王浩然 侯云芬 胡傳奇 劉海林 楊泰生

（1.中國建筑材料科學研究總院有限公司，北京 100024；2.北京建筑大學土木與交通工程學院，北京 102699）

自流平砂漿的主體是水泥基膠凝材料復合石英砂后，摻加多種化學添加劑組成的粉體，使用時再與水攪拌混勻后形成的一種流動性強、高塑性的自流平地基材料。它是當前地面施工新技術的新型建筑材料，施工便捷，性能良好，可作為飾面面層，亦可作為耐磨基層，用于商業(yè)展廳、大型賣場、工業(yè)廠房、車間倉儲、體育場館、劇場醫(yī)院及各種公眾聚集性場地等，也用于居家、別墅、溫馨小空間等。

國外對自流平砂漿的研究起步較早，技術相對成熟，而國內(nèi)的相關研究大多停留在實驗室理論階段，對實際施工研究較少。綠色無污染、效果美觀、操作安全、快速施工是自流平砂漿的特點，常用作木地板、地毯、地磚、天然石材、塑料地板等地面裝飾面材的基面，但目前為止很多自流平砂漿一直存在一些共性問題，如開裂、空鼓、起灰、砂面等。

1 常見的三種自流平砂漿材料

常見的自流平砂漿材料有三種，以硅酸鹽水泥為主的PC系、以高鋁水泥為主的AC系和石膏自流平材料。

1.1 硅酸鹽水泥為主的PC系

硅酸鹽水泥為主的PC系，即普通硅酸鹽水泥-鋁酸鹽水泥-石膏三元復合膠凝體系，其特點是強度增長緩慢、干燥收縮較難控制。

普通硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物具有較高的強度，構件成型的過程中養(yǎng)護得當，則其后期強度還可持續(xù)發(fā)展，很少出現(xiàn)強度倒縮的現(xiàn)象；也不易產(chǎn)生干燥收縮裂縫，有較高的密實度和表面完整性，表面不易起灰，具有較高的耐磨性。同時由于硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物中有較高含量的氫氧化鈣，堿度較高。普通硅酸鹽水泥為主要材料制備的混凝土存在放熱量大、放熱過程緩慢的后期階段，尤其在進行大工程量澆筑的施工過程，其水化放熱現(xiàn)象引起的內(nèi)外劇烈溫差會嚴重影響施工質(zhì)量。

普通硅酸鹽水泥-鋁酸鹽水泥-石膏三元復合膠凝體系中石膏的形態(tài)和添加量對自流平砂漿的性能影響十分明顯，硬石膏、α-半水石膏、β-半水石膏加入后的PC三元膠凝體系均有三個水化放熱峰，而在三元膠凝體系中添加二水石膏，水化過程只有一個水化放熱峰。該體系水化硬化初期，總體積減小，當水泥漿體硬化到一定程度，體積發(fā)生膨脹。使用無水石膏或二水石膏的三元復合膠凝體系的強度較為理想，使用半水石膏的體系強度較差。

1.2 高鋁水泥為主的AC系

鋁酸鹽水泥又稱高鋁水泥，其中最多的礦物為鋁酸一鈣（CA），其次為鋁酸二鈣（CA2），在室溫條件下的水化產(chǎn)物為鋁酸一鈣（CAH）和水化鋁酸二鈣（CAH），兩者都屬于介穩(wěn)產(chǎn)物，當溫度達到35℃以上時，會轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為穩(wěn)定的水化鋁酸三鈣（CAH）。在這個晶體轉(zhuǎn)化過程中，它們會導致強度下降。另外，在水化初始階段或在低溫下形成的氫氧化鋁是膠體，它起到強化晶粒之間填充的作用，在溫度升高后該膠體轉(zhuǎn)化為晶體三水鋁石（Al0.3H0）減少了膠體的增強，因此鋁酸鹽水泥快凝快硬、早期強度高、耐高溫、耐腐蝕，但會因環(huán)境溫度不同造成水化產(chǎn)物不同，穩(wěn)定性一般，常用于搶險施工而不用于結構施工，大面積長期施工不適合。

