麦芽糊精对石膏自流平材料性能的影响及工程应用

2022-03-10常青山黄凌苗逄鲁峰孙立刚庞伟琪付鹏

新型建筑材料 2022年2期

常青山，黄凌苗，逄鲁峰，，孙立刚，庞伟琪，付鹏

（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 前言

石膏自流平材料是近年来逐步推广的一种绿色新型建材，是以半水石膏和各种建筑化学功能型外加剂为主要原材料制备的一种外观无结块、无杂物且混合均匀干粉材料[1]。自流平材料分为石膏类和水泥类，采用石膏自流平材料进行施工具有良好的流动性与稳定性。其中，保水剂是石膏自流平材料中不可缺少的外加剂，可有效解决石膏浆体泌水和下沉问题[2]。目前，石膏自流平材料中常用的保水剂为纤维素醚，利用其复杂的三维网状结构，提高产品浆体的稳定性。与纤维素醚类似，麦芽糊精也是一种保水剂，具有黏度适中、溶解度高、原材料易得等优势，逐渐在建筑材料中广泛使用。麦芽糊精常在混凝土中作为保水剂使用，与聚羧酸超塑化剂复配后，可改善混凝土的和易性，达到增稠稳定的效果[3]。不同DE值的麦芽糊精功能特性有所差异，取代部分纤维素醚，研究麦芽糊精与纤维素醚是否可以作为有机高分子类保水剂组分，改善石膏自流平材料的性能，具有重要意义。

本文将麦芽糊精作为一种有机外加剂掺入石膏自流平材料中，通过单因素试验对比不同DE值麦芽糊精及其掺量对石膏自流平浆体流动度保持性、凝结时间的影响，确定麦芽糊精的最佳DE值。通过单因素试验研究麦芽糊精掺量对石膏自流平收缩率变化、稳定性以及不同DE值麦芽糊精对石膏自流平浆体凝结硬化表面状态的影响，确定麦芽糊精的最佳掺量。研究麦芽糊精对石膏自流平材料性能的影响，旨在充分利用麦芽糊精，为麦芽糊精在新型建筑材料上的实践开辟新途径。同时，也为麦芽糊精在石膏自流平上的发展提供参考。

1 试验

1.1 试验材料

β型脱硫石膏：山东信发集团，主要技术性能见表1；水泥：P·Ⅰ52.5，山东山铝环境新材料有限公司；矿粉：S95级，青岛万鸿矿业有限公司；麦芽糊精：采用西王集团产3种不同黏度的麦芽糊精，型号分别为MD5018、MD5021、MD5031，物理性能见表2；羟丙基甲基纤维素醚（HPMC）：黏度40 Pa·s，济南铭州化工有限公司；聚羧酸减水剂：粉末状，减水率38.4%，山东华迪建筑科技有限公司；消泡剂：有机硅类，象尚化工有限公司；缓凝剂：蛋白质分解类，西卡集团；可再分散乳胶粉：工业级，瓦克化学。

表1 β脱硫石膏的主要技术性能

表2 3种麦芽糊精的物理性能

1.2 试验仪器设备

水泥胶砂搅拌机：JJ-5型，无锡建仪；压力试验机：TYE-300B，无锡建仪；电子抗折试验机：YDW-10，无锡建仪；双通道红外线膨胀收缩测试仪：HD-03，山东华迪建筑科技有限公司；电子天平：MTQ/MTB。

1.3 试验方法

石膏基自流平材料的配合比见表3。

表3 石膏自流平材料的配合比 %

石膏自流平材料的性能参照JC/T1023—2021《石膏基自流平砂浆》、T/CBMF 82—2020《石膏基自流平砂浆》进行测试。

2 结果与分析

2.1 麦芽糊精对石膏自流平材料流动度保持性的影响

流动度是石膏自流平材料最重要的工作指标。麦芽糊精作为一种有机外加剂，会影响石膏自流平材料的初始流动度和30、45 min流动度保持性，试验结果见表4。

表4 麦芽糊精对石膏自流平材料流动度保持性的影响

由表4可见：

（1）麦芽糊精对石膏自流平材料流动度有一定的分散保持性，但不同DE值麦芽糊精对石膏浆体在一定时间内流动度保持性能有较大差异，流动度分散保持效果依次为：MD5021＞MD5031＞MD5018，MD5021与石膏自流平材料的相容性最好。

