石膏基自流平砂浆的技术进展研究

朱海霞（美巢集团股份公司，北京　100076）



石膏基自流平砂浆的技术进展研究

朱海霞
（美巢集团股份公司，北京100076）

主要介绍了石膏基自流平砂浆的起源，国内外市场发展，以及在今后的应用前景。简单阐述了石膏基自流平砂浆在地暖系统中的应用。比较了国内外石膏基自流平砂浆的标准之间的差异性，并根据实验结果发现，石膏基自流平砂浆试块在经过绝干养护后，继续进行标准条件养护，强度仍然可以提高。

自流平砂浆；石膏基；地暖

自流平石膏是自流平地面找平石膏的简称，又称为石膏基自流平砂浆，是由石膏材料、特种骨料及多种建筑化学添加剂在工厂配制、混合均匀而成的一种专门用于地面找平的干粉砂浆。20世纪60年代起源于欧洲，20世纪80年代我国开始研制石膏基自流平砂浆［1］。

1　石膏基自流平砂浆起源及国内外发展概况

1.1石膏基自流平砂浆起源

早在20世纪60年代，为了解决地暖系统中水泥混凝土对铜管的腐蚀现象，欧洲开始采用石膏基地坪材料与聚乙烯管。经过20多年的完善与发展，到20世纪80年代欧美的地暖技术已经非常成熟，80年代后期石膏企业已经开始制定了为地暖应用的石膏基自流平砂浆的规范。

1.2国外石膏基自流平砂浆发展

日本由于劳动力紧张和费用高，对自流平地坪材料开发较早，日本住宅公团在1972年首先对石膏基、水泥基自流平材料进行了基础研究，随后出现商品石膏基自流平材料。1979年，日本已有10多种品牌的石膏基自流平材料［2］。

20世纪80年代以来，美国、法国、德国、意大利、瑞典、芬兰等发达国家就开始进行自流平砂浆的研究。例如德国的帕依爱罗公司用Ⅱ型无水石膏、奇罗尼公司用α半水石膏都生产出强度为20～30 MPa、铺设厚度为10 mm的石膏基自流平材料。美国的石膏水泥公司则采用α、β-石膏混合物，在现场加入骨料后泵送的石膏基自流平地坪材料也得到广泛应用［2］。

在德国，仅2001年就生产了近1亿m2的地面砂浆，其中干混石膏基地坪砂浆占16.4%，现场拌制石膏基地坪砂浆占6.6%［3］。从2001年欧洲脱硫石膏的应用领域来看，15%的脱硫石膏用在了石膏基自流平砂浆中［4］。不难看出，在欧洲市场，石膏基自流平砂浆占据了地面砂浆的很大一部分份额。

1.3国内石膏基自流平砂浆发展

我国石膏基自流平砂浆研究起步较晚，大约起始于20世纪80年代末、90年代初［5］。1986年研制成功以氟石膏废渣为胶凝材料的石膏基自流平材料，但是由于石膏的耐水性较差，且呈中性或酸性，对铁件有锈蚀的危险［6］，生产应用的较少。近年有些单位也有石膏基自流平砂浆产品，但大多厂家采用建筑石膏来配制，并靠增加化学添加剂确保达到相应性能要求，而添加剂费用约占自流平石膏生产成本的2/3，致使石膏基自流平砂浆应用成本高于水泥基自流平砂浆，推广应用受阻，发展缓慢。应用技术和施工机具与国外尚有一定的差距。

2005年，杨新亚和王锦华［7］开始研究硬石膏基地面自流平材料。随着国内石膏基自流平产品的逐渐成熟，2007年，我国制定并实施了相应产品标准JC/T 1023—2007《石膏基自流平砂浆》。

2　石膏基自流平砂浆的优点及在地暖中的应用

2.1石膏基自流平砂浆的优点

石膏基自流平砂浆的主要胶凝材料是石膏，并且具有自动流平的性能，具有以下优点：

（1）采用石膏基自流平砂浆施工的地面，尺寸准确，水平度极高，不空鼓、不开裂；作业时轻松方便，效率高；并且可以采用泵送施工，日铺地面可达800～1000 m2，比传统的地面材料施工速度要快5～10倍。

（2）用做“地暖”找平覆盖层，保温性能好（地暖与其它采暖方式相比，节能幅度约为20%，如采用分区温控装置，节能幅度可高达40%）；不会像水泥砂浆层那样，因热胀冷缩产生开裂、起鼓等现象［4］。

