面層自流平材料的制備與性能研究

戴　浩，張樹鵬，琚誠蘭，李東旭

(南京工業大學材料科學與工程學院，南京　210009)

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面層自流平材料的制備與性能研究

戴浩，張樹鵬，琚誠蘭，李東旭

(南京工業大學材料科學與工程學院，南京210009)

研究了鋁酸鹽水泥-硅酸鹽水泥-石膏復合膠凝體系對自流平材料性能的影響以及滲透型液體硬化劑對材料表面的改性作用，采用XRD、TG-DSC和SEM分析了膠凝體系的水化產物。結果表明：在鋁酸鹽水泥-硅酸鹽水泥二元體系中，隨著硅酸鹽水泥摻量的增加，砂漿流動度經時損失逐漸擴大，凝結時間縮短，干縮率增大，各齡期強度均有所降低，但1～3 d和3～28 d強度增長幅度更大。在鋁酸鹽水泥-硅酸鹽水泥-石膏三元膠凝體系中，增加α-半水石膏的摻量可促進砂漿凝結硬化，減小干燥收縮率，提高早期強度，但后期強度的增幅有所減小；增加硅酸鹽水泥摻量會使砂漿流動度經時損失顯著加大，凝結時間縮短，早期強度無明顯變化，后期強度增幅較大。在自流平材料表面涂刷硬化劑可有效提高其耐磨性，減少干燥失水率。水化鋁酸鈣的微觀形貌不規則，其XRD衍射峰不顯著。在三元膠凝體系的水化產物中，存在著大量真棒狀的鈣礬石和六方片狀的單硫型水化硫鋁酸鈣。

面層自流平； 膠凝體系； 鈣礬石； 耐磨性

1　引　言

自流平材料具有流動性及穩定性好、施工效率高、表面平整度高、流平層厚度薄等特點，適用于建筑物地面的修補和裝修工程[1]。面層自流平材料通常與墊層自流平材料配合使用，其綜合性能好、成本高，鋪設厚度相對較薄[2]。

水泥基自流平材料的膠凝體系通常由鋁酸鹽水泥、硅酸鹽水泥和石膏組成[3,4]，利用三者之間反應生成的鈣礬石，可促進體系早期強度發展，補償體積收縮[5,6]。復合膠凝體系一般分為兩種：一種是以硅酸鹽水泥為主，另一種是以鋁酸鹽水泥為主。鋁酸鹽水泥基自流平材料具有凝結硬化速度快、早期強度高、耐磨性好和干燥收縮率小等特點，綜合性能更好，適合用作面層，而硅酸鹽水泥基自流平材料一般被用作墊層[3,7]。Onishi等[8]研究了石膏的種類對水泥基自流平材料早期性能性能的影響，結果表明，鋁酸鹽水泥基自流平材料更適合使用 α-半水石膏，因為半水石膏的溶解速率遠快于無水石膏和二水石膏，更有利于促進鈣礬石的形成，β-半水石膏溶解速率比α-半水石膏還要快，但其表面呈多孔結構，會增加砂漿的用水量。文獻[3]和[4]也認同這一觀點。在此基礎上，本文研究了以鋁酸鹽水泥為主的膠凝體系中各組分含量對自流平材料性能的影響并分析了其作用機理。鑒于面層自流平材料施工厚度較薄，容易出現因干燥收縮而產生開裂，且要承受地面交通的反復碾壓，因此，研究了滲透型硬化劑對材料表面改性作用。