（2）随着麦芽糊精掺量增加，石膏自流平材料在30 min和45 min流动度损失基本呈逐渐增大的趋势。MD5018的DE值为8%，DE值小于10%。麦芽糊精DE值越低，黏度越大，对石膏浆体的增稠效果越明显，流动度损失也越大。因此，MD5018不宜掺入石膏自流平材料当中。掺入MD5021会降低石膏自流平材料的初始流动度，30 min流动度损失大致表现为先减小后增加。当麦芽糊精掺量为0.018%时，30 min流动度损失为2 mm，45 min流动度损失3 mm，流动度损失较小。MD5021的DE值为12%，大于10%，黏度适中，溶解度高，流动性好，有利于促进石膏浆体的分散保持性。麦芽糊精具有流动度保持性与其自身分子结构特性相关，其分子链既有直链又有支链，可促进石膏颗粒分散，有效降低了颗粒之间的凝聚程度，所以具有流动度保持性[4]。掺入MD5031的石膏自流平材料初始和30 min流动度损失随着麦芽糊精掺量增加大致逐渐减小。当麦芽糊精掺量为0.021%时，石膏自流平材料在30 min和45 min的流动度损失最小，流动度保持性效果好。MD5031的DE值为18%，随着麦芽糊精DE值增大，平均分子质量和黏度都下降，对石膏自流平材料的流动度保持性均产生不利影响，需要提高麦芽糊精掺量来提高浆体流动度的保持性。

2.2 麦芽糊精对石膏自流平材料凝结时间的影响

不同DE值的麦芽糊精为石膏自流平材料浆体提供增稠稳定作用的同时，也会延长石膏浆体的初凝和终凝时间。麦芽糊精对石膏自流平材料凝结时间的影响见表5。

表5 麦芽糊精对石膏自流平材料凝结时间的影响

由表5可见，麦芽糊精对石膏自流平材料具有一定的缓凝作用，依次为：MD5021＞MD5031＞MD5018。MD5018掺量对对石膏自流平材料的凝结时间几乎没有影响，初凝及终凝时间变化范围分别129～131min、143～149min。MD5021掺量较小时对凝结时间没有明显影响，掺量为0.012%时初、终凝时间分别为137、152min；掺量达到0.021%时，初、终凝时间分别延长了6.6%、17.1%。MD5031掺量为0.012%～0.021%时，石膏自流平材料浆体凝结时间呈缓慢延长的趋势，初凝时间在136～141 min，终凝时间在151～159min，凝结时间符合JC/T1023—2021要求。麦芽糊精具有缓凝作用与其自身的分子结构特性相关，其分子结构中带有羟基官能团和羧基官能团，这2种官能团具有一定的极性[5]。麦芽糊精极易溶于石膏自流平浆体中，溶解后的麦芽糊精可以吸附在未水化石膏颗粒表面，形成氢键，阻碍石膏晶核形成，延长半水石膏进一步水化。麦芽糊精掺量越多，对石膏自流平材料的缓凝效果越显著。

2.3 麦芽糊精对石膏自流平材料收缩性能的影响

基于前述研究，选择DE值为12%的麦芽糊精MD5021进行收缩率试验，JC/T 1023—2021要求产品收缩率≤0.05%。麦芽糊精掺量对石膏自流平材料收缩性能的影响见图1。

由图1可见，麦芽糊精掺量为0.018%时相对于其它掺量对石膏自流平材料收缩率影响小，收缩率曲线变化较为平缓，尺寸稳定，30 d内收缩率变化小于0.030%，符合JC/T 1023—2021的要求。

2.4 麦芽糊精对石膏自流平材料稳定性的影响

进行浆体稳定性研究时，复配材料即配即用，测试石膏浆体的用水量和泌水率。麦芽糊精作为一种功能型外加剂掺入石膏自流平材料中，为获得产品使用的最佳时间需要进一步研究麦芽糊精对石膏自流平材料长期稳定性的影响。

2.4.1 浆体稳定性

浆体稳定性是石膏自流平材料的重要指标，本试验控制石膏自流平材料浆体初始流动度为（145±5）mm，麦芽糊精掺量为0.012%～0.021%。浆体稳定性采用用水量和泌水率表征，当泌水率为0时，浆体稳定性最好。麦芽糊精对石膏料浆用水量和泌水率影响见表6。