（3）石膏基自流平砂浆硬化后的地板有一定弹性，脚感温暖舒适；并且具有一定的隔声效果。

（4）石膏基自流平砂浆和水泥砂浆用于建筑物地面的找平层时，二者连工带料的最终成本相近。如若用石膏自流平砂浆替代水泥砂浆，由此减少水泥的用量在整个水泥产量中比例很小，不足1%，基本上不会影响水泥生产企业的利益。因此，在我国推广应用石膏基自流平砂浆的阻力小，前景广。2.2石膏基自流平砂浆与水泥砂浆的性能对比

2.2.1一般性能对比（见表1）

表1　石膏基自流平砂浆与水泥基自流平砂浆一般性能对比

从表1可以看出，2种自流平砂浆的性能指标十分相近，为了保证相应的流动度，与普通砂浆相比，通常自流平砂浆的需水量要高很多。在自流平砂浆中，这些多余的水分将蒸发到空气中，如果这一过程发生过快，就会引起十分明显的砂浆收缩，进而导致在砂浆中出现裂缝。但在石膏基自流平砂浆中不会出现这种情况，石膏基与水泥基砂浆的膨胀收缩值见图1。

图1　石膏基与水泥基砂浆的膨胀收缩值

由图1可知，水泥基自流平砂浆的收缩率远远高于石膏基自流平砂浆，到28 d，水泥基自流平砂浆的收缩值约为1.17 mm/m。随着时间的延长，水泥基自流平砂浆的收缩值在90d后达到约1.3mm/m，但石膏基自流平砂浆的收缩值仍保持在0.19 mm/m左右，也就是说，在水泥基自流平砂浆中由于过高的收缩值极有可能导致自流平砂浆开裂，因此，在实际施工过程中应对水泥基自流平砂浆采取必要的养护措施以保证工程质量。

2.2.2石膏基自流平砂浆的耐热性能

由于石膏基自流平砂浆最初在欧洲是配合地暖系统产生的地面材料，为了模拟在地暖系统中的应用，将自流平石膏置于50℃的热环境中测试耐热性能。所有试块（40 mm×40 mm× 160 mm）首先在标准条件（温度20℃，相对湿度65%）下养护7 d，然后直接置于烘箱中，在50℃的条件下分别放置7 d、28 d和194 d进行测试，结果见表2。

表2　石膏基自流平砂浆的耐热性能

从表2可以看出，石膏基自流平在50℃条件下的耐热性能基本保持稳定，28 d和194 d收缩值及抗折、抗压强度几乎保持一致。

2.2.3石膏基自流平砂浆在地暖系统的应用

以上耐热性能试验结果表明，石膏基自流平砂浆是非常适合用于地暖系统的。

1909年英国人利用混凝土和石膏管道制作了辐射采暖系统，并申请了专利，成为最早的地暖产品［8］。20世纪30年代地暖技术已经在发达国家开始使用，我国在20世纪50年代已将该技术应用于人民大会堂和华侨饭店等工程中。

我国传统的地暖填充层多采用豆石混凝土现场搅拌施工，如果采用石膏基自流平砂浆进行填充，可以使施工质量得到很大的提高，豆石混凝土地暖与石膏基自流平地暖的对比见表3。

表3　石膏基自流平地暖与豆石混凝土地暖的性能对比

石膏基自流平砂浆与高柔性粘结砂浆组成地暖系统，可以彻底解决目前国内地暖系统中水泥砂浆的开裂、导热率偏低、易损坏热水管道等问题。它以整个地面作为散热面，均匀地向室内辐射热量，相对于空调、暖气片、壁炉等采暖方式具有热感舒适、热量均衡稳定、节能、免维修等特点。另外，作为地暖系统，石膏材料本身的多孔性可以起到隔声保温的作用。石膏基自流平砂浆密度低，可以降低建筑物承载质量，是绿色环保的节能型产品。