硫鋁酸鹽水泥熟料中的礦物組分主要為無水硫鋁酸鈣和硅酸二鈣，其次還有游離石膏、方鎂石和鈣鈦礦等組分，及少量的鈣黃長石、硫硅酸鈣、游離石灰和鋁酸鈣等。因而鋁酸鹽水泥具有堿度較低，抗腐蝕性較強的特性，并具有高強、高抗?jié)B和高抗凍的優(yōu)越性能。

硫鋁酸鹽水泥水化過程會產(chǎn)生鈣礬石和少量水化硅酸鈣凝膠，這種凝膠能輔助抵消鈣礬石膨脹作用，導致以硫鋁酸鹽為主要成分的復雜膠凝體系中強度得以提高并可以抵消砂漿倒縮。

硫鋁酸鹽水泥不僅有較高的早期強度，而且有不斷增長的后期強度。膠凝材料中摻入適量的硫鋁酸鹽水泥有利于提高早期強度，但硫鋁酸鹽水泥的摻入量不能過多。摻入量以體系質(zhì)量的15%為宜，過多地摻入硫鋁酸鹽水泥會導致膠凝體系流動度下降，富集在漿體表面的水泥相成膜聚合物減少，以至于砂漿硬化速度過快，砂漿堅硬和光滑度較差。研究認為，普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復合形成的二元膠凝體系自流平砂漿在硫鋁酸鹽水泥摻量為20%左右時的整體效果最好。

硫鋁酸鹽三元膠凝材料中石膏的形態(tài)對自流平砂漿的性能影響也十分明顯，尤其是水化機理表現(xiàn)出明顯的不同，如表1所示。

表1 石膏的形態(tài)與AC系三元膠凝材料中的水化作用

高鋁水泥為主的AC系自流平砂漿的綜合性能優(yōu)于硅酸鹽水泥為主的PC系，尤其是使用流動增強劑后，AC系砂漿可以在超低水灰比的條件下保持優(yōu)越的流動度，硫鋁酸鹽三元膠凝體系自流平砂漿的快凝、早強、低收縮及早期抗開裂能力均得以提高。

1.3 石膏自流平材料

常見的石膏有無水石膏、α-半水石膏、β-半水石膏、二水石膏四種不同形態(tài)。應用于石膏基自流平砂漿膠凝材料的石膏主要采用α半水高強石膏、建筑石膏以及硬石膏。石膏自流平材料根據(jù)使用的石膏種類的不同，而有不同的類型。

摻入α-半水石膏形成的三元膠凝體系，強度變化隨摻入量而不同，如表2所示。

漿體組成 膠凝材料占比% 抗折強度/Mpa 抗壓強度/Mpa硅酸鹽水泥鋁酸鹽水泥α-半水石膏 1d 28d 1d 28d硅酸鹽水泥為主L1 30 10…… 3.2 6.6 10.6 39.5 L2 25 10 5 3.4 7.1 10.7 40.0鋁酸鹽水泥為主L3 10 20…… 5.8 9.7 26.2 38.4 L4 10 20 10 6.5 10.7 28.1 40.2石膏為主L5………… 40 2.7 6.0 8.8 20.4 L6 10……30 4.6 8.0 10.7 30.1

適量α-半水石膏的摻入可促進膠凝體系的水化硬化，對材料的強度有一定的促進作用，并有助于減小砂漿的收縮性。以α-半水石膏作為自流平材料的主體材料，可顯著提高成型產(chǎn)品的強度。

1.3.1 化學石膏自流平材料

不同的物理的或化學的處理，化學石膏的性能因處理方法的不同而有明顯的差異。沒有經(jīng)過任何處理的化學石膏主要成份是二水石膏，經(jīng)過煅燒或蒸壓工藝處理過的化學石膏，其主要成份是半水石膏。

石膏基自流平材料以石膏為基材，摻入水泥、木質(zhì)素纖維、消泡劑和可再分散膠粉等功能性添加劑，用以改善膠凝體系的流動性、成型性和強度性質(zhì)，其中影響流動度的主要因素是石膏與水泥，自流平材料的流動度隨石膏用量的增加而降低，但隨水泥用量的增加而增大；影響抗折強度的主要因素是石膏、水泥；影響抗壓強度的主要因素是石膏和可再分散膠粉。