表6 麦芽糊精对料浆用水量和泌水率的影响

由表6可见，随着3种不同DE值麦芽糊精掺量由0.012%增加到0.021%，掺入MD5018石膏自流平材料用水量在53%～56%变化，掺入MD5021石膏自流平材料用水量在53%～55%变化，掺MD5031石膏自流平材料用水量在54%～57%变化，说明3种不同DE值的麦芽糊精在相同掺量下，掺MD5021石膏自流平材料的用水量相对于掺MD5018和MD5031相对稳定。随着3种麦芽糊精MD5018、MD5021、MD5031掺量的增加，泌水率逐渐减小，浆体的整体稳定性也在逐渐提高。当MD5021掺量大于0.015%时，浆体10min泌水率为0，30min之后出现泌水；而MD5018和MD5031掺量大于0.018%时，石膏自流平材料浆体泌水率为0，浆体的稳定性较好。表明3种麦芽糊精在相同掺量下，以MD5021的抗沉降能力最佳，浆体稳定性也较好。麦芽糊精能提高石膏浆体的悬浮稳定性与其自身的分子结构特性相关，其分子可以结合石膏自流平材料浆体中的水分子，降低浆体中可移动自由水的含量，增大稠度，泌水率下降[6]。

2.4.2 长期稳定性

按前述试验得出的最佳方案，选取麦芽糊精DE值为12%，掺量为0.018%，配制25 kg成品石膏自流平材料，放置于标准试验环境中（不通风），研究长期稳定性的变化，结果见表7。

表7 石膏自流平材料的长期稳定性

由表7可见，成品石膏自流平材料随着放置时间的延长，28 d内性能几乎没有变化。28 d后对流动度的影响比较明显，硬化表面出现小气孔。因此，麦芽糊精作为一种有机增稠保水剂，掺入成品石膏自流平材料时的最佳使用时间为1个月。

2.5 不同DE值麦芽糊精对石膏自流平材料表观状态的影响

由于浆体硬化过程中可能会出现表面泛黑和小气泡，从而影响产品硬化表面的光滑度和平整度。因此，研究不同DE值麦芽糊精对石膏自流平材料硬化过程的影响，也是值得关注的问题之一。经过上述试验，选择单掺和复掺麦芽糊精总掺量均为0.018%，复掺时2种麦芽糊精各占50%。麦芽糊精DE值对石膏自流平材料状态的影响见表8。

由表8可见，与不掺麦芽糊精相比，掺入3种不同种类的麦芽糊精使石膏自流平材料的硬化表观情况均得到改善，单掺麦芽糊精效果优于复掺麦芽糊精，但又存在一定差异。对石膏自流平材料硬化表面改善效果依次为MD5018＞MD5021＞MD5031，单掺麦芽糊精MD5018对石膏自流平材料的效果最好，水平度高且表面光滑。复掺麦芽糊精MD5018和MD5031相对于其它组复掺麦芽糊精表观状态无泛黑现象，硬化后表面平整度较好。这是由于麦芽糊精的支链化结构可以与水分、石膏颗粒以及其它建筑化学添加剂形成稳定的网状结构，且有一定的吸附和保持稳定的能力，可以促进石膏浆体中各种成分的均匀度，提高整体的分散稳定性[7]。麦芽糊精是一种良好的载体，黏度适中，在石膏自流平材料中单掺入合适DE值的麦芽糊精有助于提高浆体黏度和改善浆液结构，保持良好的流动性，最终赋予石膏自流平材料产品均一稳定的组织状态。

表8 麦芽糊精DE值对石膏自流平材料表观状态的影响

2.6 配合比优化及工程应用

通过上述研究得出，DE值12%的麦芽糊精与纤维素醚可以共同作为保水组分，保水组分纤维素醚掺量为0.6g，麦芽糊精掺量0.18 g。经配合比优化DE值12%的麦芽糊精可取代0.06 g纤维素醚，取代率占纤维素醚总质量的10%，优化后石膏自流平材料配合比见表9。本研究成果应用于济南市中海华山珑城32层民用建筑，石膏自流平材料的性能指标见表10。