3　石膏基自流平砂浆种类

根据石膏种类的不同，石膏基自流平砂浆的胶凝材料主要采用α半水高强石膏、建筑石膏以及硬石膏。

3.1α-高强石膏基自流平砂浆

石膏基自流平材料的强度相对于水泥基自流平材料低，耐水性较差，主要以“底层自流平材料”的形式用于室内。

采用α-高强石膏作为自流平材料的基材，可显著提高材料强度，姜洪义和曹宇［9］用天然石膏制得2 h抗压强度超过14 MPa的高强石膏。目前工业副产石膏采用丁二酸、马来酸酐和丁二酸钠等制备α-高强石膏的技术日益成熟，而将高强石膏用于自流平材料已普遍成熟，主要还是归功于高强石膏优异的力学性能。彭明强和叶蓓红［10］用2 h抗压和抗折强度分别为35.1、6 MPa的高强石膏为胶凝材料，在缓凝剂、保水剂等作用下制备出性能优异的石膏自流平砂浆。

3.2建筑石膏自流平砂浆

石膏特有的保温隔热性、吸声性能、防火性能，且具有赋形性优良、装饰美观等优点，从而越来越受到建筑行业的青睐。然而建筑石膏自流平砂浆的缺陷往往使其应用受到限制，尤其是受杂质影响的工业副产石膏，需通过掺入减水剂、水泥等提高石膏自流平材料的抗压强度和抗折强度［11］。

蔡剑育等［12］在2%水泥作用下掺入聚羧酸醚减水剂，发现减水率从19.4%增长到41.9%，石膏强度大幅度提高。减水剂可在不降低石膏浆体流动性的同时减少拌合用水量，提高石膏硬化体的结构密实度和力学性能。随着石膏专用减水剂的快速发展，促进了建筑石膏自流平材料的推广应用。影响减水剂效果的主要因素为晶体表面吸附，萘系和三聚氰胺系减水剂在β-半水石膏表面的吸附属于物理吸附，而聚羧酸系减水剂属于化学吸附。由于不同种类的工业副产石膏的杂质影响，减水剂使用效果不同，必须加大力度开发和研究石膏专用减水剂。

3.3硬石膏自流平砂浆

硬石膏主要来源于天然石膏、氟石膏和高温煅烧二水石膏，硬石膏水化活性差和硬化体强度低，必须通过粉磨［13］、热处理［14-16］和添加激发剂改性［17-18］等方式进行处理。一般采用激发剂改变CaSO4溶解度或溶解速度，加快CaSO4·0.5H2O的生成速率，提高硬石膏水化硬化能力，缩短凝结时间。激发剂主要包括：各种硫酸盐［K2SO4、Na2SO4、Al2（SO4）3、FeSO4、CuSO4、明矾等］、碱性激发剂（水泥、石灰等）和其它盐类激发剂（K2Cr2O4和Na2Cr2O4）［11］。

硬石膏活性与激发剂种类、分散度和自身的表面缺陷等有关［19］。王丽等［20］利用复合激发剂、减水剂、保水剂、掺合料、骨料、纤维和减缩剂等制备了硬石膏自流平砂浆，其抗压、抗折强度分别达到16.7、7.3 MPa，粘结强度达0.57 MPa，收缩率为0.045%，性能符合日本住宅公团标准要求。

4　石膏基自流平砂浆国内外检测标准比较

2007年我国颁布并实施了JC/T 1023—2007行业标准，国内标准与欧洲标准由于检测方法和养护条件都不相同，因此各自的技术指标也不尽相同。我们从定义、技术指标、养护方法等方面将该标准与欧洲标准BS-EN-13454-1：2004和BS-EN-13454-2：2004进行比较。

4.1定义和分类的区别

JC/T 1023—2007对石膏基自流平砂浆定义为：以半水石膏为主要胶凝材料、和/或骨料、填料及外加剂所组成的在新拌状态下具有一定流动性的石膏基室内地面用自流平材料，俗称自流平石膏。

BS-EN-13454-1：2004定义为：（1）石膏胶凝材料Calcium sulfate binders（CAB），由半水或无水石膏组成，可能还有外加剂和添加剂，CaSO4含量≥85%；（2）石膏复合胶凝材料Calcium sulfate composite binders（CAC），由CAB和额外的添加剂组成，CaSO4含量＜85%，但≥50%；（3）干混石膏基砂浆Factory made mixtures（CA），由CAB或CAC和集料组成，可能包含外加剂和添加剂。

可见，国内标准中的石膏基自流平砂浆是以半水石膏为主要胶凝材料，而欧洲标准不仅限于一种石膏，包括了含有添加剂的石膏胶结料。

4.2初始流动度及流动度损失的区别

JC/T 1023—2007采用水泥基自流平测试用流动度环测试流动度，具体为：内径30 mm，高50 mm圆环，提起后4 min测量。

BS-EN-13454-2采用跳桌用的大环测试流动度，具体为：底φ100 mm，上φ70 mm，高60 mm的圆环（跳桌），提起后1 min测量。二者对流动度和流动度损失的要求见表4。

