逄魯峰，孫立剛，付鵬，郎慧東，龐偉琪，黃凌苗

（1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東華迪建筑科技有限公司，山東 濟(jì)陽 251400）

0 引言

自流平砂漿是由特種骨料及多種建筑化學(xué)添加劑經(jīng)工廠配制、混合均勻制成的一種專門用于地面找平、抬高及地暖回填的干粉砂漿[1]。自流平砂漿可分為水泥基和石膏基兩大類，使用時(shí)加水?dāng)嚢璩蓾{狀具有很高流動(dòng)性。采用自流平砂漿施工的地面收縮小、水平度高、表面平滑、施工效率高[2]。

目前對(duì)水泥基自流平砂漿及含砂石膏基自流平砂漿的研究比較廣泛，但是對(duì)于無砂石膏基自流平材料的研究與應(yīng)用并沒有大范圍普及，其存在如強(qiáng)度低、泌水沉降嚴(yán)重、砂漿產(chǎn)品不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，使得在工程應(yīng)用中存在很大局限。

自流平材料多應(yīng)用于高層住宅，大都采用泵送施工的方式，傳統(tǒng)的自流平材料由于其中含有細(xì)骨料，骨料與膠凝材料復(fù)配易結(jié)塊，并且其密度大，泵送施工過程中堵管現(xiàn)象嚴(yán)重，給施工造成很大麻煩。本研究采用α-半水石膏作為主要膠凝材料，研制出一種高流動(dòng)性、高強(qiáng)度、無泌水、無沉降、低密度、易泵送施工的新型石膏自流平材料。該材料主要特點(diǎn)一方面完全改變先前應(yīng)用配合體系，研究出無砂配合體系，改善水泥基自流平砂漿及含砂石膏基自流平砂漿施工流動(dòng)性小、收縮率大、不易施工泵送以及當(dāng)前對(duì)于無砂石膏基自流平材料研究中存在的缺陷；另一方面充分利用工業(yè)廢棄物脫硫石膏，研發(fā)出低環(huán)境負(fù)荷的建筑材料。通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，得出石膏減水劑（PCC-s）、羥丙基甲基纖維素（HPMC）、消泡劑、聚乙烯醇的最佳摻量。通過單因素變量試驗(yàn)分析了溶液pH值、石膏緩凝劑摻量、膠凝材料體系和攪拌工藝對(duì)石膏自流平材料性能的影響。工程應(yīng)用表明，石膏自流平材料流動(dòng)性大，無需人工輔助找平，泵送施工效率極高，凝結(jié)硬化過程中無泌水沉降現(xiàn)象，且凝結(jié)硬化后產(chǎn)品水平度極高。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及儀器設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)材料

水泥（C）：P·Ⅰ52.5級(jí)，山東山鋁環(huán)境新材料有限公司；粉煤灰（FA）：Ⅱ級(jí)，濱州電廠；硅灰（SF）：SF90級(jí)，山東博肯硅材料有限公司；α-半水石膏（α-HG）：脫硫型，山東沙湖昊天環(huán)?？萍加邢薰荆皇⑸埃?0～120目，山東招遠(yuǎn)建友石英砂廠；消泡劑：工業(yè)級(jí)，上海梓意化工有限公司；聚乙烯醇：工業(yè)級(jí)，北京弗特恩科技有限公司；堿性調(diào)節(jié)劑：主要成分為氧化鈣，工業(yè)級(jí)，山東華迪建筑科技有限公司；蛋白質(zhì)分解類石膏緩凝劑：工業(yè)級(jí)，山東華迪建筑科技有限公司；可再分散乳膠粉：工業(yè)級(jí)，瓦克化學(xué)；羥丙基甲基纖維素（HPMC）：黏度100 Pa·s，濟(jì)南銘洲化工有限公司；石膏減水劑：PCC-s聚羧酸系高效石膏減水劑，粉末狀，固含量99.1%，山東華迪建筑科技有限公司。

