硫铝酸盐水泥对无砂自流平材料物理力学性能的影响

欧志华，李家楣，赵明明，李光球

（1.湖南工业大学土木工程学院，湖南株洲 412007；2.湖南省建筑墙体节能新材料工程技术研究中心，湖南株洲 412007；3.湖南省三树新材料研究院有限公司，湖南长沙 410010）

0 引言

水泥基自流平砂浆具有成本低、流动性强、耐久性好、施工速度快、绿色环保等优点[1-4]，但水泥基自流平砂浆容易离析，从而使其性能受到影响。利用废弃粉料制备无砂自流平材料不仅可以减少离析，还能解决大量粉料难以利用的问题。

为满足水泥基自流平砂浆快硬和低收缩的要求，通常采用混合胶凝材料，生成以钙钒石为主的水化产物[5]。而硫铝酸盐水泥（SAC）具有快硬早强、补偿收缩等优点[6-7]。本研究的主要目的是利用硫铝酸盐水泥部分或全部替代普通硅酸盐水泥，制备无砂自流平材料，以达到提高自流平材料早期强度（快速硬化）和减少收缩的目的。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

使用的水泥包括P·O 42.5 级普通硅酸盐水泥和L·SAC 42.5 级低碱硫铝酸盐水泥，粉料为利用废弃混凝土制备再生骨料以及利用天然石料制备骨料时产生的粉料混合物，减水剂为聚羧酸高效减水剂（粉剂），水为自来水。

1.2 配合比

共设计了15 组配合比，如表1 所示。每组配合比中，水泥和粉料的总质量为1 000 g。其中，SL01～SL06用于研究硅酸盐水泥基无砂自流平材料中硫铝酸盐水泥掺量对其性能的影响，使用硫铝酸盐水泥分别取代硅酸盐水泥质量的5%、10%、15%和20%。改变减水剂掺量的目的是调整材料的流动度。SL07～SL12 用于研究硫铝酸盐水泥基无砂自流平材料中，硫铝酸盐水泥掺量和减水剂掺量对其性能的影响。

表1 无砂自流平材料的配合比（Tab.1 Mix ratio of sand-free self-levelling material）

1.3 试验方法

按照JC/T 985—2017《地面用水泥基自流平砂浆》来测定流动度和流动度损失。测定流动度损失时，静置时间为30 min。按照GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》来测试抗折强度和抗压强度。对于硅酸盐水泥基无砂自流平材料，在30 min 流动度测试后，进行成型并制备强度试块；对于硫铝酸盐水泥基无砂自流平材料，在完成初始流动度测试后，立即成型并制备强度试块。

2 硅酸盐水泥基无砂自流平材料的性能

2.1 SAC 掺量对硅酸盐水泥基无砂自流平材料流动度的影响

图1 为减水剂掺量为0.225%、用水量为220 g 时SAC掺量对硅酸盐水泥基无砂自流平材料流动度的影响曲线。由图1 可知，随着SAC 掺量的增加，初始流动度基本保持稳定，30 min 流动度先小幅下降，后降幅增大。当SAC 掺量由10%增加到15%时，30 min 流动度由156 mm 下降到108 mm，降幅为30.8%，此时流动度已经不满足预设要求。由于SAC 具有快硬早强的特性，水化速度快，SAC 掺量较大会导致自流平材料在30 min时流动度损失率增大。

图1 SAC 掺量对硅酸盐水泥基无砂自流平材料流动度的影响（Fig.1 Influence of SAC content on fluidity of Portland cement-based sand free self-levelling material）

为了弥补SAC 给自流平材料带来的流动度损失，在增加SAC 的同时增加减水剂的掺量，以保证自流平材料的初始流动度和30 min 流动度满足要求。图2 给出了自流平材料流动性满足要求时减水剂掺量随SAC掺量的变化情况以及对应的流动度。由图2 可知：当SAC掺量从0%增加到10%时，减水剂的掺量保持不变，自流平材料的初始流动度和30 min 流动度有所降低，但均满足预设要求；当SAC 掺量从10%增加到20%时，为使自流平材料的初始流动度和30 min 流动度满足预设要求，减水剂掺量显著增加，但该条件下30 min 流动度仍明显降低。

图2 自流平材料流动性满足要求时减水剂掺量随SAC 掺量的变化以及对应的流动度（Fig.2 When the fluidity of self-leveling material meets the requirement,the change of water reducer content with SAC content and the corresponding fluidity of self-levelling material）

2.2 SAC掺量对硅酸盐水泥基无砂自流平材料强度的影响

图3 为流动度满足要求时SAC 掺量对硅酸盐水泥基自流平材料抗折强度和抗压强度的影响。由图3 可知：当SAC掺量由0%增加到20%时，总体上自流平材料3、28 d 抗折强度和抗压强度均减小，其中3 d 抗折强度和抗压强度的降幅分别为13.3%和24.6%，28 d 抗折强度和抗压强度的降幅分别为20.6%和14.6%；当SAC 掺量由0%增加到15%时，自流平材料的1 d 抗折强度和抗压强度均降低，该变化与硫铝酸盐的性能有关，也与其因流动性降低而密实性受到影响有关；当SAC 掺量由15%增加到20%时，自流平材料的1 d 抗折强度和抗压强度均提高，增幅分别为25.0%和21.4%，这说明SAC 掺量为20%时水泥体系早期水化非常迅速。

