石膏基自流平砂浆的制备及性能研究

王兴祥

甘肃第七建设集团股份有限公司 甘肃 兰州 730000

随着现代建筑物对地面装饰和功能的要求不断提高，自流平砂浆因其突出的施工和使用性能，目前在我国普及推广，但其性能还不够稳定，因此需要对自流平材料配方体系进行深入研究。自流平砂浆是一种自动找平的功能性材料，它的主要组分有胶凝材料、细骨料、添加剂等。产品经生产厂按配合比搅拌好以后，按固定的水料比加水搅拌即可使用。其产品有着良好的流动性，施工效率高、工序简单、省工省力，被广泛地应用于建筑物的地面找平施工中。

根据胶凝材料种类的不同，可将自流平砂浆分为石膏基自流平砂浆和水泥基自流平砂浆[1]。水泥基自流平砂浆的主要胶凝材料为普通硅酸盐水泥和铝酸盐水泥，原材料成本偏高，不利于建筑工程大面积找平施工。石膏基自流平砂浆的主要胶凝材料是建筑石膏，建筑石膏的种类有天然石膏、脱硫石膏和磷石膏。目前使用最为广泛的是天然石膏，天然石膏在生产时能源消耗大，不利于环保政策。而磷石膏是湿法磷酸生产工艺中排放的固体废弃物，我国每年排放大量磷石膏，以甘肃省的金昌市翁福集团为例，磷石膏每年排放量约为100万 t，堆存量达到了1 200万 t，因技术限制总利用率仅14%。因此，进一步提升磷石膏的利用率在固废利用领域有重要的意义，同时也顺应国家双碳发展方针。

本文将主要突破运用固体废弃物磷石膏制备出满足要求的磷石膏基自流平配方，研究磷石膏基自流平中的原材料对本身物理性能的影响[2]，简单阐述石膏基自流平的施工优势，为磷石膏制备自流平砂浆提供新技术参考。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

磷石膏为β-型，产地为甘肃金昌翁福集团，主要物理性能指标见表1；水泥为P·O 42.5级，产地为白银寿鹿山水泥厂，主要物理性能指标见表2。图1为2种胶凝材料的外观及粒径。

图1 胶凝材料外观及粒径分布

表1 磷石膏物理学性能

表2 普通硅酸盐水泥物理学性能

细骨料采用粒径为0～0.6 mm砂，产地为甘肃永登；减水剂、可分散乳胶粉、缓凝剂产地为北京柏诺。

1.2 试验设计

试验配合比见表3，首先是试验样品的制作，将磷石膏、普通硅酸盐水泥、0～0.6 mm砂、添加剂按配合比混合均匀，然后根据试验水料比加水搅拌后即可制得。其次主要通过A～F组样本试验原材料对石膏基自流平砂浆的物理性能影响，最终确定出满足规范要求的自流平砂浆配方。

表3 石膏基自流平砂浆试验配比

1.3 试验方法

石膏基自流平砂浆的主要物理性能检测按照JC/T 1023—2021《石膏基自流平砂浆》进行测试，主要测试的物理性能有凝结时间、抗折抗压强度以及拉伸黏结强度等。

试验设备主要有全自动抗折抗压试验仪、拉伸黏结试验仪、凝结时间测定仪、流动度测定仪。

2 结果与讨论

2.1 磷石膏掺量对石膏基自流平砂浆性能影响

试验时，将磷石膏与水泥的质量比按9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5进行试验，试验结束后对其物理性能进行对比，其中性能影响如表4所示。

