细骨料和减水剂对石膏基自流平砂浆性能影响研究

杨奇玮，杨新亚，王义恒，李莎

（1.华新水泥股份有限公司，湖北 武汉 430073；2.武汉理工大学 材料研究与测试中心，湖北 武汉 430070）

0 前 言

石膏基地面自流平砂浆的主要胶凝材料由α型高强石膏、建筑石膏以及硬石膏等组成，在室内地面找平处理中应用广泛，具有流动性好、施工工艺简单、施工周期短、干燥收缩小、不易开裂、保温隔热性能好、绿色环保等优点，与高柔性粘结砂浆组成地暖系统，可以解决目前国内地暖系统中存在的问题[1]。石膏作为工业减少碳排放的重要原料，符合我国建筑业发展的需要，其中工业生产氢氟酸的副产品氟石膏属于硬石膏，已有学者经过研究用来制备石膏基砖、抹灰石膏、水泥缓凝剂等产品。采用氟石膏与α型半水石膏组成复合型石膏胶凝材料进行石膏基地面自流平砂浆开发，不仅可以拓宽氟石膏的资源化综合利用途径，还能与建材行业推广的“石膏干粉砂浆”具有同样节能减排的社会和经济效益[1-3]。

本研究以提高工业废弃物氟石膏的资源化利用为主要目的，探讨不同种类和颗粒级配的细骨料和3种聚羧酸减水剂对掺氟石膏的复合型石膏基地面自流平砂浆性能的影响，确保自流平砂浆性能符合JC/T 1023—2007《石膏基自流平砂浆》的要求，提高氟石膏的综合利用效率，达到以废治废、循环经济的目的。

1 实 验

1.1 原材料

（1）氟石膏：河北平泉产，将氟石膏进行固氟脱酸[3-5]改性处理后使其具有胶凝性能。改性氟石膏呈粉状，主要技术性能见表1。

表1 改性氟石膏的主要技术性能

（2）α型半水石膏：湖北应城产，主要技术性能见表2。

表2 α型半水石膏的主要技术性能

（3）细骨料：选用石英砂、不同颗粒级配的碳酸钙砂Ⅰ和碳酸钙砂Ⅱ，堆积密度分别为1260、1350、1410 kg/m3，3种细骨料的颗粒分布见表3。碳酸钙砂主要表现为颗粒级配不同，其中碳酸钙砂Ⅰ的粒径大于碳酸钙砂Ⅱ。石英砂和碳酸钙砂均由天然材料所制备，表面均较致密，由于机械制砂而多棱角，碳酸钙砂以方状为主，石英砂则为不规则形状（见图1）。

表3 不同细骨料的颗粒分布

图1 石英砂和碳酸钙砂Ⅰ的SEM照片

（4）外加剂：选用3种聚羧酸减水剂，F5为黄色粉末，密度300～600 kg/m3，干燥损失≤2.0%；S1为灰白色或淡橙色粉末，含水率≤3.0%；S2为灰白色或淡橙色粉末，含水率≤3.0%，三者减水率均大于25%；保水剂为纤维素醚（HPMC），其黏度为400 mPa·s；流平调凝剂为自制有机高分子类材料。

（5）水：自来水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水标准》。

1.2 测试方法

结晶水含量按GB/T 5484—2012《石膏化学分析方法》进行测试；流动度（初始及30 min）、凝结时间及强度均按JC/T 1023—2007进行测试。初始流动度用水量（以下简称用水量）按流动度为（145±5）mm时确定。

1.3 自流平砂浆的基础配比（见表4）

表4 自流平砂浆的基础配比 %

2 结果与讨论

2.1 细骨料对自流平砂浆性能的影响（见表5）

表5 细骨料对自流平砂浆性能的影响

从表3和表5可以看出，碳酸钙砂Ⅱ中细砂所占比例最大，由碳酸钙砂Ⅱ制备的3#自流平砂浆用水量也最大。这是因为掺入细颗粒越多，自流平砂浆结构越密实，为达到一定的流动性，会增大自流平砂浆的用水量。2#和3#自流平砂浆的凝结时间接近，且相对于1#自流平砂浆凝结时间有所缩短。这是因为碳酸钙砂中含有较细颗粒，吸水性大，保水性强，能够减少自流平砂浆塑性阶段水分的散失，使得凝结时间缩短。

从表5的力学性能测试结果可见，1#自流平砂浆的抗折和抗压强度均高于2#和3#自流平砂浆，但均符合JC/T 1023—2007的要求。这是因为天然石英砂的硬度较碳酸钙砂更高，应用到砂浆中的力学性能表现更佳。石英砂在颗粒形状上具有优势，不规则的颗粒能更好地填充在自流平砂浆内部孔隙之间，形成更加致密的砂浆结构[6]。掺2种碳酸钙砂的自流平砂浆的力学性能接近，但2#自流平砂浆中的细骨料颗粒比3#自流平砂浆中的细骨料颗粒粗，对自流平砂浆的抗压强度有利，反之，颗粒较细对自流平砂浆的抗折强度有利。