參照不同的標準制備石膏基自流平材料的過程不同，以致使用過程中的施工工藝和性能要求參差不齊，同時材料的抗壓、抗彎強度、軟化系數(shù)、硬度等物理性能與水泥基自流平材料相比存在一定差距。典型石膏基自流平材料性能良好，強度好、不空鼓、不開裂。熱穩(wěn)定性好，50℃條件下的耐熱性能基本保持穩(wěn)定；抗裂性能優(yōu)異，28d和194d收縮值及抗折、抗壓強度幾乎保持一致。

化學石膏中的雜質(zhì)主要有碳酸鹽類（比如石灰石、白云石等）、黏土礦物類（比如高嶺石、蒙脫石、伊利石、綠泥石等），及少量的石英、長石、云母、黃鐵礦、有機質(zhì)等，這些雜質(zhì)會嚴重影響石膏基膠凝材料的制備過程及其應用性能，使強度減小，軟化系數(shù)降低，制品的密度增大。

1.3.2 無水石膏自流平材料

無水石膏自流平材料的自身流動性好，應用于施工的平整度高，能夠快速凝結，有較為理想的強度和良好的耐水性。無水石膏自流平材料的攤展度可達300 mm以上，抗壓強度可以達到15 MPa以上，抗折強度和粘結強度較高。由于我國目前尚未有石膏基自流平材料的國家標準，參照國外相關標準進行測試的初凝和終凝時間可分別達到2.4h和9.1h。

以無水石膏為主要組分，添加多種配劑（比如保水劑、緩釋劑、消泡劑等）進行改性得到無水石膏基自流平材料，使用合適的激發(fā)劑（比如石灰，明礬，水泥等）可以提高無水石膏自流平材料的承載強度，但如果采用硫酸鹽類激發(fā)劑會導致與基層材料的粘結強度嚴重降低。

2 三元膠凝體系自流平砂漿的研究現(xiàn)狀

三元膠凝體系的構成組分極度復雜。通常意義上的水泥基自流平砂漿是由無機膠凝組分、有機膠凝組分、無機填料和多種化學外加組分（比如乙烯基聚合物、超硬化劑、超塑化劑、木質(zhì)素磺酸鈣等）組成，又要求其性能滿足工作性能好、快干速硬、收縮補償、高平整度等要求，這使得自流平砂漿被工程界人士稱為“最復雜的產(chǎn)品”。

國內(nèi)對于三元膠凝體系的研究鮮有報道。復合膠凝體系自流平砂漿的研究多數(shù)選取硬石膏、鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥的互相搭配，而采用硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥-半水石膏三元體系的研究較少，對其微觀機理的研究更少。零星報道的研究大多是針對自己特殊需求或者基于特定條件的指向性研究，缺少成體系的研究。

2.1 三元膠凝體系砂漿水化機理的研究

水泥水化過程中的反應機理，主要有溶解結晶機理和局部化學反應機理：在水泥水化的前期，溶解結晶機理占主導地位，而水化后期特別是擴散作用更難進行時，主要是局部化學反應機理起作用。水泥加水攪拌，隨著水化過程的進行，越來越多的水化產(chǎn)物產(chǎn)生，水化物因結晶沉淀析出，硅酸鹽晶體的結合力普遍地認為，有島狀結構、鏈狀結構、層狀結構、架狀結構等四面體空間結合情況，并且彼此相互交錯形成網(wǎng)狀結構，使得水泥最終凝結形成強度；在局部化學反應機理階段，固液兩相直接反應成水化物，這些水化產(chǎn)物會不斷填充網(wǎng)狀結構中的孔隙，使得孔隙率減少，密實度增加，進一步增加了強度。但無論是LeChatelier的結晶理論、W·Michaelis的膠體理論，亦或A.A.巴依可夫的三階段硬化理論都不能對水泥凝結硬化過程給予充分的解釋，尚有許多具體問題值得進一步深入研究。

在三元膠凝體系下，水泥的水化機理也不會產(chǎn)生變化，水化過程的影響因素更加復雜，比如環(huán)境溫度、濕度、養(yǎng)護條件及施工厚度等都會影響三元體系的水化進程及成型強度。