2　試　驗

2.1原材料

膠凝材料：Ternal CC鋁酸鹽水泥(CAC)，PⅡ52.5硅酸鹽水泥(PC)，α-半水石膏。膠凝材料的化學組成如表1所示。

表1　水泥與石膏的化學組成

骨料及填料：40～60目和60～120目機制石英砂；400目重鈣粉。

外加劑：瓦克5010可再分散乳膠粉；PC-1016聚羧酸減水劑；P823消泡劑；羥丙基甲級纖維素醚(HPMC)；酒石酸緩凝劑。

表面硬化劑：滲透型液體硬化劑。

2.2配比

膠凝材料、40～60目石英砂、60～120目石英砂、重鈣的摻量分別為40%、20%、20%、20%，膠凝體系配比如表2所示。外加劑按膠凝材料、骨料和填料的總質量進行外摻，可再分散乳膠粉、減水劑、消泡劑、HPMC、緩凝劑的用量分別為1.5%、0.2%、0.15%、0.04%、0.12%。水料比為0.185。

表2　自流平砂漿膠凝體系配比

2.3試驗方法

標準試驗條件、砂漿制備、流動度和干燥收縮率測試參照JC/J985-2005《地面用水泥基自流平砂漿》行業標準；凝結時間測試參照GB/J1346-2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》；砂漿強度測試參照GB/J17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法》。硬化劑對材料表面的改性作用測試：將砂漿澆筑在耐磨試驗模具中，6 h后在表面涂刷表面硬化劑，48 h后拆模，使用JM-Ⅳ型磨耗儀測量試件經砂輪打磨50 r、100 r、150 r、200 r后的磨耗量，具體方法參照JC/J985-2005《地面用水泥基自流平砂漿》行業標準。將砂漿澆筑在250 mm×250 mm×10 mm模具中，厚度控制在3～5 mm，6 h后在表面涂刷硬化劑，24 h后拆模，以24 h的質量作為初始質量，測量其隨齡期的損失率。微觀測試樣品制備及方法：按0.5水膠比制備凈漿，與砂漿在同等條件下養護至一定齡期，敲取中間部分置于酒精中終止水化，在真空干燥箱中烘至恒重，在瑪瑙研缽中磨成粉末。使用Dmax/RB型X射線衍射儀進行測試；使用NETZSCH ATA409型同步熱分析儀進行TG-DSC測試；微觀形貌測試使用JSM-5900掃描電鏡，取凈漿試塊中間部分的斷面作為樣品。

3　結果與討論

3.1鋁酸鹽水泥-硅酸鹽水泥二元體系對自流平砂漿性能的影響

3.1.1二元體系對自流平砂漿流動度和凝結時間的影響

復合膠凝體系以鋁酸鹽水泥為主，研究鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥的二元復合對自流平砂漿性能的影響，表3為砂漿的流動度和凝結時間。

表3　二元體系自流平砂漿的流動度和凝結時間

從表3可以看出，隨著硅酸鹽水泥對鋁酸鹽水泥的替代量增加，自流平砂漿初始流動度有少許降低，流動度經時損失加大，凝結時間逐漸縮短。當硅酸鹽水泥摻量從16%增加到20%時，砂漿流動度經時損失增長幅度和凝結時間縮短幅度最大。文獻[5]和[6]提到，鋁酸鹽水化產物中的CAH10、C2AH8和AH3凝膠與硅酸鹽水泥水化產生的Ca(OH)2發生反應，立即生成C3AH6，使起緩凝作用的AH3凝膠薄膜遭到破壞；Ca(OH)2的減少也加速了C3S、C2S的水化；硅酸鹽水泥的石膏被鋁酸鹽水泥消耗之后，其緩凝作用不能發揮，其中的C3A水化速率極快，使砂漿的塑性迅速降低。由于C3A在膠凝體系中的含量較低，水化產物較少，難以聯結成網，體系的凝結時間主要取決于CA。如A4組分，砂漿在靜置20 min后，幾乎喪失流動性，但其初凝時間卻長達211 min。

