三元胶凝体系水泥基自流平砂浆的研究及进展

王浩然 侯云芬 胡传奇 刘海林 杨泰生

（1.中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024；2.北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 102699）

自流平砂浆的主体是水泥基胶凝材料复合石英砂后，掺加多种化学添加剂组成的粉体，使用时再与水搅拌混匀后形成的一种流动性强、高塑性的自流平地基材料。它是当前地面施工新技术的新型建筑材料，施工便捷，性能良好，可作为饰面面层，亦可作为耐磨基层，用于商业展厅、大型卖场、工业厂房、车间仓储、体育场馆、剧场医院及各种公众聚集性场地等，也用于居家、别墅、温馨小空间等。

国外对自流平砂浆的研究起步较早，技术相对成熟，而国内的相关研究大多停留在实验室理论阶段，对实际施工研究较少。绿色无污染、效果美观、操作安全、快速施工是自流平砂浆的特点，常用作木地板、地毯、地砖、天然石材、塑料地板等地面装饰面材的基面，但目前为止很多自流平砂浆一直存在一些共性问题，如开裂、空鼓、起灰、砂面等。

1 常见的三种自流平砂浆材料

常见的自流平砂浆材料有三种，以硅酸盐水泥为主的PC系、以高铝水泥为主的AC系和石膏自流平材料。

1.1 硅酸盐水泥为主的PC系

硅酸盐水泥为主的PC系，即普通硅酸盐水泥-铝酸盐水泥-石膏三元复合胶凝体系，其特点是强度增长缓慢、干燥收缩较难控制。

普通硅酸盐水泥水化产物具有较高的强度，构件成型的过程中养护得当，则其后期强度还可持续发展，很少出现强度倒缩的现象；也不易产生干燥收缩裂缝，有较高的密实度和表面完整性，表面不易起灰，具有较高的耐磨性。同时由于硅酸盐水泥的水化产物中有较高含量的氢氧化钙，碱度较高。普通硅酸盐水泥为主要材料制备的混凝土存在放热量大、放热过程缓慢的后期阶段，尤其在进行大工程量浇筑的施工过程，其水化放热现象引起的内外剧烈温差会严重影响施工质量。

普通硅酸盐水泥-铝酸盐水泥-石膏三元复合胶凝体系中石膏的形态和添加量对自流平砂浆的性能影响十分明显，硬石膏、α-半水石膏、β-半水石膏加入后的PC三元胶凝体系均有三个水化放热峰，而在三元胶凝体系中添加二水石膏，水化过程只有一个水化放热峰。该体系水化硬化初期，总体积减小，当水泥浆体硬化到一定程度，体积发生膨胀。使用无水石膏或二水石膏的三元复合胶凝体系的强度较为理想，使用半水石膏的体系强度较差。

1.2 高铝水泥为主的AC系

铝酸盐水泥又称高铝水泥，其中最多的矿物为铝酸一钙（CA），其次为铝酸二钙（CA2），在室温条件下的水化产物为铝酸一钙（CAH）和水化铝酸二钙（CAH），两者都属于介稳产物，当温度达到35℃以上时，会转变为较为稳定的水化铝酸三钙（CAH）。在这个晶体转化过程中，它们会导致强度下降。另外，在水化初始阶段或在低温下形成的氢氧化铝是胶体，它起到强化晶粒之间填充的作用，在温度升高后该胶体转化为晶体三水铝石（Al0.3H0）减少了胶体的增强，因此铝酸盐水泥快凝快硬、早期强度高、耐高温、耐腐蚀，但会因环境温度不同造成水化产物不同，稳定性一般，常用于抢险施工而不用于结构施工，大面积长期施工不适合。

硫铝酸盐水泥熟料中的矿物组分主要为无水硫铝酸钙和硅酸二钙，其次还有游离石膏、方镁石和钙钛矿等组分，及少量的钙黄长石、硫硅酸钙、游离石灰和铝酸钙等。因而铝酸盐水泥具有碱度较低，抗腐蚀性较强的特性，并具有高强、高抗渗和高抗冻的优越性能。

硫铝酸盐水泥水化过程会产生钙矾石和少量水化硅酸钙凝胶，这种凝胶能辅助抵消钙矾石膨胀作用，导致以硫铝酸盐为主要成分的复杂胶凝体系中强度得以提高并可以抵消砂浆倒缩。

硫铝酸盐水泥不仅有较高的早期强度，而且有不断增长的后期强度。胶凝材料中掺入适量的硫铝酸盐水泥有利于提高早期强度，但硫铝酸盐水泥的掺入量不能过多。掺入量以体系质量的15%为宜，过多地掺入硫铝酸盐水泥会导致胶凝体系流动度下降，富集在浆体表面的水泥相成膜聚合物减少，以至于砂浆硬化速度过快，砂浆坚硬和光滑度较差。研究认为，普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复合形成的二元胶凝体系自流平砂浆在硫铝酸盐水泥掺量为20%左右时的整体效果最好。

