面层自流平材料的制备与性能研究

戴　浩，张树鹏，琚诚兰，李东旭

(南京工业大学材料科学与工程学院，南京　210009)



面层自流平材料的制备与性能研究

戴浩，张树鹏，琚诚兰，李东旭

(南京工业大学材料科学与工程学院，南京210009)

研究了铝酸盐水泥-硅酸盐水泥-石膏复合胶凝体系对自流平材料性能的影响以及渗透型液体硬化剂对材料表面的改性作用，采用XRD、TG-DSC和SEM分析了胶凝体系的水化产物。结果表明：在铝酸盐水泥-硅酸盐水泥二元体系中，随着硅酸盐水泥掺量的增加，砂浆流动度经时损失逐渐扩大，凝结时间缩短，干缩率增大，各龄期强度均有所降低，但1～3 d和3～28 d强度增长幅度更大。在铝酸盐水泥-硅酸盐水泥-石膏三元胶凝体系中，增加α-半水石膏的掺量可促进砂浆凝结硬化，减小干燥收缩率，提高早期强度，但后期强度的增幅有所减小；增加硅酸盐水泥掺量会使砂浆流动度经时损失显著加大，凝结时间缩短，早期强度无明显变化，后期强度增幅较大。在自流平材料表面涂刷硬化剂可有效提高其耐磨性，减少干燥失水率。水化铝酸钙的微观形貌不规则，其XRD衍射峰不显著。在三元胶凝体系的水化产物中，存在着大量真棒状的钙矾石和六方片状的单硫型水化硫铝酸钙。

面层自流平； 胶凝体系； 钙矾石； 耐磨性

1　引　言

自流平材料具有流动性及稳定性好、施工效率高、表面平整度高、流平层厚度薄等特点，适用于建筑物地面的修补和装修工程[1]。面层自流平材料通常与垫层自流平材料配合使用，其综合性能好、成本高，铺设厚度相对较薄[2]。

水泥基自流平材料的胶凝体系通常由铝酸盐水泥、硅酸盐水泥和石膏组成[3,4]，利用三者之间反应生成的钙矾石，可促进体系早期强度发展，补偿体积收缩[5,6]。复合胶凝体系一般分为两种：一种是以硅酸盐水泥为主，另一种是以铝酸盐水泥为主。铝酸盐水泥基自流平材料具有凝结硬化速度快、早期强度高、耐磨性好和干燥收缩率小等特点，综合性能更好，适合用作面层，而硅酸盐水泥基自流平材料一般被用作垫层[3,7]。Onishi等[8]研究了石膏的种类对水泥基自流平材料早期性能性能的影响，结果表明，铝酸盐水泥基自流平材料更适合使用 α-半水石膏，因为半水石膏的溶解速率远快于无水石膏和二水石膏，更有利于促进钙矾石的形成，β-半水石膏溶解速率比α-半水石膏还要快，但其表面呈多孔结构，会增加砂浆的用水量。文献[3]和[4]也认同这一观点。在此基础上，本文研究了以铝酸盐水泥为主的胶凝体系中各组分含量对自流平材料性能的影响并分析了其作用机理。鉴于面层自流平材料施工厚度较薄，容易出现因干燥收缩而产生开裂，且要承受地面交通的反复碾压，因此，研究了渗透型硬化剂对材料表面改性作用。

2　试　验

2.1原材料

胶凝材料：Ternal CC铝酸盐水泥(CAC)，PⅡ52.5硅酸盐水泥(PC)，α-半水石膏。胶凝材料的化学组成如表1所示。

表1　水泥与石膏的化学组成

骨料及填料：40～60目和60～120目机制石英砂；400目重钙粉。

外加剂：瓦克5010可再分散乳胶粉；PC-1016聚羧酸减水剂；P823消泡剂；羟丙基甲级纤维素醚(HPMC)；酒石酸缓凝剂。

表面硬化剂：渗透型液体硬化剂。

2.2配比

胶凝材料、40～60目石英砂、60～120目石英砂、重钙的掺量分别为40%、20%、20%、20%，胶凝体系配比如表2所示。外加剂按胶凝材料、骨料和填料的总质量进行外掺，可再分散乳胶粉、减水剂、消泡剂、HPMC、缓凝剂的用量分别为1.5%、0.2%、0.15%、0.04%、0.12%。水料比为0.185。