3.1.2二元體系對自流平砂漿強度的影響

圖1為硅酸鹽水泥摻量對二元體系自流平砂漿強度的影響。

由圖1可見，隨著硅酸鹽水泥摻量的增加，二元體系自流平砂漿各齡期的強度均有所降低，但1～3 d、3～28 d強度增長幅度呈增大趨勢。在以鋁酸鹽水泥為主的二元體系中，增加硅酸鹽水泥的摻量可以加快鋁酸鹽水泥的水化，但另一方面，鋁酸鹽水泥的摻量也會降低。由于硅酸鹽水泥的水化速率慢于鋁酸鹽水泥，二元體系的1 d強度主要由鋁酸鹽水泥提供，隨著硅酸鹽水泥水化程度的增加，C-S-H凝膠填充于由水化鋁酸鈣構成的骨架間隙，二元體系表現出相對較大的強度增長幅度。

3.1.3二元體系對自流平砂漿干縮率和質量損失的影響

圖2為A1、A3砂漿的干縮率和質量損失率，比較了不同硅酸鹽水泥摻量對二元體系自流平砂漿干縮性能的影響。

圖1　二元膠凝體系對砂漿強度的影響Fig.1　Influence of binary systemson strength of mortars(a)flexural strength;(b)compressive strength

圖2　二元膠凝體系對砂漿干縮率和質量損失率的影響Fig.2　Influence of binary systemson drying shrinkage and mass loss of mortars(a)drying shrinkage;(b)mass loss

從圖2可知，試件A3的干縮率和質量損失率要大于試件A1，即增加硅酸鹽水泥摻量，二元體系自流平砂漿的干縮率加大。A1和A3干縮率和質量損失在7 d前形成差距，7 d后，兩條變化曲線接近平行。硅酸鹽水泥摻量較多時，由于其水化進程慢于鋁酸鹽水泥，使得二元體系膠凝產物早期的結構較疏松，失水速率較快，進而引起干縮變形加大。隨著齡期的增長，水化產物的密實度提高，硅酸鹽水泥摻量對二元體系自流平砂漿的影響逐漸減小。

3.2鋁酸鹽水泥-硅酸鹽水泥-石膏三元體系對自流平砂漿性能的影響

3.2.1三元體系對自流平砂漿流動度和凝結時間的影響

研究了α-半水石膏和硅酸鹽水泥對三元體系自流平砂漿性能的影響，在另外兩個組分比例不變的基礎上，摻入某一組分。表4為三元體系自流平砂漿的流動度和凝結時間。

表4　三元體系自流平砂漿的流動度和凝結時間

從表4可看出，與二元體系自流平砂漿相比，三元體系自流平砂漿的流動度變化不大，凝結時間有了極大程度的縮短。三元膠凝體系在加水拌合后能迅速反應生成鈣礬石，反應式如下[5,9]：

(1)

(2)

鈣礬石形成速度快、結合水能力強[4]，使漿體迅速失去塑性而開始凝結。石膏摻量從4%增加到12%，砂漿的流動度流動度呈下降趨勢，凝結硬化速度加快。硅酸鹽水泥對三元體系自流平砂漿性能的影響與α-半水石膏相似，但隨著硅酸鹽水泥摻量增加，砂漿流動度下降幅度更大，流動度經時損失尤為顯著。由式(1)和式(2)可知，增加石膏和硅酸鹽水泥的用量均會促進鈣礬石的形成，加速體系凝結硬化。同時，隨著硅酸鹽水泥中的石膏被消耗，C3A會快速水化，使砂漿的塑性迅速降低。

3.2.2三元體系對自流平砂漿強度的影響

圖3為三元膠凝體系對自流平砂漿強度的影響。

圖3　膠凝體系對砂漿強度的影響Fig.3　Influence of ternary systems on strength of mortars(a)flexural strength;(b)compressive strength

