胡 成，陈 平，向玮衡*，段鹏选，周丽波，李 青，韦家崭

(桂林理工大学 a.广西工业废渣建材资源利用工程技术研究中心，b.土木与建筑工程学院，c.广西建筑新能源与节能重点实验室，d.广西有色金属隐伏矿床勘查及材料开发协同创新中心，广西 桂林 541004)

1953年，德国Ardex公司最早发明了自流平材料。直至1975年，Ardex公司发明“早凝快干”水泥基自流平技术，欧洲各国才掀起了开发自流平技术的浪潮[1]。20世纪80年代初，为减少石灰等材料的消耗，日本出现了能够替代水泥基自流平材料的石膏基自流平材料。在20世纪末，随着施工工程的不断扩大，石膏基自流平材料的技术水平越来越成熟。而我国对自流平材料的研究起步较晚，直到20世纪80年代末才陆续展开研究。自流平材料具有流动性及稳定性良好、施工简便、光洁平整、耐腐蚀性能好等优点，是大型超市、停车场、车间等室内地面铺筑的首选材料。我国每年新增建筑面积近20亿m2，预计每年对自流平材料的需求量为2 700万t，因而其市场需求量巨大，应用前景广阔[2-3]。

按照主要基材种类不同，自流平材料主要可分为水泥基自流平砂浆、石膏基自流平砂浆和环氧自流平材料[4]。其中，石膏基自流平砂浆因具有硬化时间短、早强度较高、微膨胀、与基底粘结力高及可循环利用等特点，被认为是最理想的自流平材料。石膏基自流平砂浆采用α-半水高强石膏和β-半水建筑石膏为基材，以河砂、石英砂和矿渣砂等为粗细骨料，同时掺入水泥、减水剂、缓凝剂、pH值调节剂、消泡剂等辅助材料，经混合均匀制备而成。

目前，我国已有众多学者对石膏基自流平砂浆的制备技术进行了研究[5]。王明明[6]研究了水泥掺量对石膏基自流平砂浆流动性及力学性能的影响，并制备出流动度约为155 mm、绝干抗折强度为7.6 MPa、绝干抗压强度为23.3 MPa的石膏基自流平砂浆。李静静[7]研究了硅灰对石膏基自流平砂浆性能的影响，发现掺加适量的硅灰可以改善石膏基自流平砂浆的流动性，缩短凝结时间，提高强度，且其收缩率基本无变化，耐水性有所改善。彭明强[8]对2 h抗压强度、抗折强度分别为35.1 MPa和6 MPa的高强石膏基胶凝材料进行优化配合比，制备出绝干强度抗折为10.40 MPa、绝干抗压强度为32.30 MPa的石膏基自流平砂浆。但是，已报道的研究成果大多针对改善和提高石膏基自流平砂浆的流动性与力学性能。

因此，本文针对石膏基自流平材料与外加剂的匹配适应性展开深入研究，旨在为进一步提高石膏基自流平砂浆的工作性能和力学强度提供理论基础。

1 试验

1.1 原材料

高强石膏为贵州瓮福化工科技有限公司生产的高强α-半水磷石膏；石英砂为厦门艾思欧标准砂有限公司生产的0.5～1.0 mm中级砂；水泥为广西鱼峰有限公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥；减水剂为上海牛涂科技有限公司生产的聚羧酸系减水剂；缓凝剂为临沂鑫昊石膏化工建材有限公司生产的CH-C型缓凝剂。其中，高强α-半水磷石膏的主要化学成分、基本性能分别见表1和表2。P·O 42.5普通硅酸盐水泥净浆的物理性能见表3。

表1 高强α-半水磷石膏的主要化学成分 wt%

表2 高强α-半水磷石膏的基本性能

表3 P·O 42.5普通硅酸盐水泥净浆的物理性能

1.2 试验方法

以高强α-半水磷石膏为石膏基材、石英砂为骨料，按高强石膏∶石英砂∶水泥的质量比56%∶40%∶4%配置混合粉，再分别掺入0.1～0.6 wt%聚羧酸系减水剂和0.1～0.6 wt%CH—C型缓凝剂，按水胶比0.35加入去离子水，利用搅拌机低速搅拌1 min后再快速搅拌2 min，得到石膏基自流平砂浆，并对其工作性能和力学强度进行测试。