图3 SAC 掺量对硅酸盐水泥基无砂自流平材料强度的影响（Fig.3 Influence of SAC content on strength of Portland cement-based sand free self-levelling material）

3 硫铝酸盐水泥基无砂自流平材料的性能

3.1 减水剂掺量对硫铝酸盐水泥基无砂自流平材料性能的影响

图4 和图5 分别给出了SAC 掺量为28%、用水量为220 g 时减水剂掺量对硫铝酸盐水泥基无砂自流平材料流动度和强度的影响。由于SAC 快硬早强，不同减水剂掺量下30 min 硫铝酸盐水泥基无砂自流平材料的流动度均为0 mm。由图4 可知：随着减水剂掺量从0.225%增加到0.300%，自流平材料的初始流动度先显著提高，后趋于稳定；当减水剂掺量从0.225%增加到0.250%时，初始流动度从86 mm 增加到150 mm，增幅为74.4%；当减水剂掺量从0.250%增加到0.300%时，初始流动度从150 mm 增加到154 mm，增幅仅2.7%。这说明减水剂掺量为0.250%时已经达到了饱和掺量点，再继续增加减水剂掺量不会使流动度提高，故选用减水剂掺量为0.250%。

图4 减水剂掺量对SAC 基无砂自流平材料流动度的影响（Fig.4 Influence of water reducer content on fluidity of SAC-based sand-free self-levelling material）

图5 减水剂掺量对SAC 基无砂自流平材料强度的影响（Fig.5 Influence of water reducer content on strength of SAC based sand-free self-levelling material）

当减水剂掺量为0.225%时，因自流平材料流动度太低而无法制备强度试块。由图5 可知，随着减水剂掺量的增加，1、3、28 d 抗折强度和抗压强度的变化幅度较小，大体上保持平稳。这是由于自流平材料的水胶比没有改变，流动度也基本没有变化。从图5 还可以看出，相对于1 d 抗折强度，3 d 和28 d 抗折强度出现倒缩，而抗压强度没有出现这种情况。

续图5 减水剂掺量对SAC 基无砂自流平材料强度的影响（Fig.5 Influence of water reducer content on strength of SAC based sand-free self-levelling material）

3.2 SAC 掺量对硫铝酸盐水泥基无砂自流平材料性能的影响

当减水剂掺量为0.250%时，不同SAC 掺量下自流平材料的流动度均满足成型要求。图6 和图7 分别给出了减水剂掺量为0.250%、用水量为220 g时SAC掺量对硫铝酸盐水泥基无砂自流平材料流动度和强度的影响。由图6 可知，当SAC 掺量从200 g 增加到280 g时，自流平材料的初始流动度缓慢提高，增幅为7.14%。随着SAC 掺量的增加，石粉用量会相应减少，水泥浆体量增大，自流平材料的流动性提高。

图7 SAC 掺量对SAC 基无砂自流平材料强度的影响（Fig.7 Influence of SAC content on the strength of SAC-based sand-free self-levelling material）

由图7 可知，随着SAC 掺量的增加，自流平材料的抗折强度和抗压强度均增加。当SAC 掺量从200 g 增加到280 g 时，1、3、28 d 抗压强度的增幅分别为71.1%、52.5%、73.6%，1、3、28 d 抗折强度的增幅分别为39.3%、50%和52.4%。相对于1 d 抗折强度，3、28 d 抗折强度出现倒缩情况。

4 结语

研究了硫铝酸盐水泥掺量对硅酸盐水泥基无砂自流平材料流动性和强度的影响，以及减水剂掺量和硫铝酸盐水泥掺量对硫铝酸盐水泥基材料流动性和强度的影响。主要结论如下：

（1） 在硅酸盐水泥基自流平材料中，随着SAC 掺量由0%增加到20%，初始流动度基本保持稳定，30 min 流动度先小幅下降，后降幅增大；在增加减水剂使其流动度满足要求的情况下，3、28 d 抗折强度和抗压强度总体上均不断降低，1 d 抗折强度和抗压强度先降低后有所提高。

（2） 在硫铝酸盐水泥基自流平材料中，自流平材料的30 min流动度均为0 mm。随着减水剂掺量从0.225%增加到0.300%，自流平材料的初始流动度先显著提高，后趋于稳定，抗折强度和抗压强度变化不大；当SAC 用量从200 g 增加到280 g 时，自流平材料的初始流动度缓慢增加，而其强度均明显提高。相对于1 d抗折强度，3、28 d 抗折强度出现倒缩现象。