由圖3可知，三元體系自流平砂漿的早期強度較二元體系自流平砂漿有了顯著的提高。隨著石膏摻量的增加，砂漿強度逐漸升高，但1～3 d、3～28 d強度增長幅度呈減小趨勢。比較B4、B2和B5可發現，隨著硅酸鹽水泥摻量的增加，砂漿早期強度無明顯變化，但3～28d的強度增長幅度更大。在以鋁酸鹽水泥為主的三元體系中，增加石膏的摻量可以保證體系在水化初期生成更多的鈣礬石，有利于體系早期強度的提高。硅酸鹽水泥對膠凝體系早期強度的影響是兩方面的，一方面，其水化進程相對較慢，水化產物對體系早期強度貢獻較少；另一方面，可以促進鈣礬石的形成。在水化后期，硅酸鹽水泥水化生成的C-S-H凝膠可進一步提高材料結構的密實性和力學性能。

3.2.3 三元體系對自流平砂漿干燥收縮和質量損失的影響

圖4為B1、B2、B4砂漿干燥收縮率和干燥失水率隨齡期的變化。

從圖4a和圖4b可以看出，試件干燥收縮率和質量損失率的變化規律幾乎一致。其中，B1的干縮值最大，B2和B4的干縮值相對較小。由此可見，在三元膠凝體系中，增加石膏的摻量有利于減小干燥收縮，提高尺寸穩定性。而比較B2和B4可發現，提高硅酸鹽水泥摻量，砂漿的干燥收縮率甚至稍有減小。在以鋁酸鹽水泥為主三元體系中，增加硅酸鹽水泥的摻量，一方面會使鋁酸鹽水泥和石膏的含量有所降低，另一方面卻能促進鈣礬石的形成。在B2和B4膠凝體系中，石膏含量相差不大，鋁酸鹽含量足夠高。因此，B2和B4砂漿的干燥收縮率相差不大。

3.3硬化劑對材料表面的改性作用

滲透型硬化劑可滲進到水泥內部，與水泥水化產物發生反應，使水泥的表層更加密實，進而提高硬度和耐磨性[10]。圖5為硬化劑使用量對材料表面耐磨性的影響，試件配比為B2。

從圖5可以看出，自流平材料在涂刷硬化劑后，表面的耐磨性有了顯著的提高，使用量為100 g/m2時，試樣經磨耗儀打磨200 r后的磨耗量較未涂刷硬化劑的試件降低了57.7%，繼續增加硬化劑的用量，材料的耐磨性提高有限。

圖4　三元膠凝體系對砂漿干縮率和質量損失率的影響Fig.4　Influence of ternary systems on drying shrinkage and mass loss of mortars(a)drying shrinkage;(b)mass loss

將試件制備成板狀，成型6 h后在表面涂刷硬化劑，測試硬化劑對材料干燥失水率的影響，結果見圖6。

圖5　硬化劑對材料耐磨性的影響Fig.5　Effect of surface hardener on abrasion of screeds

圖6　硬化劑對材料質量損失的影響Fig.6　Effect of surface hardener on mass loss of screeds

由圖6可知，自流平材料在涂刷硬化劑之后，質量損失率有所降低，用量為100 g/m2時，各齡期干燥失水率約減少了0.1%。因為液態硬化劑可滲入到材料表面的孔隙中，與水泥水化產物發生反應，實現了對表層毛細孔的封堵，減少了水分蒸發[11]。由此推斷，滲透型硬化劑的這一特性也將利于減少材料的干燥收縮。

3.4水化產物

3.4.1XRD分析

圖7為A1和B2凈漿水化2 h、1 d和3 d的XRD圖譜。

圖7　水化產物XRD圖譜Fig.7　XRD patterns of hydration(a)sample A1;(b)sample B2

圖7a為單摻硅酸鹽水泥的鋁酸鹽水泥水化產物XRD 圖譜。鋁酸鹽水泥水化產物種類較多，一般包括C3AH6、CAH10、C2AH8和AH3等[6,12]，但這些水化產物的衍射峰在圖中并未出現，僅能觀測到C4AH19和C6AH35的微弱衍射峰。較之于A1，B2膠凝體系水化產物中出現了較強的鈣礬石(AFt)衍射峰。AFt的形成速度較快，可增加膠凝體系的韌性、提高早期強度。在1 d時，水化產物中已經無CaSO4·2H2O衍射峰，AFt生成量已達最大，而CA的衍射峰依然很強。此外，圖7a和7b中均能看到C3S衍射峰，表明膠凝體系中后期強度的增長主要由CA和C3S水化提供。CA的水化速率快于C3S，當硅酸鹽水泥摻量較高時，膠凝體系后期強度的增幅較大。