表4 磷石膏掺量对石膏基自流平物理性能影响

根据试验结果A1～A5来看，磷石膏用量从9∶1降低到5∶5时，其中凝结时间由短变长，原因是磷石膏自身凝结时间较短，约为8 min，胶凝材料中磷石膏占比较大势必影响整体凝结时间，因此凝结时间就会出现由短到长的变化；24 h抗压强度和绝干抗压强度从低到高依次增长，这是因为磷石膏硬化体的强度主要由CaSO4·1/2H2O水化生成的CaSO4·1/2H2O晶体搭接交叉而形成的刚性骨架结构提供，当磷石膏替代水泥量较大时，胶凝材料在水化时，磷石膏形成的CaSO4·1/2H2O与CaS04·2H20晶体完全被水泥形成的凝胶状膜覆盖，抑制了石膏的继续水化，导致石膏基自流平在磷石膏用量较多时强度较低。当磷石膏替代水泥量较少时，由于42.5级水泥强度远高于磷石膏强度，在水化过程中与石膏反应生成的钙矾石会随普通硅酸盐水泥掺量的增加而不断增加，填充在石膏硬化体的孔隙中，进而降低孔隙率、提升致密度，因此磷石膏用量较少时强度会增大。但是考虑到配方经济适用性，其中磷石膏用量越大，越占优势，因为磷石膏属于固体废弃物，单价不到水泥单价的50%。综合以上因素，A3组试验最为理想，各项物理性能均符合JC/T 1023—2021《石膏基自流平砂浆》要求，也不存在资源的过度浪费。

2.2 砂用量对石膏基自流平砂浆性能影响

砂在自流平材料中主要起骨架支撑作用，加入砂将主要对石膏基自流平砂浆的流动性、抗折抗压强度产生一定的影响，根据图2、图3中B1～B5组配合比试验，其具体影响如下。

自流平材料中加入一定的细骨料，可以降低砂浆体积变化率，增大耐磨性并且降低成本。从图2可以看出，当砂用量从10%增大到50%，流动度由184 mm减小到168 mm。这是由于砂子在自身重力作用下流动时受到的摩擦力变大，随着砂加入量的增大，也需要更多的浆体来包裹骨料以此来满足砂浆的工作性能，因此砂的加入阻碍了石膏基自流平的流动。但是根据图3中的强度变化趋势来看，强度明显产生了变化，这是由于砂的加入会和胶凝材料形成硬化体结构，同时对成形的材料形成了一定的填充作用，可降低孔隙率，并且可以为材料提供更高的强度。由试验看出，砂加入后，抗折抗压强度均在稳步增长，当砂加入量在40%时，即B4组试验后强度增长较缓。这是由于砂加入量增多以后会使得胶凝材料与砂所形成的界面过渡区变多，强度增长放缓。因此，当砂加入40%后，此时的流动度为170 mm，绝干抗压强度为22.8 MPa，材料整体性能较为优异。

图2 B1～B5试验砂用量从10%增至50%时对应流动度变化情况

图3 砂用量对应强度变化

2.3 添加剂用量对石膏基自流平砂浆性能影响

添加剂的科学合理使用对石膏基自流平砂浆的物理性能有着重要的影响。其中，减水剂主要起提高后期抗压强度的作用，可分散乳胶粉主要起增加黏结强度的作用，缓凝剂主要起调节施工性能开放时间的作用。以上添加剂的具体影响情况如下。

石膏基自流平中加入减水剂，可以降低石膏基自流平的用水量，使石膏基自流平砂浆在较低用水量的情况下获得较大的流动度。减水剂的主要作用机理为自身通过分散、吸附在磷石膏颗粒表面，形成包裹后阻碍材料的用水量，同时也释放出被磷石膏包裹的H2O，从而提高石膏基自流平的流动度。用水量的减少意味着强度就会增长，因此减水剂在石膏基自流平的强度保证方面起着重要的作用，根据图4可知，随着减水剂用量的增大，不管是24 h抗压强度还是绝干抗压强度都在增长，当到C4组试验后，强度开始增长缓慢，考虑到经济性，即减水剂掺量为0.08%时，24 h抗压强度为15.8 MPa，绝干抗压强度为23.8 MPa，性能完全满足标准要求。

图4 减水剂对抗压强度的影响

可分散乳胶粉属于一种聚合物，是制作时将聚合物乳液经过喷雾干燥处理后得到的一种粉末，与水混合后的性能与原乳液的性能一致，可明显提高砂浆的工作性和黏结性[3]。可分散乳胶粉的应用增加了石膏基自流平与基层的黏结强度，石膏基自流平砂浆在实际工程中应用时，为了保证与地面的黏结力，确保成形后不发生空鼓等现象，需用较好的黏结力来保证，因此加入可分散乳胶粉后能明显提高黏结力。从图5中得知，随着胶粉用量的增加，黏结力也随之增大，这是由于可分散乳胶粉会吸附砂浆中多余游离水，在材料呈绝干状态后，可分散乳胶粉在磷石膏晶体附近形成连续的胶膜，将磷石膏晶体搭接处包裹连接，以此提升黏结强度。当胶粉用量在D5时，黏结力最优，但从D4开始后黏结力增长较为缓慢，因此当可分散乳胶粉用量为0.09%时，黏结强度为3.4 MPa，性能较好，满足标准要求。