硫铝酸盐三元胶凝材料中石膏的形态对自流平砂浆的性能影响也十分明显，尤其是水化机理表现出明显的不同，如表1所示。

表1 石膏的形态与AC系三元胶凝材料中的水化作用

高铝水泥为主的AC系自流平砂浆的综合性能优于硅酸盐水泥为主的PC系，尤其是使用流动增强剂后，AC系砂浆可以在超低水灰比的条件下保持优越的流动度，硫铝酸盐三元胶凝体系自流平砂浆的快凝、早强、低收缩及早期抗开裂能力均得以提高。

1.3 石膏自流平材料

常见的石膏有无水石膏、α-半水石膏、β-半水石膏、二水石膏四种不同形态。应用于石膏基自流平砂浆胶凝材料的石膏主要采用α半水高强石膏、建筑石膏以及硬石膏。石膏自流平材料根据使用的石膏种类的不同，而有不同的类型。

掺入α-半水石膏形成的三元胶凝体系，强度变化随掺入量而不同，如表2所示。

浆体组成 胶凝材料占比% 抗折强度/Mpa 抗压强度/Mpa硅酸盐水泥铝酸盐水泥α-半水石膏 1d 28d 1d 28d硅酸盐水泥为主L1 30 10…… 3.2 6.6 10.6 39.5 L2 25 10 5 3.4 7.1 10.7 40.0铝酸盐水泥为主L3 10 20…… 5.8 9.7 26.2 38.4 L4 10 20 10 6.5 10.7 28.1 40.2石膏为主L5………… 40 2.7 6.0 8.8 20.4 L6 10……30 4.6 8.0 10.7 30.1

适量α-半水石膏的掺入可促进胶凝体系的水化硬化，对材料的强度有一定的促进作用，并有助于减小砂浆的收缩性。以α-半水石膏作为自流平材料的主体材料，可显著提高成型产品的强度。

1.3.1 化学石膏自流平材料

不同的物理的或化学的处理，化学石膏的性能因处理方法的不同而有明显的差异。没有经过任何处理的化学石膏主要成份是二水石膏，经过煅烧或蒸压工艺处理过的化学石膏，其主要成份是半水石膏。

石膏基自流平材料以石膏为基材，掺入水泥、木质素纤维、消泡剂和可再分散胶粉等功能性添加剂，用以改善胶凝体系的流动性、成型性和强度性质，其中影响流动度的主要因素是石膏与水泥，自流平材料的流动度随石膏用量的增加而降低，但随水泥用量的增加而增大；影响抗折强度的主要因素是石膏、水泥；影响抗压强度的主要因素是石膏和可再分散胶粉。

参照不同的标准制备石膏基自流平材料的过程不同，以致使用过程中的施工工艺和性能要求参差不齐，同时材料的抗压、抗弯强度、软化系数、硬度等物理性能与水泥基自流平材料相比存在一定差距。典型石膏基自流平材料性能良好，强度好、不空鼓、不开裂。热稳定性好，50℃条件下的耐热性能基本保持稳定；抗裂性能优异，28d和194d收缩值及抗折、抗压强度几乎保持一致。

化学石膏中的杂质主要有碳酸盐类（比如石灰石、白云石等）、黏土矿物类（比如高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石等），及少量的石英、长石、云母、黄铁矿、有机质等，这些杂质会严重影响石膏基胶凝材料的制备过程及其应用性能，使强度减小，软化系数降低，制品的密度增大。

1.3.2 无水石膏自流平材料

无水石膏自流平材料的自身流动性好，应用于施工的平整度高，能够快速凝结，有较为理想的强度和良好的耐水性。无水石膏自流平材料的摊展度可达300 mm以上，抗压强度可以达到15 MPa以上，抗折强度和粘结强度较高。由于我国目前尚未有石膏基自流平材料的国家标准，参照国外相关标准进行测试的初凝和终凝时间可分别达到2.4h和9.1h。

以无水石膏为主要组分，添加多种配剂（比如保水剂、缓释剂、消泡剂等）进行改性得到无水石膏基自流平材料，使用合适的激发剂（比如石灰，明矾，水泥等）可以提高无水石膏自流平材料的承载强度，但如果采用硫酸盐类激发剂会导致与基层材料的粘结强度严重降低。

2 三元胶凝体系自流平砂浆的研究现状

三元胶凝体系的构成组分极度复杂。通常意义上的水泥基自流平砂浆是由无机胶凝组分、有机胶凝组分、无机填料和多种化学外加组分（比如乙烯基聚合物、超硬化剂、超塑化剂、木质素磺酸钙等）组成，又要求其性能满足工作性能好、快干速硬、收缩补偿、高平整度等要求，这使得自流平砂浆被工程界人士称为“最复杂的产品”。

国内对于三元胶凝体系的研究鲜有报道。复合胶凝体系自流平砂浆的研究多数选取硬石膏、铝酸盐水泥和硅酸盐水泥的互相搭配，而采用硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥-半水石膏三元体系的研究较少，对其微观机理的研究更少。零星报道的研究大多是针对自己特殊需求或者基于特定条件的指向性研究，缺少成体系的研究。