1.1.2 儀器設(shè)備

TYE-300B型壓力試驗(yàn)機(jī)；PT-1179型拉力試驗(yàn)機(jī)；YDW-10型微機(jī)控制電子抗折試驗(yàn)機(jī)；HD-03型雙通道紅外線膨脹收縮測(cè)試儀；1100W型漿料攪拌分散機(jī)；JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)；HD-05型工業(yè)自流平材料攪拌機(jī)；K1502型手持式工業(yè)攪拌器；MTB型天平。

1.2 測(cè)試方法

石膏自流平材料的各項(xiàng)性能參照J(rèn)C/T 1023—2007《石膏基自流平砂漿》進(jìn)行測(cè)試。

1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)基準(zhǔn)配比：水泥50 g、粉煤灰50 g、硅灰20 g、α-半水石膏880 g、石膏緩凝劑0.8 g、堿性調(diào)節(jié)劑2.7 g、可再分散乳膠粉10 g、水500 g。將粉料倒入水泥膠砂攪拌鍋內(nèi)自動(dòng)攪拌。加料完畢后采用攪拌機(jī)慢速攪拌2 min，得到均勻的料漿，測(cè)試料漿初始流動(dòng)度；從加料攪拌開始料漿在攪拌鍋中靜置至30 min，采用攪拌機(jī)慢速攪拌1 min，測(cè)試料漿的30 min流動(dòng)度。正交試驗(yàn)以基準(zhǔn)配比為基礎(chǔ)，控制膠凝材料摻量、水膠比、加料攪拌方式、攪拌時(shí)間等因素均相同，通過前期探索性試驗(yàn)，確定PCC-s、HPMC、消泡劑、聚乙烯醇摻量（均按占膠凝材料總質(zhì)量計(jì)）4個(gè)主要影響因素，以石膏自流平材料的初始以及30 min流動(dòng)度為指標(biāo)，設(shè)計(jì)L9（3）4正交試驗(yàn)，確定各因素的最優(yōu)水平。正交試驗(yàn)因素水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果見表2，極差分析見表3。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)極差分析

由表3可見：

（1）各因素對(duì)初始流動(dòng)度影響順序?yàn)椋築＞A＞D＞C；對(duì)30min流動(dòng)度影響順序?yàn)椋築＞A＞C＞D。

（2）HPMC摻量為主要影響因素，隨HPMC摻量的增加，初始流動(dòng)度先增大后減小，30 min流動(dòng)度損失值先減小后增大。HPMC為非離子型聚合物，其分子結(jié)構(gòu)鏈上的羥基和醚鍵上的氧原子均可與水分子結(jié)合形成氫鍵，使游離水變成結(jié)合水，從而起到保水作用[3]。HPMC的存在防止材料下底基材吸收水分過多過快并且能夠阻礙水分蒸發(fā)，降低流動(dòng)度損失，保證自流平材料水化時(shí)具有足夠的水[4]。

（3）PCC-s以空間位阻效應(yīng)與靜電斥力效應(yīng)為其主要作用方式。吸附時(shí)，主鏈上羧基與鈣離子作用吸附于石膏表面，側(cè)鏈向外伸展，阻礙顆粒間聚集，表現(xiàn)出優(yōu)異分散性能，促使石膏顆粒相互分散并釋放出被包裹的部分水，起到減水、增大流動(dòng)度的作用。隨石膏減水劑摻量的增加，初始及30 min流動(dòng)度均先增大后減小，石膏減水劑的最佳摻量為0.45%。

（4）聚乙烯醇能夠與HPMC共同作用改善石膏自流平材料的保水性，也能夠?qū)ι傻亩嗥鸬綉腋》€(wěn)定的作用，本試驗(yàn)中聚乙烯醇的最佳摻量為0.02%。

（5）消泡劑的摻加一方面能夠消除石膏自流平材料在機(jī)械攪拌過程混入空氣產(chǎn)生的氣泡，使體系更加均勻，增大流動(dòng)度，又可避免在凝結(jié)硬化過程中表面出現(xiàn)蜂窩麻面狀況，硬化后表面殘留氣孔減少，使石膏自流平材料硬化后平整、光滑[5]。另一方面，由于自流平材料在攪拌過程中產(chǎn)生的氣泡硬化后會(huì)形成孔洞，最終使材料的強(qiáng)度降低，消泡劑的存在能夠消除這一嚴(yán)重缺陷。隨消泡劑摻量增加，初始及30 min流動(dòng)度逐漸減小，消泡劑的最佳摻量為0.01%。

