外加剂对水泥基自流平砂浆性能的影响

李 瑶，庞 博，刘 军

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

自流平材料由无机或有机水泥材料、外加剂以及细砂组成，具有强度高、无需人工抹平、平滑、厚度层薄等优点[1]，其包括无机系和有机系两种：无机系自流平材料以石膏和水泥作为基体，有机系自流平材料通常以环氧树脂作为基体[2]。环氧基自流平材料价格昂贵，石膏基自流平材料耐水性差且呈酸性或中性，因此水泥基自流平材料备受关注[3-4]。目前，水泥基自流平砂浆主要存在早期强度低、表面灰化、耐磨性不足等缺点，因此应用在地面材料的面层受到一定限制[5]。自流平砂浆的性能指标包括流变性能和力学性能，通常用砂浆流动度及抗压强度来表征[6-7]。水泥基自流平材料的性能与组成材料和外加剂的掺量有关系，本文通过改变碱和缓凝剂的掺量与种类，探索自流平砂浆的强度、流动度与碱激发剂和缓凝剂之间的关系。

1 试验材料及方法

1.1 原材料

材料组分包括：硫铝酸盐水泥，购自唐山北极熊建材有限公司，技术指标和化学成分分别见表1与表2；普通硅酸盐水泥(P·O42.5)购自大连小野田水泥有限公司，技术指标和化学成分分别见表3与表4；粉煤灰，等级为Ⅱ级粉煤灰，密度为2300kg/m3，化学组成如表5所示；酒石酸、柠檬酸、葡萄糖酸钠都来自于天津大茂化学试剂厂；可分散胶粉购自沈阳市益友防水建材有限公司；氢氧化钙与氢氧化钠，纯度96%，购自东莞市汇欣工贸有限公司；减水剂为郑州冠辉化工产品有限公司生产的聚羧酸高效减水剂；砂子，细度模数1.5左右，河沙；试验用水为自来水。

表1 硫铝酸盐水泥技术指标

表2 硫铝酸盐水泥的化学成分%

1.2 试验过程

试验中水胶比值为0.4，砂胶比值为1.55，减水剂掺量为0.5%，基本配合比为普通硅酸盐水泥∶硫铝酸盐水泥∶粉煤灰∶可分散胶粉为40∶20∶40∶0.35。依据JC/T985-2005《地面用水泥基自流平砂浆》标准进行试验，按照配方称好原材料搅拌均匀后分别置于40mm×40mm×160mm的钢模中成型试件；依照GB/17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》进行强度试验；流动度试验采用截椎试模(高60mm，上、下口的内径分别为70mm、100mm)和500mm×500mm×500mm的玻璃板进行测试；采用Rigaku D/MAX-IIIC型X射线衍射仪，分析水化产物组成；采用S-3400N型扫描电子显微镜，观察水化产物形貌与微观结构。

表3 水泥技术指标

表4 硅酸盐水泥化学成分 %

表5 粉煤灰化学成分 %

2 试验结果与讨论

2.1 缓凝剂掺量及种类对水泥基自流平砂浆性能的影响

2.1.1 流动度

图1为缓凝剂对水泥基自流平材料流动度的影响。

图1 缓凝剂对水泥基自流平材料流动度的影响

由图1可知，三种缓凝剂对砂浆流动度的影响趋势相同，随着缓凝剂掺量的增加，砂浆的初始流动度和20min流动度都不断增加。对比加入三种缓凝剂的自流平砂浆初始流动度和20min流动度，柠檬酸的五种掺量分别使得流动度增加了1.5%、2.2%、2.2%、1.4%、2%；酒石酸的五种掺量分别使得流动度增加了1.4%、0.7%、0%、0%、0%；葡萄糖酸钠的五种掺量分别使得流动度增加了1.4%、2.2%、3.6%、2.8%、3.4%；由此可知，酒石酸的初始和20min缓凝效果都是最佳。