表2　自流平砂浆胶凝体系配比

2.3试验方法

标准试验条件、砂浆制备、流动度和干燥收缩率测试参照JC/J985-2005《地面用水泥基自流平砂浆》行业标准；凝结时间测试参照GB/J1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》；砂浆强度测试参照GB/J17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》。硬化剂对材料表面的改性作用测试：将砂浆浇筑在耐磨试验模具中，6 h后在表面涂刷表面硬化剂，48 h后拆模，使用JM-Ⅳ型磨耗仪测量试件经砂轮打磨50 r、100 r、150 r、200 r后的磨耗量，具体方法参照JC/J985-2005《地面用水泥基自流平砂浆》行业标准。将砂浆浇筑在250 mm×250 mm×10 mm模具中，厚度控制在3～5 mm，6 h后在表面涂刷硬化剂，24 h后拆模，以24 h的质量作为初始质量，测量其随龄期的损失率。微观测试样品制备及方法：按0.5水胶比制备净浆，与砂浆在同等条件下养护至一定龄期，敲取中间部分置于酒精中终止水化，在真空干燥箱中烘至恒重，在玛瑙研钵中磨成粉末。使用Dmax/RB型X射线衍射仪进行测试；使用NETZSCH ATA409型同步热分析仪进行TG-DSC测试；微观形貌测试使用JSM-5900扫描电镜，取净浆试块中间部分的断面作为样品。

3　结果与讨论

3.1铝酸盐水泥-硅酸盐水泥二元体系对自流平砂浆性能的影响

3.1.1二元体系对自流平砂浆流动度和凝结时间的影响

复合胶凝体系以铝酸盐水泥为主，研究铝酸盐水泥与硅酸盐水泥的二元复合对自流平砂浆性能的影响，表3为砂浆的流动度和凝结时间。

表3　二元体系自流平砂浆的流动度和凝结时间

从表3可以看出，随着硅酸盐水泥对铝酸盐水泥的替代量增加，自流平砂浆初始流动度有少许降低，流动度经时损失加大，凝结时间逐渐缩短。当硅酸盐水泥掺量从16%增加到20%时，砂浆流动度经时损失增长幅度和凝结时间缩短幅度最大。文献[5]和[6]提到，铝酸盐水化产物中的CAH10、C2AH8和AH3凝胶与硅酸盐水泥水化产生的Ca(OH)2发生反应，立即生成C3AH6，使起缓凝作用的AH3凝胶薄膜遭到破坏；Ca(OH)2的减少也加速了C3S、C2S的水化；硅酸盐水泥的石膏被铝酸盐水泥消耗之后，其缓凝作用不能发挥，其中的C3A水化速率极快，使砂浆的塑性迅速降低。由于C3A在胶凝体系中的含量较低，水化产物较少，难以联结成网，体系的凝结时间主要取决于CA。如A4组分，砂浆在静置20 min后，几乎丧失流动性，但其初凝时间却长达211 min。

3.1.2二元体系对自流平砂浆强度的影响

图1为硅酸盐水泥掺量对二元体系自流平砂浆强度的影响。

由图1可见，随着硅酸盐水泥掺量的增加，二元体系自流平砂浆各龄期的强度均有所降低，但1～3 d、3～28 d强度增长幅度呈增大趋势。在以铝酸盐水泥为主的二元体系中，增加硅酸盐水泥的掺量可以加快铝酸盐水泥的水化，但另一方面，铝酸盐水泥的掺量也会降低。由于硅酸盐水泥的水化速率慢于铝酸盐水泥，二元体系的1 d强度主要由铝酸盐水泥提供，随着硅酸盐水泥水化程度的增加，C-S-H凝胶填充于由水化铝酸钙构成的骨架间隙，二元体系表现出相对较大的强度增长幅度。