通過極差分析結(jié)果，并考慮石膏自流平材料的初始、30min流動(dòng)度以及凝結(jié)硬化后表面狀態(tài)，最佳因素水平為A2B2C1D2，即PCC-s摻量為0.45%、HPMC摻量為0.04%、消泡劑摻量為0.01%、聚乙烯醇摻量為0.02%。

2.2 料漿pH值對(duì)石膏自流平材料流動(dòng)性和硬化后狀態(tài)的影響

料漿酸堿條件對(duì)石膏自流平材料性能影響很大，為膠凝材料水化提供堿性環(huán)境[6]。通過改變堿性調(diào)節(jié)劑用量調(diào)節(jié)料漿的pH值，研究料漿pH值對(duì)石膏自流平材料流動(dòng)性及對(duì)凝結(jié)硬化后狀態(tài)（有無泌水、有無沉降、表面光滑度等）的影響。試驗(yàn)采用基準(zhǔn)配比，且根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，PCC-s、HPMC、消泡劑、聚乙烯醇的用量分別為4.5、0.4、0.1、0.2 g。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 料漿pH值對(duì)石膏自流平材料性能的影響

由表4可見：

（1）隨料漿pH值的增大，石膏自流平材料的流動(dòng)度先增大后減小。HPMC在堿性環(huán)境條件下的溶解速度快，并且其黏度變化較快，堿性環(huán)境下使用效果最佳。隨pH值增大，溶液中引入Ca2+、OH-等離子，促使溶液中HPMC黏度變化，即此時(shí)溶液過飽和，將會(huì)使二水石膏晶核生成很快，水化放熱速度增大，初始流動(dòng)度變大，30 min流動(dòng)度損失變小。當(dāng)pH值過大時(shí)，液相中Ca2+濃度過大，水化速度減慢，漿體流動(dòng)度變小。當(dāng)pH值為8～9時(shí)，溶液達(dá)到最佳平衡狀態(tài)，各組分最大限度發(fā)揮作用，石膏自流平材料的流動(dòng)度最大，表面狀態(tài)良好，此時(shí)堿性調(diào)節(jié)劑用量為膠材總質(zhì)量的0.4%。

（2）料漿pH值為8～9時(shí)，石膏自流平材料凝結(jié)硬化前無泌水、沉降現(xiàn)象，并且其硬化后28 d表面光滑度最高，表面狀態(tài)最好。堿性調(diào)節(jié)劑的主要成分為氧化鈣，pH值增大同時(shí)溶液中Ca2+濃度逐漸增大，當(dāng)pH值達(dá)到合適值時(shí)，二水石膏晶核形成過程均勻。此變化時(shí)間對(duì)于石膏自流平材料的均勻度有極大影響，變化時(shí)間過長(zhǎng)或過短均影響自流平材料中HPMC、聚乙烯醇等保水調(diào)黏組分發(fā)揮對(duì)水化顆粒的懸浮穩(wěn)定作用，使?jié){體硬化過程存在極不均勻性。

2.3 膠凝材料體系對(duì)石膏自流平材料性能影響

采用的膠凝材料體系：水泥-α-半水石膏體系（T1）、水泥-硅灰-α-半水石膏體系（T2）、粉煤灰-α-半水石膏體系（T3）、水泥-粉煤灰-α-半水石膏體系（T4）、α-半水石膏體系（T5）。參照基準(zhǔn)配比，固定其它材料用量不變，正交試驗(yàn)各因素按最優(yōu)水平，對(duì)不同膠凝材料體系的強(qiáng)度和收縮性能進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果見表5和圖1。