2.2 外加劑在三元膠凝體系下的使用效果研究

水泥基自流平砂漿由于原材料品種或添加量稍有不同，性能會相差很大。

高效減水劑與緩凝劑復摻會影響三元膠凝體系流動性和強度，增大緩凝劑摻量雖可提高漿體流動性，但對體系的早期強度會產(chǎn)生不良影響。高效減水劑復摻不同的凝緩劑對三元膠凝體系的流動性、流動經(jīng)時損失及凝結時間均產(chǎn)生一定的影響。

石膏的摻加有助于砂漿形成更高的工作性能和成型強度，對三元膠凝體系自流平砂漿的性能影響顯著，可以起到補強的作用，和三元膠凝體系中生成的大量鈣礬石使得整體力學強度得到提升，同時對硬化收縮有補償作用，是控制三元膠凝體系自流平砂漿水化產(chǎn)物形貌和狀態(tài)分布的關鍵因素。石膏的摻加量對三元膠凝體系自流平砂漿性能的影響具體地體現(xiàn)在：工作性能，不同石膏摻加量對于三元膠凝體系的流動度和凝結時間影響甚微，但石膏摻加量過大會導致自流平砂漿的開裂；力學性能，隨著石膏摻加量的逐漸增加，抗壓、抗折強度逐漸增高，達到一定程度后，抗壓、抗折強度又逐漸降低；收縮性能，隨著石膏摻加量的增加，各個齡期的收縮值逐漸由收縮變?yōu)榕蛎?，最終引起試件開裂。

石膏摻量的變化對使用硫鋁酸鹽水泥的三元膠凝砂漿流變性發(fā)展影響不大，但會造成早期流變性損失變快的情況，水化反應較快的石膏類型的表現(xiàn)更明顯。石膏在其中的具體作用機理以及水化前期的具體化學行為，受限于當前的研究手段，還有待于進一步深入研究；石膏摻量過高，早期水化熱較大，高鋁水泥早期強度增進率遠遠超過硅酸鹽水泥，但后期強度會降低，可能會導致硬化開裂等問題。因此針對三元膠凝體系自流平砂漿的水化前期石膏的具體反應過程機理應當予以重視。

2.3 三元膠凝體系自流平砂漿的發(fā)展

三元膠凝體系自流平砂漿中硅酸鹽水泥主要提供后期強度，鋁酸鹽水泥或硫鋁酸鹽水泥主要提供前期強度。三元膠凝體系自流平砂漿的研究初步解決了高強和快硬的矛盾，但現(xiàn)實應用中，復雜多變的施工環(huán)境對砂漿產(chǎn)品提出了更高的性能要求，自流平砂漿的研究會向著更多元膠凝體系的方向發(fā)展。

石膏是三元膠凝體系自流平砂漿中改性的關鍵。對復合膠凝體系的研究不應僅僅局限于石膏，可以擴展到其他具有水化活性、有助于提高砂漿體系強度，但對流動度的影響較小的摻合料，為研制更多元的復合砂漿提供了若干可能。

3 三元膠凝體系自流平砂漿的研究改進及建議

1）三元膠凝體系的成分復雜多樣性，石膏的摻入使本就復雜的三元膠凝體系自流平砂漿的水化反應的研究更加困難，諸如XRD分析等現(xiàn)有手段顯得力不從心，比如石膏加入后的三元膠凝體系砂漿前期水化過程，在XRD分析中會出現(xiàn)波峰重疊無法分辨的情況，需要更有效的檢測手段和更先進的實驗方法研究水化過程，尤其是水化前期在微觀層面發(fā)生的具體化學變化以及成型機理研究，剖析三元膠凝體系下內(nèi)在的規(guī)律，推動更加復合多元的砂漿體系研究。急需更加精準高效的表征手段。

2）對于三元膠凝體系自流平砂漿施工中的養(yǎng)護條件有待深入研究。自流平砂漿澆注成型后，溫度過低或者表面干燥導致開裂、起砂、發(fā)黃等不良現(xiàn)象；成型面積較大，長時間封閉養(yǎng)護條件，缺少針對性實驗數(shù)據(jù)支持。深入研究三元膠凝體系自流平砂漿的發(fā)展規(guī)律，對難以長時間標準養(yǎng)護的施工過程提出養(yǎng)護辦法，具有重要的現(xiàn)實意義。