2.2 聚羧酸减水剂对自流平砂浆流动性的影响

自流平砂浆的关键技术在于能否使得自流平砂浆在自身重力作用下，获得良好的流动性，从而达到自动流平效果。其中减水剂是自流平砂浆的主要外加剂，具有改善自流平砂浆流动性和强度的作用[7]。若不掺加减水剂，要符合JC/T 1023—2007中30 min流动度损失≤3 mm的要求，就会增大自流平砂浆的用水量，很可能造成自流平砂浆泌水离析的问题，因此需对减水剂作进一步研究。本次试验选择自流平砂浆流动度控制在（145±5）mm范围内的用水量，分别采用3种聚羧酸减水剂，掺量为0.15%～0.30%，对自流平砂浆流动性的影响如表6所示。

表6 3种聚羧酸减水剂对自流平砂浆流动性的影响

由表6可以看出，随着3种聚羧酸减水剂掺量从0.15%增大到0.30%，掺入S1的自流平砂浆用水量在32.0%～36.0%变化，掺入S2的自流平砂浆用水量在32.0%～34.0%变化，掺入F5的自流平砂浆用水量在30.0%～32.0%变化，说明在相同减水剂掺量范围下，掺S2和F5对自流平砂浆的用水量影响相对掺S1较为稳定。在相同掺量、达到相同流动度的情况下，掺F5的自流平砂浆用水量最少。当F5和S1的掺量同为0.15%时，掺入前者的自流平砂浆减水率较后者高11%；自流平砂浆要达到相同用水量32.0%，S系列聚羧酸减水剂的掺量同为0.30%时，较F5掺量高1倍。这与3种聚羧酸减水剂本身的分子结构组成和复合型石膏基体系的自流平砂浆的适应性有关。聚羧酸减水剂的特点在于主链上带有多个支链结构，支链上不同的活性基团表现出不同的空间位阻效应，随着水化进程推进，空间位阻效应产生的分散性受石膏水化作用的影响较小，因此，自流平砂浆的的流动性会在长时间内得到维持，并具有良好的分散稳定性[8-10]。

2.3 聚羧酸减水剂对自流平砂浆力学性能的影响（见图2）

图2 3种聚羧酸减水剂对自流平砂浆力学性能的影响

由图2可见，当3种聚羧酸减水剂的掺量在0.15%～0.30%时掺入F5的自流平砂浆力学性能最佳。掺入S1的自流平砂浆强度增长趋势明显，掺量为0.30%时，24 h抗折和抗压强度较掺量为0.15%的分别提高了31.0%、47.3%；对于掺入S2的自流平砂浆，掺量为0.30%时，24 h抗折和抗压强度较掺量为0.15%的分别提高了13.8%、8.3%。可见掺入S1对自流平砂浆的早期强度影响较大，随着S1掺量的增加，24 h抗折和24 h抗压强度都会得到明显提高。自流平砂浆强度提高的原因在于适当掺入减水剂会使得复合型石膏颗粒间结构变得更加紧密，大孔隙数量减少，小孔数量增加，并逐渐均匀分散，有利于复合型石膏的水化硬化过程，从而提高自流平砂浆的力学性能[11]。

从图2还可以看出，当F5掺量为0.25%时，自流平砂浆的绝干抗压强度达到最高，这是因为自流平砂浆要达到规定的流动度时，增加减水剂掺量会使需水量减少，从而使复合型石膏对减水剂的吸附作用达到最佳；若继续增加减水剂的掺量，复合型石膏对减水剂的吸附量就不再增大，致使浆体内部产生大量气孔，自流平砂浆的抗压强度降低[11]。

综合分析，优化后的自流平砂浆配合比为：m（复合型石膏）∶m（石英砂）∶m（S1聚羧酸减水剂）=80∶20∶0.2，制备的自流平砂浆30 min流动度增大5 mm，24 h抗折和抗压强度分别为3.3、9.7 MPa，绝干抗折和抗压强度分别为10.6、27.6 MPa，符合JC/T 1023—2007的要求，从而可以实现固废产物氟石膏的资源化利用。

3 结 论

（1）当细骨料掺量均为20%时，掺石英砂的自流平砂浆流动性和力学性能均优于掺碳酸钙砂的自流平砂浆。

（2）自流平砂浆的流动性与所掺聚羧酸减水剂的分子结构组成有关。

（3）优化后的自流平砂浆配合比为：m（复合型石膏）∶m（石英砂）∶m（S1聚羧酸减水剂）=80∶20∶0.2，制备的自流平砂浆30 min流动度增大5 mm，24 h抗折和抗压强度分别为3.3、9.7 MPa，绝干抗折和抗压强度分别为10.6、27.6 MPa，符合JC/T 1023—2007的要求。