表5 不同膠材體系對(duì)石膏自流平材料強(qiáng)度的影響

圖1 不同膠材體系對(duì)石膏自流平材料收縮率的影響

由表5可見，摻加水泥明顯提高了石膏自流平材料的強(qiáng)度，當(dāng)其摻量為10%時(shí)，其早期和后期強(qiáng)度均有較大幅度提升。若僅采用α-半水石膏作膠凝材料時(shí)，其絕干抗折強(qiáng)度僅為6.89MPa，低于JC/T 1023—2007規(guī)定的≥7.5 MPa。摻9%水泥+2%硅灰時(shí)，石膏自流平材料的早期和后期強(qiáng)度均有提升，且符合JC/T 1023—2007的規(guī)定。

由圖1可知，在不同水化階段材料表現(xiàn)出不同的脹縮，但最終趨于穩(wěn)定[7-8]。膠凝材料體系T2的變化曲線平緩，膨脹收縮穩(wěn)定性更好，收縮率為0.037%，符合JC/T1023—2007≤0.05%的要求?？紤]強(qiáng)度以及收縮率2個(gè)重要因素，石膏自流平材料宜選取膠凝材料體系T2作為試驗(yàn)應(yīng)用體系。

2.4 石膏緩凝劑對(duì)石膏自流平材料性能影響

試驗(yàn)配比為：水泥90g、硅灰20g、α-半水石膏890g、PCC-s 4.5g、HPMC0.4g、消泡劑0.1g、聚乙烯醇0.2g、堿性調(diào)節(jié)劑4g、可再分散乳膠粉10g、水500g。改變石膏緩凝劑摻量，確定其對(duì)石膏自流平材料流動(dòng)性能和強(qiáng)度的影響，結(jié)果如表6和圖2所示。

表6 石膏緩凝劑摻量對(duì)石膏自流平材料流動(dòng)性能的影響

圖2 石膏緩凝劑摻量對(duì)石膏自流平材料強(qiáng)度的影響

由表6可見，隨石膏緩凝劑摻量的增加，石膏自流平材料的初始流動(dòng)度變化不大，30min流動(dòng)度損失值不斷減小。摻量增加的同時(shí)，砂漿開始出現(xiàn)不同程度泌水，凝結(jié)時(shí)間逐漸延長(zhǎng)。石膏緩凝劑摻量為0.06%、0.08%時(shí)，30 min流動(dòng)度損失均大于JC/T1023—2007要求的3 mm，雖然沒有出現(xiàn)泌水狀況，但是其凝結(jié)時(shí)間略短，無法滿足最低操作時(shí)間要求。當(dāng)其摻量為0.10%時(shí)，其初始流動(dòng)度達(dá)到149 mm，30 min無流動(dòng)度損失；摻量為0.12%、0.14%時(shí)，雖然初始及30 min流動(dòng)度保持性能很好，但是均出現(xiàn)不同程度泌水。單考慮石膏緩凝劑摻量變化對(duì)石膏自流平材料流動(dòng)性能的影響，可選0.10%摻量作為應(yīng)用參考。

由圖2可見，摻加石膏緩凝劑會(huì)對(duì)石膏自流平材料的早期強(qiáng)度造成影響。隨石膏緩凝劑摻量的增加，石膏自流平材料的早期強(qiáng)度明顯降低，對(duì)后期強(qiáng)度影響較小。

在保證流動(dòng)性、流動(dòng)度損失、強(qiáng)度以及凝結(jié)時(shí)間符合JC/T 1023—2007要求的前提下，石膏緩凝劑的適宜摻量為0.10%。

2.5 攪拌工藝對(duì)石膏自流平材料流動(dòng)性能的影響

試驗(yàn)配比為：水泥90g、硅灰20g、α-半水石膏890g、PCC-s 4.5 g、HPMC0.4 g、消泡劑0.1 g、聚乙烯醇0.2 g、堿性調(diào)節(jié)劑4g、石膏緩凝劑1g、可再分散乳膠粉10g、水500g。攪拌工藝對(duì)石膏自流平材料流動(dòng)性能的影響見表7。