2.1 三元胶凝体系砂浆水化机理的研究

水泥水化过程中的反应机理，主要有溶解结晶机理和局部化学反应机理：在水泥水化的前期，溶解结晶机理占主导地位，而水化后期特别是扩散作用更难进行时，主要是局部化学反应机理起作用。水泥加水搅拌，随着水化过程的进行，越来越多的水化产物产生，水化物因结晶沉淀析出，硅酸盐晶体的结合力普遍地认为，有岛状结构、链状结构、层状结构、架状结构等四面体空间结合情况，并且彼此相互交错形成网状结构，使得水泥最终凝结形成强度；在局部化学反应机理阶段，固液两相直接反应成水化物，这些水化产物会不断填充网状结构中的孔隙，使得孔隙率减少，密实度增加，进一步增加了强度。但无论是LeChatelier的结晶理论、W·Michaelis的胶体理论，亦或A.A.巴依可夫的三阶段硬化理论都不能对水泥凝结硬化过程给予充分的解释，尚有许多具体问题值得进一步深入研究。

在三元胶凝体系下，水泥的水化机理也不会产生变化，水化过程的影响因素更加复杂，比如环境温度、湿度、养护条件及施工厚度等都会影响三元体系的水化进程及成型强度。

2.2 外加剂在三元胶凝体系下的使用效果研究

水泥基自流平砂浆由于原材料品种或添加量稍有不同，性能会相差很大。

高效减水剂与缓凝剂复掺会影响三元胶凝体系流动性和强度，增大缓凝剂掺量虽可提高浆体流动性，但对体系的早期强度会产生不良影响。高效减水剂复掺不同的凝缓剂对三元胶凝体系的流动性、流动经时损失及凝结时间均产生一定的影响。

石膏的掺加有助于砂浆形成更高的工作性能和成型强度，对三元胶凝体系自流平砂浆的性能影响显著，可以起到补强的作用，和三元胶凝体系中生成的大量钙矾石使得整体力学强度得到提升，同时对硬化收缩有补偿作用，是控制三元胶凝体系自流平砂浆水化产物形貌和状态分布的关键因素。石膏的掺加量对三元胶凝体系自流平砂浆性能的影响具体地体现在：工作性能，不同石膏掺加量对于三元胶凝体系的流动度和凝结时间影响甚微，但石膏掺加量过大会导致自流平砂浆的开裂；力学性能，随着石膏掺加量的逐渐增加，抗压、抗折强度逐渐增高，达到一定程度后，抗压、抗折强度又逐渐降低；收缩性能，随着石膏掺加量的增加，各个龄期的收缩值逐渐由收缩变为膨胀，最终引起试件开裂。

石膏掺量的变化对使用硫铝酸盐水泥的三元胶凝砂浆流变性发展影响不大，但会造成早期流变性损失变快的情况，水化反应较快的石膏类型的表现更明显。石膏在其中的具体作用机理以及水化前期的具体化学行为，受限于当前的研究手段，还有待于进一步深入研究；石膏掺量过高，早期水化热较大，高铝水泥早期强度增进率远远超过硅酸盐水泥，但后期强度会降低，可能会导致硬化开裂等问题。因此针对三元胶凝体系自流平砂浆的水化前期石膏的具体反应过程机理应当予以重视。

2.3 三元胶凝体系自流平砂浆的发展

三元胶凝体系自流平砂浆中硅酸盐水泥主要提供后期强度，铝酸盐水泥或硫铝酸盐水泥主要提供前期强度。三元胶凝体系自流平砂浆的研究初步解决了高强和快硬的矛盾，但现实应用中，复杂多变的施工环境对砂浆产品提出了更高的性能要求，自流平砂浆的研究会向着更多元胶凝体系的方向发展。

石膏是三元胶凝体系自流平砂浆中改性的关键。对复合胶凝体系的研究不应仅仅局限于石膏，可以扩展到其他具有水化活性、有助于提高砂浆体系强度，但对流动度的影响较小的掺合料，为研制更多元的复合砂浆提供了若干可能。

3 三元胶凝体系自流平砂浆的研究改进及建议

1）三元胶凝体系的成分复杂多样性，石膏的掺入使本就复杂的三元胶凝体系自流平砂浆的水化反应的研究更加困难，诸如XRD分析等现有手段显得力不从心，比如石膏加入后的三元胶凝体系砂浆前期水化过程，在XRD分析中会出现波峰重叠无法分辨的情况，需要更有效的检测手段和更先进的实验方法研究水化过程，尤其是水化前期在微观层面发生的具体化学变化以及成型机理研究，剖析三元胶凝体系下内在的规律，推动更加复合多元的砂浆体系研究。急需更加精准高效的表征手段。

2）对于三元胶凝体系自流平砂浆施工中的养护条件有待深入研究。自流平砂浆浇注成型后，温度过低或者表面干燥导致开裂、起砂、发黄等不良现象；成型面积较大，长时间封闭养护条件，缺少针对性实验数据支持。深入研究三元胶凝体系自流平砂浆的发展规律，对难以长时间标准养护的施工过程提出养护办法，具有重要的现实意义。