表4　流动度和流动度损失性能指标比较

4.3收缩性指标及检测方法区别

JC/T 1023—2007采用水泥基自流平收缩模具，尺寸为10 mm×40 mm×160 mm，养护条件为：成型后在（23±2）℃、相对湿度（50±5）%条件下养护至24 h脱模，测量初始长度，之后放入（40±2）℃烘箱中烘至恒重，测量试件干燥后长度。

BS-EN-13454-2规定的模具尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，养护条件为：成型后放入（20±5）℃，相对湿度90%以上养护箱养护24 h拆模，如果强度不够，可以推迟到48 h脱模，脱模之后测量初始长度，之后放在（20±5）℃，相对湿度（65± 5）%条件下养护，分别在3 d、7 d、14 d、28 d测试收缩。

JC/T 1023—2007要求收缩率≤0.05%，BS-EN-13454-2要求收缩值≤0.2 mm/m。

4.4强度指标的区别

JC/T 1023—2007对石膏基自流平的抗折、抗压强度没有进行分级，而且最终强度都是绝干状态的强度。编制该标准时，由于我国石膏粉体建筑材料标准中没有强度等级之分，且国内石膏基自流平砂浆的产量及用量尚属起步阶段，又因石膏基自流平砂浆使用范围的限定，它有别于水泥基自流平材料，因此在标准中的强度指标不分等级，具体见表5。养护方式为：终凝后1 h内脱模，在（23±2）℃、相对湿度（50±5）%条件下养护至24 h；测试绝干强度的此时放入（40±2）℃烘箱中烘至恒重。

表5　JC/T 1023—2007强度指标要求

BS-EN-13454-1对石膏基自流平的抗折、抗压强度类似水泥基自流平一样进行了分级（见表6）。BS-EN-13454-2没有进行绝干养护，养护方式为：在（20±5）℃、相对湿度90%以上养护48 h脱模，然后在（20±5）℃、相对湿度（65±5）%条件下养护到龄期。

表6　BS-EN-13454-1强度指标要求（28 d）

4.5实验室数据验证

JC/T 1023—2007对石膏基自流平砂浆的胶凝材料限制为半水高强石膏，而在实际中还会有无水石膏基的自流平材料。在我们日常的试验中也发现，石膏基自流平由于多种添加剂的掺入，和纯石膏制品的性能有很大的区别，在绝干状态下进行养护后，如果继续在常温标态下养护，强度还会继续增长（如图2所示）。因此建议在该行业标准修编的时候，收集各种石膏基产品进行不同养护制度的试验对比，得出最终的强度结果更为科学。

图2　不同养护方式下石膏基自流平强度的变化

5　结论

（1）自流平石膏砂浆作为地面找平层，具有其它材料无法比拟的优点，市场前景广阔。自流平石膏作为替代水泥、减少碳排放的重要产品，与政府已出台政策推广的“石膏干粉砂浆”一样具有节能减排的社会效益和经济效益。

（2）石膏基自流平砂浆从强度稳定性、热稳定性方面都优于传统水泥砂浆，是地暖系统的优选材料。

（3）国内行业标准和国外石膏基自流平砂浆标准中，技术指标、检测方法、养护条件均有很大的差异，而且我们通过试验证明，半水石膏基自流平在绝干条件下测试的强度不是最终的强度。建议该行业标准在修编时应该考虑养护条件的影响。

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The research on the technological progress of gypsum-based self-leveling mortar

ZHU Haixia
（MACO Group Corporation，Beijing 100076，China）

This paper mainly introduces the origin of gypsum-based self-leveling mortar，the domestic and international market development and application prospect in the future，and simply explains its application in radiant floor heating system.We compared the difference between standards at home and abroad.According to our experimental results，the compressive strength of gypsum-based self-leveling mortar will increase under the standard curing condition after drying.

self-leveling mortar，gypsum based，radiant floor heating

TU56+4.6

A

1001-702X（2016）06-0001-05

2015-10-30；

2015-12-16

朱海霞，女，1981年生，河北张家口人，工程师，主要从事砂浆类产品研发以及化学添加剂的应用研究。地址：北京市大兴区瀛元街6号，电话：010-69272222，E-mail：zhuhaixia@meichao.com。