表7 攪拌工藝對(duì)石膏自流平材料流動(dòng)性能的影響

由表7可見，攪拌工藝對(duì)石膏自流平材料流動(dòng)性能的影響依次為：G4＞G2＞G3＞G1。石膏自流平材料的流動(dòng)度受攪拌工藝影響，采用漿料分散攪拌機(jī)和工業(yè)自流平材料攪拌機(jī)攪拌，控制轉(zhuǎn)速為2400 r/min時(shí)得到的砂漿狀態(tài)最好，具有最好的初始流動(dòng)度以及最低30min流動(dòng)度損失。由于砂漿中PCC-s、HPMC、聚乙烯醇等組分在不同攪拌條件下，其溶于水量不同，短時(shí)間內(nèi)發(fā)揮作用量不同。由于攪拌時(shí)間很短，會(huì)使自流平材料對(duì)攪拌機(jī)器適用性不同，工業(yè)自流平材料攪拌機(jī)由于存在一螺旋絞龍并且轉(zhuǎn)速可控，其對(duì)于自流平材料攪拌表現(xiàn)出最好適應(yīng)性。

2.6 無砂石膏基自流平材料與含砂石膏基自流平砂漿工程應(yīng)用對(duì)比

制備的無砂石膏基自流平材料配比與2.5節(jié)相同；含砂石膏基自流平砂漿配比為：水泥60 g、α-半水石膏470 g、粉煤灰70 g、70～120目石英砂400 g、可再分散乳膠粉8 g、水290 g。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，同時(shí)配制無砂石膏基自流平材料與含砂石膏基自流平砂漿，調(diào)整兩者初始流動(dòng)度相同，性能測(cè)試結(jié)果見表8和圖3。采用泵送施工技術(shù)將其應(yīng)用于住宅樓層泵送施工，測(cè)試施工技術(shù)指標(biāo)見表9。

表8 不同類型石膏自流平材料性能對(duì)比

圖3 不同類型石膏自流平材料收縮對(duì)比

表9 不同類型石膏自流平材料施工技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

由表8可見，無砂石膏基自流平材料的流動(dòng)性能更好，并且在實(shí)際工程應(yīng)用施工過程中無需人工輔助找平就可以達(dá)到極高的水平度，因?yàn)轶w系中不含砂，其密度更小，測(cè)得相同流動(dòng)度條件下，現(xiàn)場(chǎng)攪拌料漿與泵送料漿流動(dòng)性能均更好、質(zhì)地更加均勻，強(qiáng)度更高。由圖3可見，無砂石膏基自流平材料收縮率更低，其在32 d內(nèi)的收縮曲線相比含砂石膏基砂漿更平緩，并且由于石膏在體系中作為主要膠凝材料，存在后期微膨脹的特性，使硬化后產(chǎn)品不會(huì)出現(xiàn)開裂，與基層粘結(jié)更加牢固，耐久性更好[9-10]。由表9可見，無砂石膏基自流平材料工程應(yīng)用中其流動(dòng)度、施工效率均高于含砂石膏基自流平材料。

3 結(jié)語

（1）正交試驗(yàn)研究得出最佳因素水平為A2B2C1D2，即PCC-s摻量0.45%、HPMC摻量0.04%、消泡劑摻量0.01%、聚乙烯醇摻量0.02%。通過單因素變量試驗(yàn)確定漿料溶液pH值為8～9，膠凝材料體系為水泥-硅灰-α-半水石膏體系（T2），緩凝劑摻量為0.10%，攪拌機(jī)器為工業(yè)自流平材料攪拌機(jī)器。通過最佳配合比和最優(yōu)工藝制得的石膏自流平材料各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合JC/T1023—2007的要求。

（2）采用水泥-硅灰-α-半水石膏膠凝材料體系制備的石膏自流平材料性能最好。水泥提高了石膏自流平材料的后期強(qiáng)度，硅灰可作為半水石膏的激發(fā)劑又可以作為空隙填充材料，使石膏自流平材料更加密實(shí)。

（3）試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用表明，石膏自流平材料流動(dòng)度極大，施工效率更高，更適合泵送施工，便于大范圍施工。且可工業(yè)廢棄物石膏的再利用提供了一條新的路徑，具有廣闊的發(fā)展前景。