1.3 性能测试

根据《建筑石膏净浆物理性能的测定》(GB/T 17669.4—1999)测试石膏基自流平砂浆的流动度和凝结时间，根据《石膏基自流平砂浆》(JC/T 1023—2007)测试石膏基自流平砂浆的抗折强度和抗压强度。

2 试验结果与分析

2.1 减水剂和缓凝剂对砂浆工作性能的影响

聚羧酸系减水剂和CH—C型缓凝剂掺量对石膏基自流平砂浆流动度的影响分别如图1和图2所示。由图1可以看出，聚羧酸系减水剂对自流平砂浆有较好的减水效果，可明显提高砂浆的流动度，且砂浆流动度随减水剂掺量增大而逐渐增大。当减水剂掺量为0.2 wt%时，砂浆的流动度由104 mm增加至202 mm，表现出优异的自流平性能。但当减水剂掺量高于0.2 wt%时，随减水剂掺量增加，砂浆的流动度增长速率较缓慢。这说明聚羧酸系减水剂存在一个饱和掺量点[9-10]。减水剂对石膏砂浆的作用主要是通过吸附在α-半水磷石膏晶体的表面以改变石膏砂浆体系中的固液界面性质[11]。在向石膏砂浆中掺入减水剂后，减水剂吸附在石膏颗粒表面，与石膏浆体作用，改变了浆体的电化学性质，使被石膏包裹的水释放出来，从而达到提高砂浆流动度的目的。聚羧酸系减水剂主要是通过静电斥力和空间位阻的协同作用，阻止石膏颗粒间的直接接触，相当于在石膏颗粒表面形成了一层稳定的隔离膜，使砂浆释放出被包裹的拌合水，从而减少砂浆的需水量，或者在相同水胶比下提高砂浆的流动度[12]。

图1 聚羧酸系减水剂掺量对石膏基自流平砂浆流动度的影响

由图2可以看出，向砂浆中掺加缓凝剂后，砂浆的流动性有所提高。但与减水剂相比，缓凝剂提升石膏砂浆流动度的幅度相对不明显。此外，在减水剂掺量为0.2 wt%条件下，随着缓凝剂掺量增加，砂浆流动度提高的幅度较小，当缓凝剂掺量为0.5 wt%时，砂浆流动度为209 mm。这表明，增加缓凝剂掺量对砂浆的流动度影响较小。

图2 CH—C型缓凝剂掺量对石膏基自流平砂浆流动度的影响

在减水剂掺量为0.2 wt%的前提下，缓凝剂掺量对砂浆凝结时间的影响如图3所示。由图3可以看出，在不掺缓凝剂的情况下，砂浆的初凝时间为35 min，终凝时间为48 min，远低于《石膏基自流平砂浆》(JC/T 1023—2007)中的缓凝时间标准。当掺入缓凝剂后，砂浆的初凝时间和终凝时间都随缓凝剂掺量增加逐渐增加，说明缓凝剂对砂浆有明显的缓凝作用。当缓凝剂掺量低于0.2 wt%时，随着缓凝剂掺入量增加，砂浆初凝时间和终凝时间近乎同步增大，且时间间隔较短，石膏砂浆在施工时容易控制；当缓凝剂掺量大于0.2 wt%，砂浆初凝、终凝时间间隔增大，且砂浆终凝时间过长，将会提高施工后的养护难度。