2.1.2 抗折强度

图2为缓凝剂对水泥基自流平材料抗折强度的影响。

图2 缓凝剂对水泥基自流平材料抗折强度的影响

由图2可知，随着缓凝剂掺量的增加，自流平砂浆先增大后减小。所有缓凝剂的掺量为0.15%时，砂浆抗折强度最大。当加入葡萄糖酸钠时，其1d和28d的抗折强度效果最好，掺量为0.15%时，抗折强度相比柠檬酸提高了25%和12%，相比酒石酸提高了33.33%和18%；当缓凝剂为柠檬酸时，自流平砂浆的7d的抗折强度最优，掺量为0.15%时，抗折强度相比葡萄糖酸钠提高了19.5%，相比酒石酸提高了26.8%，然而1d的抗折强度为1.8MPa，没有达到国家标准。加入酒石酸时，其1d的抗折强度为1.6MPa，28d的抗折强度为4.1MPa，没有达到国家标准。根据缓凝剂对抗折强度的影响分析，将缓凝剂的掺量控制在0.15%左右比较合适。

2.1.3 抗压强度

图3为缓凝剂对水泥浆体抗压强度的影响。

图3 缓凝剂对水泥基自流平材料抗压强度的影响

由图3可知，随着缓凝剂掺量的增加，自流平砂浆的抗压强度都先增大后减小。所有缓凝剂掺入0.15%时，砂浆抗折强度最大，效果最好。当缓凝剂为葡萄糖酸钠时，自流平砂浆的1d、7d、28d的抗折强度效果都最优，掺量为0.15%时，1d、7d、28d的抗压强度相比柠檬酸分别提高了9.6%、9.3%、30.1%，相比酒石酸分别提高了12.3%、15.3%、30.9%；当缓凝剂掺量处于0.05%～0.25%，掺酒石酸和柠檬酸的抗压强度小于6MPa，没有达到标准，故掺量应控制在0.1%～0.2%。

2.2 碱激发剂对水泥基自流平砂浆性能的影响

2.2.1 流动度

图4和图5为不同碱对水泥浆体的流动度影响。

由图4和图5可知，随着碱的质量分数的增加，自流平砂浆的初始流动度和20min流动度都先减少后增大。当自流平砂浆中不加入碱激发剂时，砂浆的初始流动度达到了140mm，20min流动度达到了155mm；当氢氧化钙的质量分数为1.0%时，砂浆流动度最好，初始流动度达到了134mm，20min流动度达到了143mm；掺入0.5%的氢氧化钠时，初始流动度和20min流动度分别为132mm、141mm。

图4 氢氧化钙对流动度的影响

图5 氢氧化钠对流动度的影响

2.2.2 抗折强度

图6和图7为不同碱对水泥浆体抗折强度值影响。

图6 氢氧化钙对抗折强度的影响

图7 氢氧化钠对抗折强度的影响

由图6可知，自流平砂浆的抗折强度先增加后下降。随着碱的不断加入，当加入1.5%的Ca(OH)2时，碱激发效果最好，自流平砂浆1d的抗折强度达到了2.7MPa，7d的抗折强度达到了6.9MPa，28d的抗折强度达到了5.6MPa，相比没有加入Ca(OH)2分别提高了77.8%、61.0%、51.8%。当Ca(OH)2掺量为1.5%～2.0%，7d的抗折强度大于28d的抗折强度，说明当Ca(OH)2浓度过大时，强度发生了倒缩。由图7可知，NaOH对自流平砂浆的影响与Ca(OH)2相同。当NaOH掺量为1%时，碱激发效果最好，抗压强度最大，自流平砂浆1d、7d、28d的抗折强度达到了2.7MPa、5.7MPa、6.7MPa，相比没有加入NaOH的情况下，分别提高了77.8%、52.6%、59.7%。在整个体系中，NaOH主要以面方式破坏粉煤灰，NaOH会与破坏粉煤灰释放出的物质发生，产生强度。带负电的硅酸盐凝胶根据静电缔合作用与Na+会形成离子对，生成具有Si-O-Si链及Al-O-Si链的物凝胶。但是，当NaOH增加，溶液的pH值的变大，Na+和硅铝酸盐凝胶形成离子对发生阻碍，所以强度不会增加。