3.4.2TG-DSC分析

圖8為A1和B2凈漿水化3 d的TG-DSC圖。

圖8　凈漿水化3 d TG-DSC分析Fig.8　TG-DSC curves of pastes hydrated for 3 d(a)TG;(b)DSC

圖9　凈漿水化3 d SEM/EDSFig.9　SEM photographs and EDS of paste hydrated for 3 d(a)sample A1;(b)sample B2

從圖8a可知，兩種體系水化產物的失重主要集中在室溫至300 ℃，其中，B2的失重速率更大。300 ℃之后，兩組分失重較少，且兩條失重曲線接近平行。從圖8b可看出，A1在100 ℃左右有較寬的吸熱峰，主要歸因于結晶水和水化鋁酸鈣中的結構水的脫離。B2的第一個吸熱峰出現在122 ℃，是鈣礬石的脫水吸熱峰[13]，失重達到9.88%。兩個組分在270 ℃左右均出現了一個較大的放熱峰，為水化氧化鋁凝膠(AH3)脫水所致[6]，在200～300 ℃溫度區間內，質量損失分別為7.58%和6.15%，由此可見，A1水化產物中的AH3含量更多。因為，在B2膠凝體系中，直接與水反應的CA較少，使得產物中的AH3較少。

3.4.3水化產物的微觀形貌

圖9為A1和B2凈漿水化3 d的SEM和EDS圖。

圖9a為鋁酸鹽水泥-硅酸鹽水泥二元膠凝體系的水化產物的形貌，其形貌不規則，多呈無定型狀，結合能譜分析可知，水化產物為水化鋁酸鈣。從圖9b中可看到大量針棒狀和六方片狀的水化產物，結合能譜發現，這兩種產物均含有Al、Ca、O和S元素，因此針棒狀物質為AFt，而片狀為單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)。AFm為無定型物相，因石膏含量不足，由AFt和鋁酸鈣反應生成。AFt向AFm的轉化會導致材料孔隙率增加、強度降低、干縮率加大，其存在的形式及穩定性與石膏的種類和摻量有關[14]。

4　結　論

(1)在二元體系自流平砂漿中，隨著硅酸鹽水泥摻量的增加，砂漿流動度經時損失逐漸擴大，凝結時間縮短，干縮率增大，各齡期強度均有所降低，但1～3 d和3～28 d強度增長幅度更大;

(2)三元體系自流平砂漿的性能好于二元體系自流平砂漿，在該體系中，增加α-半水石膏的摻量可促進砂漿凝結硬化，減小干燥收縮率，提高早期強度，但后期強度增長幅度相對減小；增加硅酸鹽水泥摻量會使砂漿流動度經時損失顯著加大，凝結時間縮短，早期強度無明顯變化，后期增長幅度更大;

(3)在自流平材料表面涂刷硬化劑可有效提高其耐磨性、干燥失水率。硬化劑使用量為100 g/m2時，試件經磨耗儀打磨200 r后的磨耗量降低了57.7%，各齡期干燥失水率約減少了0.1%;

(4)水化鋁酸鈣的形狀不規則，其XRD衍射峰不明顯。在三元膠凝體系的水化產物中，存在著大量真棒狀的鈣礬石和六方片狀的單硫型水化硫鋁酸鈣。

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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”國家科技支撐計劃課題(2014BAL03B04)

戴浩(1988-)，男，碩士研究生.主要從事地面用自流平材料方面的研究.

李東旭，教授，博導.

TQ177

A

1001-1625(2016)03-0686-08