图3 缓凝剂掺量对砂浆凝结时间的影响

为了进一步探明石膏基自流平砂浆的缓凝性能，在掺入0.2 wt%减水剂和0.2 wt%缓凝剂条件下，研究了石膏基自流平砂浆经时流动度损失的变化规律，如图4所示。

图4 石膏基自流平砂浆经时流动度损失的变化规律

由图4可知，石膏基自流平砂浆在20 min时间内的流动度损失较小，但当时间进一步延长时，浆体流动度损失较为严重。这主要是因为在α-半水石膏水化的初始阶段，减水剂和缓凝剂中的有机高分子通过静电斥力和空间位阻效应改变了石膏颗粒的表面性质，使砂浆在初始阶段的需水量减少。随着浆体水化持续进行，石膏颗粒被逐渐活化与分散，水化产物中的超细粒子或胶凝团吸附了更多的有机高分子，砂浆颗粒表面的电性被中和，静电排斥和空间位阻的协同作用能力降低，破坏了体系电化学性质的平衡。这时石膏浆体开始凝聚，从而导致浆体的经时流动度损失随时间的延长而逐渐增大。

2.2 减水剂和缓凝剂对砂浆力学强度的影响

聚羧酸系减水剂掺量对石膏基自流平砂浆力学强度的影响如图5所示。由图5可以看出，聚羧酸系减水剂对砂浆的力学强度造成了不良影响。随着聚羧酸减水剂掺量增加，砂浆1 d，7 d，14 d的抗折强度及抗压强度呈现为先升高后降低的趋势。当聚羧酸减水剂掺量增至0.2 wt%时，砂浆1 d，7 d，14 d的抗折强度及抗压强度的最大值分别为9.7 MPa和26.7 MPa。这是由于减水剂的作用所导致，若减水剂掺量合适，能够使砂浆包裹的拌和水正好满足砂浆整体拌和成型的需求，此时的试样有最大的力学强度；而当减水剂掺量继续增大时，导致砂浆释放的拌合水过多，超过胶凝浆体水化硬化的需水量，进而影响了试样成型后的力学强度。结合减水剂对砂浆工作性能和抗压强度的影响规律可认为，石膏基自流平砂浆中聚羧酸系减水剂的最佳掺量为0.2 wt%。

(a) 抗压强度

(b) 抗折强度

CH—C型缓凝剂掺量对石膏基自流平砂浆力学强度的影响如图6所示。由图6可以看出，石膏缓凝剂的掺入对砂浆的力学强度造成了不利影响。随着缓凝剂掺量增加，砂浆1 d，7 d，14 d的抗折强度及抗压强度均呈现降低趋势。当缓凝剂掺量低于0.2 wt%时，随着缓凝剂掺量增加，砂浆1 d和7 d的抗折强度下降幅度较大，而14 d抗折强度下降幅度较小；当缓凝剂掺量高于0.2 wt%时，随着缓凝剂掺量增加，砂浆1 d，7 d，14 d的抗折强度及抗压强度均明显降低。结合缓凝剂对砂浆工作性能和抗压强度的影响规律认为，石膏基自流平砂浆中的CH—C型缓凝剂掺量不宜过高，且其最佳掺量应为0.1 wt%。

(a) 抗压强度

(b) 抗折强度

3 结论

1)随着减水剂掺量增加，石膏基自流平砂浆的流动度先快速增加而后逐渐趋于平稳，其抗折强度和抗压强度呈现先升高后降低的变化趋势，其中聚羧酸系减水剂的最佳掺量为0.2 wt%。

2)随着缓凝剂掺量增加，石膏基自流平砂浆的流动度变化幅度较小，初凝时间和终凝时间逐渐增大，而抗折强度和抗压强度则逐渐降低，其中CH—C型缓凝剂的最佳掺量为0.1 wt%。

3)当聚羧酸系减水剂掺量为0.2 wt%，CH—C型缓凝剂掺量为0.1 wt%时，所制备的砂浆具有最优性能，其流动度为196 mm，初凝时间为55 min，终凝时间为75 min，14 d抗折强度和抗压强度分别为9.2 MPa和25.3 MPa，已达到《石膏基自流平砂浆》(JC/T 1 023—2007)中的石膏基自流平砂浆性能要求。