2.2.3 抗压强度

图8和图9为不同碱对水泥浆体抗压强度的影响。

由图8和图9可知，随着碱质量分数的增加，自流平砂浆的抗压强度先增加后下降，当掺入1.5%的Ca(OH)2时碱激发效果最好，抗压强度最大，自流平砂浆1d的抗压强度达到了7.8MPa，7d的抗压强度达到了24.0MPa，28d的抗压强度达到了31.2MPa，相比没有加入Ca(OH)2分别提高了47.4%、70%、70.2%，强度增加明显。随着NaOH掺量的增加，抗压强度先增大后减小。当NaOH掺量达到1%时，NaOH的碱激发效果最好1d、7d、28d的强度达到最大值，最大值分别为7.9MPa、24.5MPa、30.7MPa，相比没有加入NaOH分别增加了46.8%、70.6%、71.3%，强度增加明显。Ca(OH)2与NaOH的加入，使得体系的PH值增大，粉煤灰活性得以激发，粉煤灰溶解并与钙离子反应生成C-S-H凝胶，故强度增加，若碱掺量过多，OH-会破坏粉煤灰水泥胶凝材料的结构因此强度降低。

图8 氢氧化钙对抗压强度的影响

图9 氢氧化钠对抗压强度的影响

2.3 氢氧化钙掺量对自流平砂浆水化产物的影响

本试验研究不同的Ca(OH)2掺量对自流平砂浆水化产物的影响。图10、图11、图12为不同掺量的Ca(OH)2，自流平水泥砂浆水化1d、7d、28d的XRD分析图。碱一方面与粉煤灰相互作用，另一方面是与硫铝酸盐水泥相互作用。

图11 自流平砂浆(7d)的XRD图谱

图12 自流平砂浆(28d)的XRD图谱

(1)

(2)

由图11可知，自流平砂浆7d的主要产物为水化硅酸钙凝胶、钙矾石(AFt)。此时，钙矾石在慢慢转变，C3A与钙矾石反应AFm。反应如式(3)所示。

AFt+2C4AH13=3AFm+2CH+20H

(3)

由图12分析得到，AFt的量减少，大多数转化为AFm，C2S也参与反应。水化C-S-H的量增大，砂浆早期强度是由于钙矾石，后期强度增长主要由于初期产生的水化硅酸钙凝胶。粉煤灰中的二氧化硅与加入的碱发生反应，从XRD图谱可看到二氧化硅的衍射峰降低。粉煤灰中的硅(玻璃状态)和氧化铝等物质与碱中的OHˉ发生反应生成凝胶。同时，氢氧化钙与粉煤灰中的二氧化硅和氧化铝反应，生成一种有序三维结构的硅铝酸盐凝胶，随着养护时间延长，强度增加。

3 自流平砂浆的SEM分析

图13为水化产物的微观结构形貌，经过28d的养护，总体结构较密实。图14为掺入碱激发剂不同龄期下的微观形貌，1d的自流平砂浆微观结构多为粉煤灰球体，表示还没参与水化反应。随着碱掺量的增加，可以观察到大量疏松的孔结构以及少量的细针状钙矾石。从图14d可以观察到，球状颗粒减少，针状结构相互联结成网状，并且存在白色絮凝薄膜形状的物质，此时自流平砂浆的结构更密实。从图14c的SEM图像分析，水化产物更加密实的交结在一起。

图13 不同缓凝剂自流平砂浆28d的SEM图

图14 掺碱不同龄期自流平砂浆的SEM图

4 结论

(1)酒石酸、柠檬酸、葡萄糖酸钠(0.05%～0.25%)三种缓凝剂的加入，使得自流平砂浆的流动度增加；随着掺量的增加，自流平砂浆强度先增加后下降。

(2)随着两种不同的碱掺量的增加，自流平砂浆的流动度先减少后增大。当碱掺量的增加，自流平砂浆强度先增大后减小，氢氧化钙质量分数为1.5%，碱激发效果最好，砂浆1d、7d、28d的抗折强度分别提高了77.8%、61.0%、51.8%，抗压强度分别提高了47.4%、70%、70.2%。氢氧化钠质量分数为1%，碱激发效果最好，砂浆1d、7d、28d的抗折强度分别提高了77.8%、52.6%、59.7%，抗压强度分别提高了46.8%、70.6%、71.3%。过多的碱不利于强度的提高，因此自流平砂浆中必须控制碱含量。

(3)自流平砂浆主要产物为C4A3S、水化C-S-H凝胶、钙矾石(AFt)，是产生强度的主要原因。