3.1.3二元体系对自流平砂浆干缩率和质量损失的影响

图2为A1、A3砂浆的干缩率和质量损失率，比较了不同硅酸盐水泥掺量对二元体系自流平砂浆干缩性能的影响。

图1　二元胶凝体系对砂浆强度的影响Fig.1　Influence of binary systemson strength of mortars(a)flexural strength;(b)compressive strength

图2　二元胶凝体系对砂浆干缩率和质量损失率的影响Fig.2　Influence of binary systemson drying shrinkage and mass loss of mortars(a)drying shrinkage;(b)mass loss

从图2可知，试件A3的干缩率和质量损失率要大于试件A1，即增加硅酸盐水泥掺量，二元体系自流平砂浆的干缩率加大。A1和A3干缩率和质量损失在7 d前形成差距，7 d后，两条变化曲线接近平行。硅酸盐水泥掺量较多时，由于其水化进程慢于铝酸盐水泥，使得二元体系胶凝产物早期的结构较疏松，失水速率较快，进而引起干缩变形加大。随着龄期的增长，水化产物的密实度提高，硅酸盐水泥掺量对二元体系自流平砂浆的影响逐渐减小。

3.2铝酸盐水泥-硅酸盐水泥-石膏三元体系对自流平砂浆性能的影响

3.2.1三元体系对自流平砂浆流动度和凝结时间的影响

研究了α-半水石膏和硅酸盐水泥对三元体系自流平砂浆性能的影响，在另外两个组分比例不变的基础上，掺入某一组分。表4为三元体系自流平砂浆的流动度和凝结时间。

表4　三元体系自流平砂浆的流动度和凝结时间

从表4可看出，与二元体系自流平砂浆相比，三元体系自流平砂浆的流动度变化不大，凝结时间有了极大程度的缩短。三元胶凝体系在加水拌合后能迅速反应生成钙矾石，反应式如下[5,9]：

(1)

(2)

钙矾石形成速度快、结合水能力强[4]，使浆体迅速失去塑性而开始凝结。石膏掺量从4%增加到12%，砂浆的流动度流动度呈下降趋势，凝结硬化速度加快。硅酸盐水泥对三元体系自流平砂浆性能的影响与α-半水石膏相似，但随着硅酸盐水泥掺量增加，砂浆流动度下降幅度更大，流动度经时损失尤为显著。由式(1)和式(2)可知，增加石膏和硅酸盐水泥的用量均会促进钙矾石的形成，加速体系凝结硬化。同时，随着硅酸盐水泥中的石膏被消耗，C3A会快速水化，使砂浆的塑性迅速降低。

3.2.2三元体系对自流平砂浆强度的影响

图3为三元胶凝体系对自流平砂浆强度的影响。

图3　胶凝体系对砂浆强度的影响Fig.3　Influence of ternary systems on strength of mortars(a)flexural strength;(b)compressive strength

由图3可知，三元体系自流平砂浆的早期强度较二元体系自流平砂浆有了显著的提高。随着石膏掺量的增加，砂浆强度逐渐升高，但1～3 d、3～28 d强度增长幅度呈减小趋势。比较B4、B2和B5可发现，随着硅酸盐水泥掺量的增加，砂浆早期强度无明显变化，但3～28d的强度增长幅度更大。在以铝酸盐水泥为主的三元体系中，增加石膏的掺量可以保证体系在水化初期生成更多的钙矾石，有利于体系早期强度的提高。硅酸盐水泥对胶凝体系早期强度的影响是两方面的，一方面，其水化进程相对较慢，水化产物对体系早期强度贡献较少；另一方面，可以促进钙矾石的形成。在水化后期，硅酸盐水泥水化生成的C-S-H凝胶可进一步提高材料结构的密实性和力学性能。

