水泥基面层自流平砂浆的尺寸变化测试及性能研究

2022-10-02刘成李英丁贾陆军

新型建筑材料 2022年9期

刘成，李英丁，贾陆军

（1.绵阳职业技术学院材料与建造学院，四川绵阳 621000；2．广东龙湖科技股份有限公司绵阳技术中心，四川绵阳 621000）

水泥基面层自流平砂浆是以特种水泥、普硅水泥、石膏为主要胶凝材料、加入填料和各种外加剂制备而成的新型地面找平装饰材料，能够快速、高效地对地面进行找平，并具有优良的装饰效果。

水泥基面层自流平砂浆具有流平性好、早期强度高、易于铺设、施工速度快、工期短等特点，广泛应用于工业厂房、停车场以及公共地面等[1]。水泥基面层自流平砂浆通常大面积施工，高表面体积比导致的蒸发作用和剧烈的水化反应会引起显著的化学收缩使其易产生收缩开裂[2]。对于厚度大于10 mm的水泥基面层自流平砂浆地面，收缩应力是导致其早期开裂的最重要因素。随着收缩（包括自收缩和干燥收缩）应变的增加，由于地基对地面的约束，使地面不能自由变形，从而形成沿其长度方向分布的收缩应力。当收缩拉应力超过水泥基面层自流平砂浆的抗拉强度时，自流平砂浆就会开裂。因此对于水泥基面层自流平砂浆收缩应变进行控制，将有利于降低自流平砂浆的开裂风险[3]。

水泥基面层自流平砂浆的尺寸变化率依据JC/T 985—2017《地面用水泥基自流平砂浆》进行测试，该标准规定自流平砂浆在收缩模具内浇筑24 h脱模测试初始长度，28 d后测试自然干燥后长度，通过2次测试长度计算尺寸变化率。水泥砂浆现行的其他标准，如GB/T 29756—2013《干混砂浆物理性能试验方法》、JCT 603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》均是以成型后24 h脱模开始测试初始长度计算砂浆的收缩，砂浆从模具浇筑至24 h的尺寸变化被忽略。然而水泥基面层自流平砂浆是一种快凝砂浆，通常2 h左右胶凝材料即开始水化，浇筑至24 h的尺寸变化对研究水泥基面层自流平砂浆的尺寸变化率极为重要，然现行的国家和行业标准并无相关测试方法。

本文采用新型砂浆尺寸变化测试仪测试了水泥基面层自流平砂浆的0～24 h和长龄期的尺寸变化性能，研究了水泥基面层自流平砂浆石膏掺量和凝结时间对水泥基面层自流平砂浆0～24 h的尺寸变化的影响，对指导水泥基面层自流平砂浆的应用具有参考价值。

1 实验

1.1 实验原材料

硬石膏：广安恒盛建材有限公司；高铝水泥：CA50-A700，郑州嘉耐特种铝酸盐有限公司；普硅水泥：P·O42.5，安县中联水泥有限公司；石英砂：40～140目，绵阳市龙门石英砂厂；重钙：325目，江油市华川新材料集团有限公司；酒石酸：DL，常茂生物化学工程股份有限公司。胶凝材料的化学成分如表1所示。

表1 胶凝材料的化学成分 %

1.2 实验方法

1.2.1 流动度

称取2 kg试样，将440 g水倒入胶砂搅拌锅中，缓慢倒入自流平砂浆粉料，慢速搅拌1 min后再快速搅拌1 min至均匀。将符合JC/T 985—2017的流动度环放置在干燥的玻璃板中央，将搅拌均匀的浆料灌满流动度环，分别在10 s内提起流动度环和15 min提起流动度环，保持10～15 s，使浆料自由流动，待流动停止4 min后测试垂直方向的直径，取平均值为初始流动度和15 min流动度。

1.2.2 凝结时间

按照1.2.1中均匀搅拌浆料，按照GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测试水泥自流平砂浆的初凝和终凝时间。

1.2.3 抗折、抗压强度

称取2 kg试样，按照1.2.1搅拌方法搅拌均匀。将浆料灌入预先涂有脱模剂的40 mm×40 mm×160 mm胶砂试模中，浆料充满后用刮刀刮平，24 h脱模，同时制备2组试件。试件在标准状态下分别养护24 h和28 d，按照JC/T 985—2017测试抗折、抗压强度。

1.2.4 尺寸变化测试

面层自流平砂浆测尺寸变化采用如图1所示砂浆尺寸变化测试装置，模具槽尺寸为50 mm×20 mm×1060 mm，倒入模具槽内的面层自流平砂浆一端通过固定件与模具固定，另一端通过固定件与移动滑块相连，千分表通过位移探针与移动滑块接触，当胶凝材料水化过程发生收缩或膨胀时，面层自流平砂浆的尺寸发生变化，从而带动移动滑块位移，通过位移探针传导到千分表，从而可以通过千分表的度数变化计算面层自流平砂浆的尺寸变化率。

