萬赟 ，尹浩 ，孫德文 ，李波 ，劉玉亭

（1.高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇 南京 210008；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103）

0 引言

水泥基自流平砂漿具有流平性好、硬化快、抗沖擊、環(huán)保性好等諸多優(yōu)點，在大型商場、醫(yī)院、寫字樓、學校及家裝領(lǐng)域得到廣泛使用[1-2]。為了達到良好的早期強度和抗裂特性，早強水泥、石膏和硅酸鹽水泥復合使用是常見的膠凝材料體系[3]，硫鋁酸鹽水泥和高鋁水泥是自流平中最常用的早強水泥，本文研究主要針對高鋁早強的自流平體系。在三元膠凝材料體系中，高鋁水泥和石膏提供膨脹源和早期強度組分，硅酸鹽水泥可以使體系獲得較穩(wěn)定的長期強度。硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物主要有 C-S-H 凝膠、Ca（OH）2、AFt、AFm 等[4-5]，高鋁水泥在有堿和SO42-條件下水化產(chǎn)物主要有水化鋁酸鈣、AFt和AFm[5-6]，水化過程中消耗硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2和石膏溶解出的SO42-，促進硅酸鹽水泥的水化。硅酸鹽水泥、高鋁水泥和石膏復合使用時，水化過程和水化產(chǎn)物非常復雜，且受三者比例、環(huán)境條件影響很大，自流平水泥砂漿的流動度損失、強度發(fā)展、強度穩(wěn)定性、體積穩(wěn)定性也與三元體系比例和三者的化學組成密切相關(guān)。強度高且穩(wěn)定、體積穩(wěn)定性好的三元體系是配制自流平砂漿的基礎(chǔ)，因此，本文重點研究了普通硅酸鹽水泥-高鋁水泥-無水硬石膏三者比例對自流平砂漿強度的影響。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：海螺牌P·O42.5水泥（OPC），鄭州宇翔鋁酸鹽水泥CA-50高鋁水泥（CA）。無水硬石膏（Gyp）：南京石膏礦業(yè)公司生產(chǎn)。3種膠凝材料的主要化學成分如表1所示。其它原材料：可再分散乳膠粉（EVA）、消泡劑（Deformer）、纖維素醚（HPMC）、酒石酸（TA）、碳酸鋰（Li2CO3）、粉劑聚羧酸減水劑（PCA）、400目重鈣（CaCO3）和 70～140目砂（S）等。

表1 膠凝材料的主要化學成分 %

1.2 試驗方法

由于可再分散乳膠粉及纖維素醚等對強度存在影響，故本試驗中外加劑用量均為定值[7]。

強度試驗：為了考察普通硅酸鹽水泥、高鋁水泥與無水硬石膏對自流平水泥砂漿強度的影響，將3種膠凝材料與重鈣、砂及其它助劑充分攪拌均勻，再參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》加水攪拌，制備成40 mm×40 mm×160 mm的砂漿試件。試驗中固定膠凝材料（B）總量360 kg/m3，水膠比為0.45，普通硅酸鹽水泥與膠凝材料的質(zhì)量比（mOPC/mB）分別為 0.444、0.556、0.611、0.667和 0.778；無水硬石膏與高鋁水泥的質(zhì)量比（mGyp/mCA）分別為 0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8。依據(jù)JC/T 985—2005《地面用水泥基自流平砂漿》分別養(yǎng)護至1 d、28 d時，采用無錫市愛立康儀器設(shè)備廠的AEC-201型水泥膠砂強度試驗機進行抗折與抗壓強度測試。

水化產(chǎn)物分析：添加除了重鈣、水洗砂、減水劑外的其它所有成分成型凈漿試件，固定mOPC/mB=0.556，水膠比為0.45，mGyp/mCA分別為0.2、0.5、0.8，將成型的自流平砂漿分別養(yǎng)護至1 d、28 d，用無水酒精中止水化，采用德國布魯克公司D8-ADVANCE型X射線衍射儀分析水泥水化漿體的礦物組成。衍射條件為Cu靶，管電壓40 kV，管電流40 mA。

2 結(jié)果與討論

2.1 膠凝材料組成對自流平砂漿1 d強度的影響

不同mOPC/mB和mGyp/mCA變化對自流平砂漿1 d強度的影響分別如表2、表3所示。

表2 mOPC/mB和mGyp/mCA對自流平砂漿1 d抗折強度的影響

表3 mOPC/mB和mGyp/mCA對自流平砂漿1 d抗壓強度影響

從表2、表3可以看出，在1 d強度試驗中，不同mOPC/mB水平下，均存在一個mGyp/mCA的最佳值，低于該值時1 d強度明顯降低；高于該值，強度降低或變化不顯著。但mOPC/mB與mGyp/mCA最佳值之間未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律。