3.2.3 三元体系对自流平砂浆干燥收缩和质量损失的影响

图4为B1、B2、B4砂浆干燥收缩率和干燥失水率随龄期的变化。

从图4a和图4b可以看出，试件干燥收缩率和质量损失率的变化规律几乎一致。其中，B1的干缩值最大，B2和B4的干缩值相对较小。由此可见，在三元胶凝体系中，增加石膏的掺量有利于减小干燥收缩，提高尺寸稳定性。而比较B2和B4可发现，提高硅酸盐水泥掺量，砂浆的干燥收缩率甚至稍有减小。在以铝酸盐水泥为主三元体系中，增加硅酸盐水泥的掺量，一方面会使铝酸盐水泥和石膏的含量有所降低，另一方面却能促进钙矾石的形成。在B2和B4胶凝体系中，石膏含量相差不大，铝酸盐含量足够高。因此，B2和B4砂浆的干燥收缩率相差不大。

3.3硬化剂对材料表面的改性作用

渗透型硬化剂可渗进到水泥内部，与水泥水化产物发生反应，使水泥的表层更加密实，进而提高硬度和耐磨性[10]。图5为硬化剂使用量对材料表面耐磨性的影响，试件配比为B2。

从图5可以看出，自流平材料在涂刷硬化剂后，表面的耐磨性有了显著的提高，使用量为100 g/m2时，试样经磨耗仪打磨200 r后的磨耗量较未涂刷硬化剂的试件降低了57.7%，继续增加硬化剂的用量，材料的耐磨性提高有限。

图4　三元胶凝体系对砂浆干缩率和质量损失率的影响Fig.4　Influence of ternary systems on drying shrinkage and mass loss of mortars(a)drying shrinkage;(b)mass loss

将试件制备成板状，成型6 h后在表面涂刷硬化剂，测试硬化剂对材料干燥失水率的影响，结果见图6。

图5　硬化剂对材料耐磨性的影响Fig.5　Effect of surface hardener on abrasion of screeds

图6　硬化剂对材料质量损失的影响Fig.6　Effect of surface hardener on mass loss of screeds

由图6可知，自流平材料在涂刷硬化剂之后，质量损失率有所降低，用量为100 g/m2时，各龄期干燥失水率约减少了0.1%。因为液态硬化剂可渗入到材料表面的孔隙中，与水泥水化产物发生反应，实现了对表层毛细孔的封堵，减少了水分蒸发[11]。由此推断，渗透型硬化剂的这一特性也将利于减少材料的干燥收缩。

3.4水化产物

3.4.1XRD分析

图7为A1和B2净浆水化2 h、1 d和3 d的XRD图谱。

图7　水化产物XRD图谱Fig.7　XRD patterns of hydration(a)sample A1;(b)sample B2

图7a为单掺硅酸盐水泥的铝酸盐水泥水化产物XRD 图谱。铝酸盐水泥水化产物种类较多，一般包括C3AH6、CAH10、C2AH8和AH3等[6,12]，但这些水化产物的衍射峰在图中并未出现，仅能观测到C4AH19和C6AH35的微弱衍射峰。较之于A1，B2胶凝体系水化产物中出现了较强的钙矾石(AFt)衍射峰。AFt的形成速度较快，可增加胶凝体系的韧性、提高早期强度。在1 d时，水化产物中已经无CaSO4·2H2O衍射峰，AFt生成量已达最大，而CA的衍射峰依然很强。此外，图7a和7b中均能看到C3S衍射峰，表明胶凝体系中后期强度的增长主要由CA和C3S水化提供。CA的水化速率快于C3S，当硅酸盐水泥掺量较高时，胶凝体系后期强度的增幅较大。

3.4.2TG-DSC分析

图8为A1和B2净浆水化3 d的TG-DSC图。

图8　净浆水化3 d TG-DSC分析Fig.8　TG-DSC curves of pastes hydrated for 3 d(a)TG;(b)DSC

图9　净浆水化3 d SEM/EDSFig.9　SEM photographs and EDS of paste hydrated for 3 d(a)sample A1;(b)sample B2

