室内装修自流平砂浆性能研究

王先荣 王 勇 杨小青 赵 正 占 滢

住房城乡建设部在《建筑业发展“十三五”规划》中指出，制定新建建筑全装修交付的鼓励政策，提高新建住宅全装修成品交付比例，为用户提供标准化，高品质服务。全装修时代对安全、美观、舒适的装修质量要求越来越高[1]。室内地面混凝土浇筑后，平整度存在较大误差，采用普通水泥砂浆进行找平，存在空鼓、开裂等质量缺陷，而自流平砂浆则具有较好的施工可控性[2]，可以达到地面工程的高平整度、高强度并且减少空鼓。自流平砂浆是近年发展较快的一种地面找平材料，属于特种砂浆，由胶凝材料、细骨料及外加剂组成，加水拌和后具有良好的流动性，施工工艺简单，装饰效果良好。由于自流平建筑材料的发展及施工工艺的改善，自流平砂浆由原来用于体育场馆、车间等大型场所逐步扩展到家装市场，并越来越受到人们的重视，具有较大的市场潜力[3]。此外，随着建筑施工机械化和智能化的提高，自流平砂浆在全装修时代有着巨大的应用前景。因此，对室内装饰自流平砂浆性能进行研究具有重要意义。

1 室内装修自流平砂浆流变性能分析

自流平砂浆地坪施工的时候，砂浆由流态向固态转化，在外力作用下，自流平砂浆随时间变化而发生形态变化[4]。胶凝材料水化过程到凝结成固体的过程，包含物理和化学变化，主要有弹性、流变性、塑性、屈服应力、触变性、塑性黏度等变化，砂浆性能的一系列变化过程影响到砂浆硬化后的微观结构及使用中自流平砂浆地面的耐久性、强度、耐磨性及美观性[5]。

1.1 矿物掺合料对自流平砂浆流变性能的影响

1.1.1 粉煤灰对自流平砂浆流变性能的影响

粉煤灰颗粒在自流平砂浆中起到“形态效应”和“微集料效应”[6]。粉煤灰的颗粒表面呈圆球状，对自流平砂浆起“润滑作用”，粉煤灰颗粒粒径较小，所以在砂浆中起到一定的级配作用，能提高新拌砂浆的流动性。但粉煤灰具有含碳量高、比表面积大、密度小的特点，当粉煤灰掺入较多时，粉煤灰表面所需的水量会有所增加。同时，粉煤灰是一种多孔结构，当粉煤灰掺入量较大时，粉煤灰空隙会吸附拌合物中游离水。此外，粉煤灰中含有较多的自身未烧尽碳，而碳吸附能力很强，会消耗一部分水分。以上3 种原因均会降低新拌砂浆中游离水数量，势必会降低砂浆的流动性。

试验结果表明：适量的粉煤灰掺入可改善砂浆流变性能。试验条件一定时，水泥砂浆流变性随粉煤灰掺量的增加呈抛物线变化，粉煤灰掺量为30%时水泥砂浆的流变性能最佳。

1.1.2 矿渣对自流平砂浆流变性能的影响

矿渣是砂浆中常见的矿物掺合料之一。矿渣微粉在砂浆中具有填充效应，砂浆中掺入矿粉后，较细的矿粉颗粒就能够填充在水泥颗粒之间，使整个胶凝粉体的颗粒分布加宽，产生了“微集料”效用，改善了水泥的颗粒级配，使原有空隙中的水得到释放，浆体中自由水增加，砂浆的流动性增强，所以矿渣掺入量较少时可以改善砂浆的流变性能[7]。

水泥砂浆中的水泥颗粒之间存在斥力和吸力作用。其中，吸力以毛细管力为主，其大小与毛细管半径成反比，与物质的表面张力成正比。水泥颗粒之间的斥力主要表现为电斥力，电斥力的大小与水泥颗粒的电动电位有关。当砂浆中加入少量矿渣，水泥颗粒之间的电斥力会增大。同时，毛细管力减小，吸力降低。所以，随着矿渣掺量的增加，砂浆流变性能变好。

与水泥颗粒相比，矿渣的颗粒粒径小，颗粒形状不规则，呈多角形，表面积大，表面润湿需水量大。同时，矿渣颗粒表面具有吸附作用，表面吸附水量较大，基于此中情况，矿粉的掺入不利于砂浆的流动性，故在砂浆中使用矿渣时，和减水剂配合更好。

试验结果表明：少量掺入矿渣可以改善砂浆的流变性能，砂浆的流动速度随矿渣掺入量的增加，出现先增大后降低的效果，矿渣掺量在10%～20%时达到最佳。

1.1.3 硅灰对自流平砂浆流变性能的影响

少量硅粉摄入砂浆中，形成了圆球颗粒，且表面光滑，在砂浆中掺入少量硅灰能起到润滑的作用[8]，可提高新拌砂浆的保水性和流动性。硅灰有火山灰活性，硅灰掺量较大时，砂浆中的水分子附在硅灰颗粒表面，这种吸附效果降低了砂浆内自由水的含量，导致砂浆流动度降低。所以，适当掺加硅灰可改善自流平砂浆的流动性能。试验结果表明，当硅灰掺量增加到5%时，砂浆流动性不断增加，变化明显。随着硅灰掺量继续增加，砂浆流动性缓慢降低。