称取2 kg试样，按照1.2.1搅拌方法搅拌均匀。倒入砂浆尺寸变化测试仪模具槽内，自水泥基面层自流平砂浆加水开始计时，每0.5 h读取千分表数据，至24 h。随后每1 d读取1次，至28 d。

2 实验结果与讨论

2.1 石膏对水泥基面层自流平砂浆性能的影响

石膏是水泥基面层自流平砂浆重要胶凝材料和膨胀组分，在水泥基面层自流平砂浆中提供CaSO4与水泥反应形成钙矾石抵消自流平砂浆的收缩。自流平砂浆配比为：普硅水泥15%、高铝水泥20%、石英砂（40～140目）40%、添加剂（包含可再分散乳胶粉、减水剂、消泡剂、抗沉淀剂和早强剂）4%、酒石酸0.13%、硬石膏掺量分别为10%、15%和20%、采用重钙配平至100%，确保配方中细粉料和石英砂的比例不变。研究硬石膏掺量对水泥基面层自流平砂浆的性能的影响。结果如表2所示。

表2 硬石膏掺量对水泥基面层自流平砂浆性能的影响

由表2可见，硬石膏掺量对水泥基面层自流平砂浆初始和15 min流动度的影响极小，硬石膏掺量从10%增加至20%时，水泥基面层自流平砂浆的流动度变化在2 mm以内。硬石膏掺量对水泥基面层自流平砂浆早期抗折、抗压强度的影响明显大于后期抗折抗压强度的影响。硬石膏掺量从10%增加至20%时，水泥基面层自流平砂浆1 d抗折、抗压强度分别提高了43.5%、36.8%；3 d抗折、抗压强度分别提高了58.2%、32.7%；28 d抗折、抗压强度分别提高了26.3%、20.5%。这是因为随硬石膏掺量的增加，体系中硫酸钙溶度增大，有利于钙矾石的形成，因此自流平砂浆的密实度相应提高，从而改善了自流平砂浆不同龄期的强度。

将砂浆尺寸变化测试仪置于自然环境下，然后将水泥基面层自流平砂浆浆料浇筑到模具槽内，调整滑块位置，保持模具槽内浆料的长度为1000 mm。水泥基面层自流平砂浆0～24h尺寸变化和1～28 d尺寸变化分别如图2、图3所示。

水泥基面层自流平砂浆是一种快凝砂浆，终凝时间2 h左右，硬化过程水化反应较为激烈，既有水泥水化的化学收缩，也有水分消耗和蒸发产生的物理收缩。从图2可以看出，水泥基面层自流平砂浆在硬化前尺寸均发生收缩，硬石膏掺量为10%时，1 h的收缩最大，收缩值为0.017 mm/m，随后收缩开始减小，3 h时收缩最小，收缩值为0.002 mm/m，随着龄期的延长，收缩越来越大，直至24 h时收缩值为0.103 mm/m；硬石膏掺量为15%时，1 h的收缩也最大，收缩值为0.024 mm/m，随着龄期的进一步延长，收缩越来越小，3.5 h时开始膨胀，膨胀值为0.018 mm/m，随后尺寸一直呈现膨胀趋势，直至10 h时膨胀基本平稳，到24 h时膨胀值为0.201 mm/m；硬石膏掺量为20%时，3 h的收缩最大，收缩值为0.066 mm/m，随后收缩快速下降并迅速膨胀，至4 h转为膨胀，此时膨胀值为0.145 mm/m，4 h时膨胀达到最大，此时膨胀值为0.414 mm/m，随后膨胀开始下降，至24 h时膨胀值为0.349 mm/m。

杨峰等[4]对普硅水泥-高铝水泥-石膏三元体系钙矾石的作用原理进行了系统研究，硬石膏与高铝水泥的主要矿物成分C3A发生如下反应生成钙矾石，从而控制水泥基面层自流平砂浆的尺寸变化。

由此可以看出，在普硅水泥和高铝水泥一定的情况下，钙矾石的形成主要取决于石膏的含量，因此随着石膏掺量的增加，钙矾石生成量增多，从而抵消了水泥自流平体系的收缩。

硬石膏掺量较少时，水泥基面层自流平砂浆的水化初期，由于体系中的一部分水参与水化反应，另外一部分水自然蒸发消耗，因此从水泥基面层自流平砂浆浇筑至1 h，体系水分的消耗引起砂浆的塑性物理收缩，在此阶段表现出随着龄期延长收缩增大。当水泥基面层自流平砂浆初凝后，随着钙矾石的大量生成，抵消了水分消耗带来的物理塑性收缩，体系开始膨胀，且随着龄期延长膨胀增大。当硬石膏掺量较多时，水泥基面层自流平砂浆的水化初期，水化反应较为激烈，水化热较高加速了水分的消耗，从而导致体系塑性物理收缩延长。体系终凝阶段钙矾石大量生成，水泥基面层自流平砂浆迅速膨胀，水化热较高，当水化反应趋于平稳后，水泥基面层自流平砂浆温度下降，从而引起膨胀率减小，表现出轻微收缩的特征。