在mOPC/mB為0.444時，mGyp/mCA最佳值為0.5，此時抗折強度為2.8MPa，抗壓強度近14MPa（峰值）。mGyp/mCA小于0.5時，1d抗折、抗壓強度隨mGyp/mCA增加顯著提高；mGyp/mCA超過0.5后，抗折強度仍提高，而抗壓強度有所下降，但變化幅度微小。

在mOPC/mB為0.556時，mGyp/mCA最佳值為0.6，此時抗折、抗壓均達到峰值，分別為3.4、14.6MPa。mGyp/mCA小于0.6時，強度隨著mGyp/mCA的增大而迅速提高；而mGyp/mCA超過0.6后，隨著mGyp/mCA的增大強度迅速降低。

在mOPC/mB為0.611時，mGyp/mCA最佳值為0.4，此時抗壓、抗折強度分別為3.0、11.0 MPa。mGyp/mCA小于0.4時，1 d強度隨著mGyp/mCA的增大顯著提高；mGyp/mCA超過0.4以后，1 d強度幾乎沒有變化。

在mOPC/mB為0.667時，mGyp/mCA最佳值為0.3，此時抗壓、抗折強度分別為 3.2、12.4 MPa，mGyp/mCA小于 0.3時，1 d強度隨mGyp/mCA的增大顯著提高；mGyp/mCA為0.3～0.5時，隨mGyp/mCA增大強度迅速降低；當mGyp/mCA超過0.5后，對強度影響較小。

當mOPC/mB為0.778時，mGyp/mCA的最佳值為0.5，但各水平下強度均顯著低于其它水平，并且難以符合JC/T 985—2005中1 d抗折強度≥2 MPa、1 d抗壓強度≥6 MPa的要求。

2.2 膠凝材料組成對自流平砂漿28 d強度的影響

不同mOPC/mB和mGyp/mCA變化對自流平砂漿28 d強度的影響分別如表4、表5所示。

從表4、表5可以看出，與1 d強度變化規(guī)律類似，28 d強度試驗中，不同mOPC/mB水平下，大多存在一個mGyp/mCA的最佳值。僅當mOPC/mB為0.778時，mGyp/mCA的最佳值不明顯，mOPC/mB在其余 4個水平下，mGyp/mCA最佳值分別為 0.7、0.5、0.4、0.3，表現(xiàn)為隨著mOPC/mB增大，mGyp/mCA的最佳值逐漸減小。

由于表4、表5各mOPC/mB水平下，28 d強度隨著mGyp/mCA的變化大多呈現(xiàn)規(guī)律性漸變趨勢，而mOPC/mB對最佳mGyp/mCA也具有漸變的規(guī)律性影響，為直觀地展現(xiàn)mOPC/mB與mGyp/mCA對自流平砂漿28 d強度的影響，將28 d強度數(shù)據(jù)繪制成等高線圖。圖1、圖2展現(xiàn)了自流平砂漿28 d強度在mOPC/mB∈[0.444，0.778]、mGyp/mCA∈[0.2，0.8]范圍內(nèi)的分布。

表4 mOPC/mB和mGyp/mCA對自流平砂漿28 d抗折強度影響

表5 mOPC/mB和mGyp/mCA對自流平砂漿28 d抗壓強度影響

圖1 自流平砂漿28 d抗折強度等高線

圖2 自流平砂漿28 d抗壓強度等高線

普通硅酸鹽水泥、高鋁水泥和石膏三者的比例對自流平砂漿強度有重要影響，在設(shè)計自流平砂漿三元體系時，除了關(guān)注具體摻量外更要關(guān)注相互間的比例關(guān)系。從圖1、圖2可以看出：

（1）強度最佳區(qū)域：對于抗折強度，獲得最佳強度時，最佳mGyp/mCA及最佳 mOPC/mB分別在[0.35，0.45]和[0.58，0.63]附近，而對于抗壓強度，mGyp/mCA在[0.3，0.45]、mOPC/mB在[0.6，0.65]附近強度最佳。

（2）強度不達標區(qū)域：mGyp/mCA低于0.26或mOPC/mB高于0.67，抗折強度難以達到4.0 MPa，即砂漿達不到JC/T 985—2005標準中F4（抗折強度＞4.0 MPa）的要求；mGyp/mCA低于0.3或mOPC/mB高于0.7，砂漿達不到JC/T 985—2005標準中M16（抗壓強度＞16.0 MPa）的要求。

（3）因素敏感區(qū)域：僅當mOPC/mB超過0.68以后，抗折強度在其繼續(xù)增大時急劇降低；抗壓強度在mOPC/mB超過0.68以后，強度下降顯著，同時在（mGyp/mCA+0.5·mOPC/mB）＜0.75 區(qū)域，mGyp/mCA或mOPC/mB的輕微波動都會引起強度明顯的變化。