1.2 外加剂对自流平砂浆流变性能的影响

1.2.1 胶粉对自流平砂浆流变性能的影响

乳胶粉加入砂浆后，遇水溶解形成乳液。该乳液在砂浆中相当于第二黏结剂，与第一黏结剂水泥相互作用，增加水泥砂浆的内部黏聚性，降低砂浆的流动性[9-10]。同时，胶粉溶解于水中需要消耗一部分砂浆中的自由水，并且胶粉化学成分含有羟基，胶粉遇水时羰基水解生成多元醇，该水解反应需要吸收砂浆中大量自由水。羧基遇水电离，形成金属阳离子和羧酸根阴离子，这些离子是水合的，进一步消耗砂浆中自由水含量。所以胶粉形成的乳胶膜具有较强的吸水性，降低了砂浆的流动性。

试验结果表明：胶粉的加入会增加浆体的塑性黏度，浆体将会更难于流动，所以自流平砂浆中加入胶粉时，应配合减水剂使用。但是，在一定掺量范围内，乳胶粉掺量增加有助于提高自流平砂浆流动的稳定性。

1.2.2 纤维素醚对自流平砂浆流变性能的影响

纤维素醚作为砂浆保水剂，是砂浆中常见外加剂之一。自流平砂浆中水在砂浆集料表面形成薄薄的水膜，该水膜能够在砂浆中起到润滑作用，使自流平砂浆具有较好的流动性。当自流平砂浆中加入纤维素醚时，纤维素醚分子链中的羟基和醚键与水之间形成氢键，使砂浆中水分变成结合水，砂浆中由自由水量降低，砂粒表面不能充分形成水膜，相应的润滑作用降低，沙粒之间摩擦力增大，砂浆的流动性降低。同时，纤维素醚分子在砂浆中形成立体网络结构，该结构也会降低自流平砂浆的流动度。试验结果表明：砂浆流动度随纤维素醚掺量增加而降低。

1.2.3 减水剂对自流平砂浆流变性能的影响

减水剂具有憎水基和亲水基。在自流平砂浆中减水剂憎水基与水泥颗粒吸附在一起，使水泥颗粒周围充满减水剂分子，这种减水剂的定向吸附作用，使水泥颗粒表面充满同性电荷，水泥颗粒之间相互排斥。减水剂中亲水基朝向水溶液，该作用使自流平砂浆中水泥与水分离，将砂浆中的游离水释放出来。砂浆中游离水增加，显著提高砂浆的流动性。减水剂掺量较大时，水泥颗粒对减水剂的吸附作用趋于饱和，此时继续增加减水剂用量，可以使自流平砂浆的流动性变化趋于稳定。试验研究表明：当减水剂掺量较小时，随着减水剂掺量的增加，自流平砂浆流动性明显增大。以常用的聚羧酸减水剂为例，当减水剂掺量低于2.2%时，减水剂对砂浆的流动性有较好的改善。减水剂掺量高于2.2%时，随着减水剂掺量增大，流动度变化趋于平缓。

2 室内装饰自流平砂浆干缩性能分析

2.1 干缩性能试验方法

自流平砂浆干缩试验主要采用千分表进行测试。试件成型后一天脱膜，测量试件的初始长度，在室温下放入特定环境中进行养护，测量不同时间的长度变化。

2.2 矿物掺合料对自流平砂浆干缩性能的影响

2.2.1 粉煤灰对自流平砂浆干缩性能的影响

砂浆干缩量的大小与砂浆的失水有关，但砂浆中的水是以不同形式存在的，有自由水、吸附水和凝胶水，水分存在形式的复杂性会影响砂浆干缩与失水是否同步。粉煤灰掺入砂浆中，会影响砂浆中水的存在形式与分布，进而影响砂浆的失水过程和干缩。粉煤灰掺量的增加能够降低胶凝材料的水化速度，所以砂浆在同一龄期条件下，随着粉煤灰掺量的提高，胶凝材料水化的程度就会变低，砂浆中自由水和吸附水就会随着粉煤灰掺量的增加而增多。砂浆试件中自由水和吸附水最容易失去，但自由水的失去对干缩变形影响不大。另一部分水分是以凝胶水、结晶水、结构水形式存在，与砂浆结合牢固，且与砂浆的相互作用较大，此部分水分失去，必然引起砂浆较大的干缩变形。随着砂浆中粉煤灰掺量的增加，砂浆中凝胶水、结晶水、结构水比重降低，在干燥环境中，结构水、部分凝胶水和结晶水是不能失去的。同时，粉煤灰颗粒在砂浆中起到“微集料”作用，能够限制自流平砂浆的收缩变形。所以，当粉煤灰含量较小时，随着粉煤灰掺量的增加，自流平砂浆的干缩与失水不同步，并且干缩变形随着粉煤灰掺量的增加而明显降低。试验研究表明：在干燥环境下，随着粉煤灰掺量的增加，自流平砂浆所产生的干缩变形明显减小，因此，粉煤灰的掺入可明显改善砂浆的干缩性能。