由图3可见，随着养护龄期的增长，水泥基面层自流平砂浆呈现收缩的趋势，硬石膏掺量为10%的水泥基面层自流平砂浆，1 d收缩值为0.103 mm/m，28 d收缩值为0.521 mm/m。硬石膏掺量为15%的水泥基面层自流平砂浆，1 d膨胀值为0.201 mm/m，28 d膨胀值为0.021 mm/m。硬石膏掺量为20%的水泥基面层自流平砂浆，1 d膨胀值为0.349 mm/m，28 d膨胀值为0.095 mm/m。硬石膏掺量为15%对水泥基面层自流平砂浆的收缩控制最佳，28 d收缩最小，且相对体积处于膨胀状态。

2.2 缓凝剂对水泥基面层自流平砂浆性能的影响

根据上述实验结论，钙矾石是影响试水泥基面层自流平砂浆强度和体积变化的主要因素，因此钙矾石的形成时间对水泥基面层自流平砂浆的研究具有重要意义。水泥基面层自流平砂浆中酒石酸为常用的缓凝组分，酒石酸掺量是调节水泥基面层自流平砂浆施工时间和凝结时间的重要添加剂。结合硬石膏掺量的测试结果，测试酒石酸掺量分别为0.03%、0.08%和0.13%时水泥基面层自流平砂浆的性能变化，其余配比为：普硅水泥15%、高铝水泥20%、石英砂（40～140目）40%、添加剂4%、硬石膏掺量15%、采用重钙配平至100%，结果如表3和图4所示。

表3 酒石酸掺量对水泥基面层自流平砂浆性能的影响

从表3可以看出，水泥基面层自流平砂浆的流动度随酒石酸掺量的增加而增大，酒石酸掺量为0.03%时，水泥基面层自流平砂浆初始流动度为137 mm，15 min无流动度，施工时间较短；酒石酸掺量为0.08%时，初始和15 min流动度分别增加至143、108 mm，依然不能满足施工要求；酒石酸掺量为0.13%时，初始和15 min流动度分别增加至146、138 mm。水泥基面层自流平砂浆的1 d抗折、抗压强度随酒石酸掺量增加而降低，酒石酸掺量由0.03%增加至0.13%时，1 d抗折、抗压强度分别降低了14.1%、13.0%。水泥基面层自流平砂浆的28 d抗折、抗压强度随酒石酸掺量增加而提高，酒石酸掺量由0.03%增加至0.13%时，28 d抗折、抗压强度分别提高了2.9%、9.2%。酒石酸掺量增加自流平砂浆早期的水化进程延迟，导致早期胶凝材料水化不足，从而影响了水泥基自流平砂浆的1 d强度，然而自流平砂浆中胶凝材料总量没有发生变化，酒石酸的掺量变化仅仅改变了胶凝材料的水化进程，凝结时间更长的自流平砂浆1 d后钙矾石的形成更多，更好地填充了自流平砂浆内部空隙，使得自流平砂浆密实度更高，因此表现为酒石酸掺量增加，水泥自流平砂浆28 d强度提高。

由图4可见，不同酒石酸掺量的水泥基面层自流平砂浆在初、终凝阶段均发生收缩，酒石酸掺量为0.03%时，凝固较快，1 h的收缩最大，收缩值为0.449 mm/m，随后收缩开始减小，7 h时收缩最小，收缩值为0.308 mm/m，随着龄期的进一步延长，收缩进一步增加，直至24 h时收缩值为0.365 mm/m；酒石酸掺量为0.08%时，1.5 h的收缩最大，收缩值为0.084 mm/m，随着龄期的进一步延长，收缩越来越小，3 h时体积转为膨胀，膨胀值为0.045 mm/m，随后尺寸一直呈现膨胀趋势，直至16 h时膨胀达到最大值，到24 h时膨胀值为0.212 mm/m；酒石酸掺量为0.13%时，6 h的收缩达到最大，收缩值为0.087 mm/m，随后收缩快速下降，至8 h体积转为膨胀，此时膨胀值为0.004 mm/m，20 h时膨胀达到最大，此时膨胀值为0.312 mm/m，随后体积轻微下降，至24 h时膨胀值为0.305mm/m。

酒石酸作为水泥基自流平砂浆的缓凝组分，其掺量直接影响水泥基面层自流平的初、终凝时间。当酒石酸掺量较少时，水泥基自流平的初凝时间较短，且初、终凝的间隔时间短，普硅-高铝-石膏三元体系水化热集中释放，水泥自流平砂浆浆料的塑性收缩较大，自流平砂浆终凝前钙矾石的形成被塑性浆料吸收抵消，未能达到有效的膨胀效果。当酒石酸掺量较高时，普硅-高铝-石膏三元体系初终凝间隔时间较长，普硅-高铝-石膏三元体系水化进程未集中进行，钙矾石的形成主要发生在水泥自流平砂浆终凝以后，形成有效膨胀。因此，酒石酸掺量既能调节水泥基自流平砂浆的操作时间和凝固时间，也对水泥自流平砂浆早期的尺寸变化有很好的调节作用。