（4）因素合理區(qū)域：為了達到M16及F4的性能指標，并減少真實配合比及原材料化學組成變化對自流平砂漿性能的影響，一般情況下應使mOPC/mB＜0.68且mGyp/mCA＞0.4；當已確定二者之一時，可根據(jù)圖1、圖2中呈現(xiàn)的規(guī)律確定另一值。

2.3 無水硬石膏/高鋁水泥對水化產(chǎn)物的影響

mOPC/mB為 0.556，mGyp/mCA分別為 0.2、0.5、0.8時成型凈漿試件，1 d和28 d XRD圖譜如圖3、圖4所示。

圖3 1 d凈漿的XRD圖譜

圖4 28 d凈漿的XRD圖譜

從圖3、圖4可以看出，隨著mGyp/mCA增大，鈣礬石相強度明顯增強，Ca（OH）2相略有降低，體系中有較多CaSO4相，28 d時鈣礬石相強度高于1 d時，說明28 d反應程度更充分，鈣礬石相強度仍隨著mGyp/mCA增大而增加，但28 d圖譜中仍有較明顯的未水化C3S和C2S峰。

在指定mOPC/mB下，mGyp/mCA較小時，石膏參與鋁酸鹽礦物相反應形成AFm（或者先形成AFt然后轉(zhuǎn)化成AFm），當隨著石膏比例提高，會有部分AFt形成，生成AFt體積膨脹要較生成AFm大，因此，隨著石膏比例的增加，體系致密性增加，強度提高。這是強度隨mGyp/mCA增加而提高的主要原因。

隨著石膏比例繼續(xù)增加，當石膏過量時，形成的AFt數(shù)量減少（石膏與高鋁的總和是固定的），這時候體系中富余石膏水化產(chǎn)物強度低于AFt，這時隨著mGyp/mCA的繼續(xù)增加，強度增加幅度降低或開始緩慢下降。

由于在標準養(yǎng)護條件下（高濕、有水），石膏對C-S-H凝膠有破壞作用[8]。隨著mOPC/mB的增大，硅酸鹽水泥對強度的貢獻度增加，硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物C-S-H凝膠在水化產(chǎn)物中的比例逐漸增加（鋁酸鹽水泥水化產(chǎn)物比例下降），此時，mGyp/mCA繼續(xù)增大，最終必然出現(xiàn)石膏破壞C-S-H凝膠的情況，從而降低整體強度。

強度下降還有一種可能原因是隨著mGyp/mCA增大，膨脹值變大，后期膨脹對已經(jīng)硬化的結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生了破壞作用。

綜上所述，在低mOPC/mB水平下，強度隨mGyp/mCA先顯著增加后穩(wěn)定的過程是石膏增加促進AFt生成增加密實度，并逐漸發(fā)生石膏過量的過程；在高mOPC/mB水平下，強度在mGyp/mCA超過最佳值后顯著降低，是后期發(fā)生了過量石膏破壞C-S-H凝膠的現(xiàn)象；最佳mGyp/mCA隨著mOPC/mB的增加而減小，是由于石膏飽和點的提前及C-S-H比例的增加導致破壞效果的增強。

3 結(jié)論

普通硅酸鹽水泥-高鋁水泥-石膏三元膠凝材料體系水化過程及水化產(chǎn)物非常復雜，對自流平砂漿的強度發(fā)展有決定性影響，三元體系反應過程除了受體系化學組成影響外，還與石膏類型關(guān)系密切。另外，環(huán)境溫度、濕度及施工厚度都會顯著影響三元體系的水化進程，需要做深入細致的研究。本文研究主要是針對于普通硅酸鹽水泥-高鋁水泥-無水石膏體系，在標準實驗環(huán)境下進行，雖然具體數(shù)據(jù)不能直接用于使用任意原材料進行自流平砂漿配制，但所得規(guī)律對自流平砂漿的制備仍然具有參考意義。

（1）普通硅酸鹽水泥、高鋁水泥和石膏三者之間比例對自流平砂漿強度有重要影響，在設(shè)計自流平三元體系時，除了關(guān)注具體摻量外更要關(guān)注相互間的比例。

（2）具體到配合比設(shè)計時，不能只注重某一配比的實驗性能，應充分注意mGyp/mCA、mOPC/mB的敏感區(qū)間，確保成品的性能穩(wěn)定，就本文所使用的材料而言，為了達到M16及F4的性能指標，并減少真實配合比及原材料化學組成變化對自流平砂漿性能的影響，應使 mOPC/mB＜0.68 且 mGyp/mCA＞0.4。