2.2.2 矿渣对自流平砂浆干缩性能的影响

矿渣具有较高的活性，在矿渣中存在着类似于水泥熟料矿物的物质，此物质在水泥熟料水化生产氢氧化钙提供的OH-激发下，遇水发生水化反应，矿渣的潜在活性产生胶凝性，矿渣形成C-S-H 凝胶，使得氢氧化钙中的结构水转化为凝胶水，砂浆中的凝胶水数量增加。在砂浆干燥过程中，较多的凝胶水失去，使得砂浆产生较大的干缩变形。矿渣颗粒较细，使得砂浆中小孔较多，小孔中水分的散失导致砂浆产生较大的收缩变形。试验结果显示，砂浆的干缩变形随矿渣掺量的增加而增大，与砂浆的失水不同步，且不会随养护龄期变化而变化。

2.2.3 硅灰对自流平砂浆干缩性能的影响

硅灰细度较细，水化速度快，在自流平砂浆中充分发生水化反应，生成化合物填补在砂浆内部孔隙中，相应的砂浆中内应力、毛细压力增大，从而增大砂浆的干燥收缩值。试验研究表明，硅灰加速了自流平砂浆的干缩变形，硅灰掺量越大，砂浆的干缩值越大。所以，在工程应用时，应对硅灰的掺量进行合理调整，配合膨胀剂使用，提升自流平砂浆的总体性能。

2.3 外加剂对自流平砂浆干缩性能的影响

2.3.1 胶粉对自流平砂浆干缩性能的影响

胶粉在自流平砂浆中有较好的保水、减水作用，使砂浆中自由水含量增多，干缩变形增大。同时，胶粉的加入会降低砂浆的弹性模量，相同收缩应力下，砂浆的变形增加，导致砂浆在失水时能够产生较大的收缩。

试验研究表明：自流平砂浆的干缩变形随胶粉掺量的增加而增大，但在硬化砂浆中，胶粉的掺入能减小砂浆的弹性模量。综合指标显示，胶粉的掺入对提高自流平砂浆的抗裂性能有积极的作用。此外，胶粉掺量越大，砂浆中高分子膜越致密，对砂浆中水分迁移的阻断会越好，砂浆的保水性能就越好，很大程度上抑制了砂浆在干燥环境中散失水分，所以胶粉的掺入有利于自流平砂浆在干燥环境条件下施工。

2.3.2 纤维素醚对自流平砂浆干缩性能的影响

纤维素醚常作为砂浆保水剂掺入砂浆中，其保水作用仅仅体现在新拌浆体阶段，而在自流平砂浆硬化阶段的失水率会随着纤维素醚掺量的增加而增大。纤维素醚是天然纤维素的衍生物，对水分子具有较强的吸引作用，能够降低胶凝材料的水化作用，使自流平砂浆中自由水和吸附水含量增加。同时，纤维素醚长链上的羟基可以与醚键上的氧原子进行分子间的缔合，形成氢键，使原来缔合的水分子游离出来，增加砂浆中自由水含量。所以随着纤维素醚掺量的增加，自流平砂浆中主要是自由水增加，而自由水对砂浆的干缩变形影响较小。因此，随着纤维素醚掺量的增加，砂浆的干缩与失水不同步，并且砂浆的干缩变形变化不大。从结构和作用机理方面看，在水的作用方面，纤维素醚形成网状结构，水分子主要处于网状结构的空隙中，该网状结构又具有较好的刚性，水的进出对网状结构的体积影响不大。由此可见，纤维素醚对自流平砂浆的干缩变形影响不大。试验研究表明：随着纤维素醚掺量的增加，失水率显著增加而干缩变形变化较小。

2.3.3 减缩剂对自流平砂浆干缩性能的影响

减缩剂与水稠度相近，可降低孔溶液的表面张力，降低毛细应力和收缩应变的大小，降低表面的张力，从而达到减小自流平砂浆干缩变形的目的。试验结果表明，减缩剂掺入砂浆中可明显降低砂浆的干缩率，且自由收缩值随减缩剂用量的增加而减小。但有研究显示，减缩剂在砂浆中会抑制孔隙中碱的溶解，延缓水泥水化及凝结时间，阻碍自流平砂浆强度发展。

3 结语

经研究分析砂浆的流动性及干缩性能。主要得出以下结论：第1，少量掺入粉煤灰、矿渣、硅灰可改善砂浆流变性能，施工中注意矿物掺合料掺量的控制，粉煤灰最佳掺量为30%，矿渣最佳掺量为10%～20%，硅灰最佳掺量为5%。第2，粉煤灰提高砂浆流动性能的同时，可降低自流平砂浆的干缩率。矿渣和硅灰的掺入则增大砂浆的干缩变形，工程中应配合膨胀剂使用，提升自流平砂浆的总体性能。第3，胶粉及纤维素醚是较好的砂浆保水外加剂，能提高砂浆流动的稳定性，但是降低新拌砂浆的流动性能，使用时需要配合减水剂使用。同时，胶粉能够提高自流平砂浆的抗开裂性能。