，确定其对石膏自流平材料流动性能和强度的影响，结果如表6和图2所示。

表6 石膏缓凝剂掺量对石膏自流平材料流动性能的影响

图2 石膏缓凝剂掺量对石膏自流平材料强度的影响

由表6可见，随石膏缓凝剂掺量的增加，石膏自流平材料的初始流动度变化不大，30min流动度损失值不断减小。掺量增加的同时，砂浆开始出现不同程度泌水，凝结时间逐渐延长。石膏缓凝剂掺量为0.06%、0.08%时，30 min流动度损失均大于JC/T1023—2007要求的3 mm，虽然没有出现泌水状况，但是其凝结时间略短，无法满足最低操作时间要求。当其掺量为0.10%时，其初始流动度达到149 mm，30 min无流动度损失；掺量为0.12%、0.14%时，虽然初始及30 min流动度保持性能很好，但是均出现不同程度泌水。单考虑石膏缓凝剂掺量变化对石膏自流平材料流动性能的影响，可选0.10%掺量作为应用参考。

由图2可见，掺加石膏缓凝剂会对石膏自流平材料的早期强度造成影响。随石膏缓凝剂掺量的增加，石膏自流平材料的早期强度明显降低，对后期强度影响较小。

在保证流动性、流动度损失、强度以及凝结时间符合JC/T 1023—2007要求的前提下，石膏缓凝剂的适宜掺量为0.10%。

2.5 搅拌工艺对石膏自流平材料流动性能的影响

试验配比为：水泥90g、硅灰20g、α-半水石膏890g、PCC-s 4.5 g、HPMC0.4 g、消泡剂0.1 g、聚乙烯醇0.2 g、碱性调节剂4g、石膏缓凝剂1g、可再分散乳胶粉10g、水500g。搅拌工艺对石膏自流平材料流动性能的影响见表7。

表7 搅拌工艺对石膏自流平材料流动性能的影响

由表7可见，搅拌工艺对石膏自流平材料流动性能的影响依次为：G4＞G2＞G3＞G1。石膏自流平材料的流动度受搅拌工艺影响，采用浆料分散搅拌机和工业自流平材料搅拌机搅拌，控制转速为2400 r/min时得到的砂浆状态最好，具有最好的初始流动度以及最低30min流动度损失。由于砂浆中PCC-s、HPMC、聚乙烯醇等组分在不同搅拌条件下，其溶于水量不同，短时间内发挥作用量不同。由于搅拌时间很短，会使自流平材料对搅拌机器适用性不同，工业自流平材料搅拌机由于存在一螺旋绞龙并且转速可控，其对于自流平材料搅拌表现出最好适应性。

2.6 无砂石膏基自流平材料与含砂石膏基自流平砂浆工程应用对比

制备的无砂石膏基自流平材料配比与2.5节相同；含砂石膏基自流平砂浆配比为：水泥60 g、α-半水石膏470 g、粉煤灰70 g、70～120目石英砂400 g、可再分散乳胶粉8 g、水290 g。标准试验条件下，同时配制无砂石膏基自流平材料与含砂石膏基自流平砂浆，调整两者初始流动度相同，性能测试结果见表8和图3。采用泵送施工技术将其应用于住宅楼层泵送施工，测试施工技术指标见表9。

表8 不同类型石膏自流平材料性能对比

图3 不同类型石膏自流平材料收缩对比

表9 不同类型石膏自流平材料施工技术指标对比

由表8可见，无砂石膏基自流平材料的流动性能更好，并且在实际工程应用施工过程中无需人工辅助找平就可以达到极高的水平度，因为体系中不含砂，其密度更小，测得相同流动度条件下，现场搅拌料浆与泵送料浆流动性能均更好、质地更加均匀，强度更高。由图3可见，无砂石膏基自流平材料收缩率更低，其在32 d内的收缩曲线相比含砂石膏基砂浆更平缓，并且由于石膏在体系中作为主要胶凝材料，存在后期微膨胀的特性，使硬化后产品不会出现开裂，与基层粘结更加牢固，耐久性更好[9-10]。由表9可见，无砂石膏基自流平材料工程应用中其流动度、施工效率均高于含砂石膏基自流平材料。

3 结语

（1）正交试验研究得出最佳因素水平为A2B2C1D2，即PCC-s掺量0.45%、HPMC掺量0.04%、消泡剂掺量0.01%、聚乙烯醇掺量0.02%。通过单因素变量试验确定浆料溶液pH值为8～9，胶凝材料体系为水泥-硅灰-α-半水石膏体系（T2），缓凝剂掺量为0.10%，搅拌机器为工业自流平材料搅拌机器。通过最佳配合比和最优工艺制得的石膏自流平材料各项性能指标均符合JC/T1023—2007的要求。

（2）采用水泥-硅灰-α-半水石膏胶凝材料体系制备的石膏自流平材料性能最好。水泥提高了石膏自流平材料的后期强度，硅灰可作为半水石膏的激发剂又可以作为空隙填充材料，使石膏自流平材料更加密实。

（3）试验研究及工程应用表明，石膏自流平材料流动度极大，施工效率更高，更适合泵送施工，便于大范围施工。且可工业废弃物石膏的再利用提供了一条新的路径，具有广阔的发展前景。