从图8a可知，两种体系水化产物的失重主要集中在室温至300 ℃，其中，B2的失重速率更大。300 ℃之后，两组分失重较少，且两条失重曲线接近平行。从图8b可看出，A1在100 ℃左右有较宽的吸热峰，主要归因于结晶水和水化铝酸钙中的结构水的脱离。B2的第一个吸热峰出现在122 ℃，是钙矾石的脱水吸热峰[13]，失重达到9.88%。两个组分在270 ℃左右均出现了一个较大的放热峰，为水化氧化铝凝胶(AH3)脱水所致[6]，在200～300 ℃温度区间内，质量损失分别为7.58%和6.15%，由此可见，A1水化产物中的AH3含量更多。因为，在B2胶凝体系中，直接与水反应的CA较少，使得产物中的AH3较少。

3.4.3水化产物的微观形貌

图9为A1和B2净浆水化3 d的SEM和EDS图。

图9a为铝酸盐水泥-硅酸盐水泥二元胶凝体系的水化产物的形貌，其形貌不规则，多呈无定型状，结合能谱分析可知，水化产物为水化铝酸钙。从图9b中可看到大量针棒状和六方片状的水化产物，结合能谱发现，这两种产物均含有Al、Ca、O和S元素，因此针棒状物质为AFt，而片状为单硫型水化硫铝酸钙(AFm)。AFm为无定型物相，因石膏含量不足，由AFt和铝酸钙反应生成。AFt向AFm的转化会导致材料孔隙率增加、强度降低、干缩率加大，其存在的形式及稳定性与石膏的种类和掺量有关[14]。

4　结　论

(1)在二元体系自流平砂浆中，随着硅酸盐水泥掺量的增加，砂浆流动度经时损失逐渐扩大，凝结时间缩短，干缩率增大，各龄期强度均有所降低，但1～3 d和3～28 d强度增长幅度更大;

(2)三元体系自流平砂浆的性能好于二元体系自流平砂浆，在该体系中，增加α-半水石膏的掺量可促进砂浆凝结硬化，减小干燥收缩率，提高早期强度，但后期强度增长幅度相对减小；增加硅酸盐水泥掺量会使砂浆流动度经时损失显著加大，凝结时间缩短，早期强度无明显变化，后期增长幅度更大;

(3)在自流平材料表面涂刷硬化剂可有效提高其耐磨性、干燥失水率。硬化剂使用量为100 g/m2时，试件经磨耗仪打磨200 r后的磨耗量降低了57.7%，各龄期干燥失水率约减少了0.1%;

(4)水化铝酸钙的形状不规则，其XRD衍射峰不明显。在三元胶凝体系的水化产物中，存在着大量真棒状的钙矾石和六方片状的单硫型水化硫铝酸钙。

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Preparation and Properties of Overlayment of Self-leveling

DAIHao,ZHANGShu-peng,JUCheng-lan,LIDong-xu

(College of Material Science and Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 210009,China)

Theinfluence of mixed binder systems on self-leveling mortar and surface hardener on materials surface have been investigated. The hydrated products and microstructures were characterized by X-ray diffraction, thermal analysis instrument and SEM, respectively. The results show that the increasing replacement of Portland cement by calcium aluminate cementin binary systems will cause mortars larger flow value loss, shorter setting times, less dimensional stability, an obvious decline strength but higher growth rate from 1 to 3 d and 3 to 28 d. In the ternary systems, with the increasing proportion of α-hemihydrate calcium sulfate, mortars show shorter setting time, less drying shrinkage and higher early strength, but lower growth rate in the late. In the ternary systems, the increasing content of Portland cement cause larger flow value loss and more rapid hardening rate, little effect on early strength but higher growth rate in the late. For screeds brushed surface hardener, both the abrasion and mass loss are decreased. The hydrated calcium aluminate have irregular morphology, and cannot be detected by XRD. In the hydration of ternary systems, AFt with acicular and AFm with hexagonal flake can be observed.

overlayment of self-leveling;binder systems;ettringite;abrasive resistance

“十二五”国家科技支撑计划课题(2014BAL03B04)

戴浩(1988-)，男，硕士研究生.主要从事地面用自流平材料方面的研究.

李东旭，教授，博导.

TQ177

A

1001-1625(2016)03-0686-08