硅酸盐水泥基双组分自流平砂浆的制备与性能研究

王轶,罗翔

(苏州中材建设有限公司,江苏 昆山 215300)

自流平砂浆是由一种或者多种水泥搭配形成的混合胶凝材料、以石英砂作为骨料、惰性材料作为矿物填料以及多种化学外加剂配合而成,在自重作用下稍微施加外力便可流平均匀,且具有较好早期强度的绿色建筑功能砂浆[1。自流平砂浆具有凝结时间适当、流动度好、早期强度高、抗偏析性能好、体积稳定等特点[2。而当自流平砂浆中的胶凝材料仅为硅酸盐水泥时,会存在早期强度低、干燥收缩严重等多种问题,铺设后的表面和角落会发生开裂和卷曲。而加入硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥或者二者的混合物可以调整水化产物,进而减少砂浆的开裂几率,同时也可获得更好的早期强度。

双组分水泥基自流平材料主要组成为水泥和聚合物乳液两部分,同时还加入了砂和多种外加剂[3-4]。以普通硅酸盐水泥为主要胶凝物,通过加入高铝水泥、石膏进而形成多元复合胶凝材料,并掺入少量灰钙。通过调控胶凝材料组成、胶砂质量比和外加剂掺量,制备出高早强、胶砂质量比优良的水泥基自流平砂浆。重点研究了不同胶凝材料的组成、集料的配比等对自流平砂浆的流动性能、力学强度等的影响规律。

1 原料与实验

胶凝材料:PII 52.5硅酸盐水泥、高铝水泥、石膏粉(石膏粉I主要为CaSO4·2H2O和CaSO4·H2O,石膏粉II主要为CaSO4),灰钙粉,其化学组成见表1。

表1 胶凝材料的化学组成 单位:%

试验采用分级后的石英砂I作为细集料,石英砂粒径范围为40(0.425 mm)～60(0.250 mm)目、60(0.250 mm)～100(0.15 mm)目、100(0.15 mm)～140(0.106 mm)目;石英砂II作为细集料,粒径范围为40(0.425 mm)～70(0.212 mm)目、70(0.125 mm)～120(0.212 mm)目。

论文采用200(0.075 mm)～400(0.374 mm)目重钙粉作为填充材料。减水剂采用聚羧酸高效减水剂,可再分散乳胶粉为醋酸乙烯酯与乙烯共聚物,保水剂选用羟丙基甲基纤维素醚,消泡剂(DA)为液烃、聚乙二醇与无机载体,早强剂选用纯度为99%工业级建筑级专用碳酸锂,缓凝剂选用工业级纯度为99.5%专用酒石酸。

在确定聚羧酸高效减水剂(3‰)、可再分散乳胶粉(4‰)、纤维素醚(3‰)、消泡剂(2.5‰)、早强剂(1‰)与缓凝剂(1‰)掺量基础上,通过调节胶凝材料组分、胶砂质量比、集料种类等参数,测试砂浆的流动性能和力学性能,进而调节自流平砂浆配比。实验过程中保持水胶比为0.6,胶凝材料、集料通过正交实验[5]得到配合比设计见表2,研究胶凝材料和集料组成对自流平砂浆工作性能参数的影响。

表2 胶凝材料与集料配比

论文中实验的样品制备、相关力学性能测试依据JC/T 985—2017国家标准进行。

2 实验研究与分析

2.1 胶凝材料组分对自流平砂浆性能影响

论文建立了普通硅酸盐水泥-高铝水泥-石膏三元复合胶凝体系,确定两种水泥的混合胶砂质量比为2∶1,通过调节石膏的投入量调整三者的混合比例,再掺入灰钙粉,得出最佳胶凝材料配合比。

图1 胶凝材料组分含量对砂浆性能的影响(a.流动性能;b.1d强度)

2.2 集料对自流平砂浆性能的影响

研究表明,石英砂作为集料,其颗粒形状与结构会对自流平砂浆性能有较大影响。论文讨论了胶砂质量比、粒度级配对砂浆力学性能的影响。

2.2.1 胶砂质量比对自流平砂浆性能的影响

胶砂质量比对砂浆的流动性能和力学性能影响较大。论文探究了胶砂质量比分别为0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1自流平砂浆的性能,如图2所示。

图2 胶砂质量比对砂浆性能影响((a)流动性能;(b)1d强度)

由图可以看出,随着胶砂质量比增大,砂浆的流变性增加(如图2(a))。胶砂质量比为0.6时(编号QS-1)砂浆的初始流动度只有105 mm,20 min后的流动度不到100 mm,远低于标准要求的130 mm。胶砂质量比增大到1.0时(编号QS-5),砂浆流动性能表现为最佳,并且初始流动度和20 min流动度分别为138 mm和130 mm。进一步增加胶砂质量比,(对比QS-1至QS-6),砂浆初始流动度和20 min流动度均有少量降低。图2(b)显示,砂浆的1d抗折抗压强度与胶砂质量比并无明显关系,综合考虑砂浆流动性能与力学性能,胶砂质量比为0.8(编号QS-3)的1d抗压强度最大,为12.4 MPa,但砂浆20 min流动度仅为124 mm,远低于国标要求130 mm,为本文最佳工况。

2.2.2 砂的级配对平砂浆力学性能的影响

图3～4为石英砂I和II对自流平砂浆性能的影响规律。

图3 石英砂 Ⅰ 级配对自流平砂浆性能的影响((a)流动性能;(b)强度)

论文选用了0.8的胶砂质量比,分别使用两种级配的石英砂进行实验,研究砂的级配对砂浆性能的影响。通过对比可知对于选定的两种石英砂,其初始流动度和20 min的流动度相差不大,数值在129～139 mm与115～131 mm之间。石英砂Ⅰ的不同级配测试结果中QS Ⅰ-CG5流动度最低为131mm,QS Ⅰ-CG1流动度最高为140 mm。石英砂Ⅱ流动性能测试结果中QS Ⅱ-CG1流动度最低为128 mm,QS Ⅱ-CG5流动度最高为138 mm。根据砂浆强度的测试结果(见图3(b)、图4(b)),两种级配的石英砂抗折强度分别在2.3～3.5,2.9～3.4 MPa范围内,抗压强度分别在8.7～10.5,9.4～10.3 MPa范围内,且石英砂Ⅱ强度分布更集中。综合考虑材料经济性与砂浆的流动性能和力学性能,论文得出采用40(0.425 mm)～120(0.212 mm)目石英砂Ⅱ砂浆性能为最佳。

图4 石英砂 Ⅱ 级配对自流平砂浆性能的影响((a)流动性能;(b)强度)

3 结论

论文建立了普通硅酸盐水泥-高铝水泥-石膏三元复合胶凝材料体系,实验研究了不同胶凝材料组成、集料性能对砂浆流动性能和力学性能的影响。研究表明,当水灰比、外加剂掺入量确定时,硅酸盐水泥、高铝水泥、石膏含量分别为20%,15%,5%,胶砂质量比为0.8,石英砂粒度分布为40(0.425 mm)～120目(0.212 mm)性能最好。