图5 可分散乳胶粉对黏结强度的影响

磷石膏自身凝结硬化时间短，往往难以满足足够的施工开放时间，因此需要合适的缓凝剂来延长缓凝时间。磷石膏常用的缓凝剂为有机酸及其可溶盐、碱性磷酸盐以及大分子蛋白质类[4]，其主要作用机理为降低半水石膏溶解度及减缓溶解速率，吸附在石膏晶核上降低表面势能，阻碍晶核生长。

根据图6结果分析发现，随着缓凝剂用量每组0.01%的增加，初凝时间由E1组的28 min延长至E5组的50 min，终凝时间由E1组的60 min延长至E5组的96 min，这是由于缓凝剂的加入使半水石膏的溶解度及溶解速率有所减缓。但是正常施工时有1 h左右的开放时间即可，这样既有利于施工，也有利于节约时间，因此缓凝剂用量E3为0.03%时，初凝时间为39 min，终凝时间为82 min，效果最佳。

图6 缓凝剂对凝结时间的影响

2.4 水料比对石膏基自流平砂浆性能影响

水料比是石膏基自流平在单位质量下与所用水的比值，与混凝土中水灰比相类似，在混凝土中水灰比对混凝土质量有着重要影响，尤其在强度方面。因此，在石膏基自流平砂浆中将水料比也作为研究因素进行研究，其具体影响结果见图7。

图7 水料比对30 min稠度损失率以及强度的影响

从图7可看出，F1～F5试验的水料比从0.45变化至0.55时，对稠度损失率及24 h抗压强度以及绝干抗压强度影响不大，因为在石膏基自流平砂浆中，主要胶凝材料磷石膏在环境中存在三相，即无水相、半水相和二水相，三相根据环境中水的多少及时变化，因此在施工过程中，水料比在一定范围内波动对石膏基自流平砂浆的性能影响不大。

3 工程应用

在甘肃省建筑施工领域大多数采用传统自拌砂浆进行垫层铺设找平，与传统自拌砂浆相比较，石膏基自流平砂浆有着诸多优势，具体如表5所示。

表5 2种地面找平材料对比情况

石膏基自流平砂浆同时在保温、隔热、隔声性能上均优于传统水泥砂浆，而且石膏基自流平砂浆自重轻，能减轻建筑物的自重，从而提高建筑物的抗震能力和安全性。图8为石膏基自流平进行地面找平时的结构构造图，图9为某家装时用石膏基自流平砂浆进行地面找平。

图8 石膏基自流平地面找平结构构造

图9 石膏基自流平砂浆地面找平施工

因此，磷石膏基自流平砂浆作为一种新型绿色环保建筑材料，将改变传统粗放的生产方式，对改善人居环境、提升工程质量、提高施工效率和固废利用有极大的促进作用。该产业完全符合建设资源节约型、环境友好型社会的总体要求，未来必将迎来全面发展态势。

4 结语

1）磷石膏完全可以在自流平砂浆中替代胶凝材料，这在固废利用领域有着广阔的发展空间，通过添加剂的作用赋予一定的功能，将会大大提高磷石膏的利用率。

2）磷石膏作为石膏基自流平的胶凝材料，其配方中各个材料的掺量均影响着石膏基自流平的整体物理性能，A～F组试验结果显示，当磷石膏与水泥比例为7∶3，砂占比为40%，减水剂、可分散乳胶粉、缓凝剂占比为0.08%、0.09%、0.03%，水料比为0.45时，配比最经济实惠，性能完全满足JC/T 1023—2021《石膏基自流平砂浆》要求。

3）在实际工程应用中，石膏基自流平砂浆比传统水泥砂浆在各个方面均有着诸多优势，能提升工程质量和施工效率，节约人工和材料成本。