硅灰对石膏基自流平砂浆的强度和耐水性的作用

　　摘    要：　研究了硅灰对石膏基自流平砂浆物理力学性能、耐水性的影响。结果表明，掺加适量的硅灰可以改善石膏基自流平砂浆的流动性、缩短凝结时间、提高强度，且收缩率基本无变化；石膏基自流平砂浆的吸水率和软化系数有所提高，耐水性得到改善。

　　关键词：　硅灰; 石膏基自流平砂浆; 物理力学性能; 耐水性;

　　Abstract：　The influence of silica fume on the physical and mechanical properties, water resistance of the gypsumbased self-leveling mortar were studied. The results show that by adding appropriate amount of silica fume, the fluidity and strength of gypsum based self-leveling mortar can be improved, and the setting time can be reduced, and the shrinkage is almost no changing. Water resistance can be improved by ameliorating water absorption and softening coefficient.

　　Keyword：　Silica fume; Gypsum-based self-leveling mortar; Physical and mechanical property; Water resistance;

　　0、前言

　　随着我国经济的快速增长和人们居住水平的不断提高，普遍要求提高装修材料的功能、装饰效果等。石膏基自流平砂浆可泵送、自流平、快硬、表面光滑、绿色环保，可满足后期装修饰面材料的要求，在地坪构造中有很好的应用前景。但强度不高、耐水性差成为其在地坪材料推广应用的瓶颈，因此，提高石膏基自流平砂浆的强度和耐水性是该领域研究的重点。

　　李晶辉等[1]介绍了石膏基自流平地面材料的国内外研究现状、所用的添加剂及其作用机理，探讨了耐水性差等问题，并据此进行了展望；杨磊等[2]研究了无机改性剂粉煤灰和水泥、复合激发剂、有机硅防水剂对脱硫建筑石膏耐水性的影响；吴金明等[3]研究了掺入粉煤灰和水泥对脱硫石膏基自流平砂浆基本性能的影响，重点考察了对耐水性的影响，采用压汞法测试了孔隙率及孔径分布情况。琚诚兰等[4]研究了水泥对石膏基自流平材料流动度、凝结时间、力学性能和耐水性的影响。
 

　　硅灰是铁合金在冶炼硅铁和工业硅时的副产物。硅灰中的SiO2属于无定型物质，活性高、颗粒细小、比表面积大，具有优良的理化性能，广泛应用于混凝土、墙体材料、砂浆、地坪、化工等领域。

　　本文以a-半水石膏、普通硅酸盐水泥作为主要胶凝材料，配以骨料、填料及外加剂，并掺加硅灰配制石膏基自流平砂浆，研究在不同硅灰掺量下，砂浆的物理力学性能、耐水性及作用机理[5,6]，以期为石膏基自流平砂浆的强度和耐水性改善提供科学有效的技术方案。

　　1、 试验概况

　　1.1 、试验原材料

　　胶凝材料：河南某公司高强石膏粉、P·O 42.5级水泥，高强石膏粉和水泥的化学成分见表1；骨料、填料：0.18～0.42 mm的石英砂、0.04 mm重质碳酸钙；外加剂：瓦克5010可再分散乳胶粉、酒石酸缓凝剂、羧丙基甲基纤维素保水剂、聚羧酸减水剂、有机硅油消泡剂；硅灰：郑州某公司硅灰，化学成分见表1。

　　1.2、 试验配比

　　石膏基自流平砂浆体系的配比为高强石膏粉、水泥、石英砂和重质碳酸钙。其中，水泥10%、石英砂10%、重质碳酸钙10%。硅灰代替部分高强石膏粉内掺，高强石膏粉比例自70%开始，每次降低3%直至55%，同时硅灰比例从0增至15%。外加剂按砂浆体系的总质量进行外掺，可再分散乳胶粉、缓凝剂、保水剂、减水剂、消泡剂的用量分别为1.0%、0.02%、0.5%、1.0%、0.02%。水料比为1∶0.20。

　　表1 胶凝材料和硅灰的化学成分

　　1.3、 试验方法

　　试件制备及其物理力学性能测试：按照JC/T1023—2007《石膏基自流平砂浆》要求，将原料以确定配比加水后充分搅拌，得到均匀的料浆并成型，测定砂浆的30 min流动度损失、凝结时间、强度和收缩率。

　　耐水性测试：耐水性通常用软化系数来表示，试件吸水饱和状态下的抗压强度与干燥状态下的抗压强度比值即为软化系数。将两组标准试件养护至28 d龄期，然后取其中一组试件浸泡于（23±2）℃蒸馏水中48 h，取出试件测试其质量和抗压强度，并计算吸水率和软化系数。

　　2、 结果与讨论

　　2.1、 物理力学性能

　　图1和表2分别为硅灰掺量（0～15%）对石膏基自流平砂浆30 min流动度损失和凝结时间的影响。从图1可以看出，当硅灰掺量从0增加到6%时，砂浆初始流动度不断增加，幅度较大，30 min流动度损失减小；自6%增至15%，初始流动度缓慢降低，30 min流动度损失增大。由表2可知，随着硅灰掺量的增加，初凝、终凝时间均逐渐缩短，凝结时间呈比例下降趋势。硅灰在形成过程中，因相变受表面张力的作用，形成了非结晶相无定形圆球状颗粒，且表面较为光滑。掺有相对少量硅灰的物料，微小的球状体可以起到润滑的作用，使整个石膏浆体的保水性较好，流动性提高。但是，由于硅灰具有火山灰活性，掺量持续增大时更多的水分子附着在硅灰颗粒表面，对水的吸附效果十分明显，降低了体系内自由水的含量，导致砂浆流动度降低。硅灰对水的吸附作用会导致初凝、终凝时间均随硅灰掺量的增加而缩短。随着硅灰掺量的增加，30 min流动度损失先减小后增大，凝结时间缩短，因此，适当掺加硅灰可以改善石膏基自流平砂浆的工作性。

　　图1 硅灰掺量对砂浆流动度的影响

　　表2 硅灰掺量对砂浆凝结时间的影响

　　图2为硅灰掺量（0～15%）对石膏基自流平砂浆抗折、抗压强度和拉伸黏结强度的影响。由图2(a）、图2(b）可知，当硅灰掺量从0增至12%时，除24 h抗折强度外，28 d抗折和24 h、28 d抗压强度均不断增加，增幅显着，并在掺量12%时均达到最大值；自12%增至15%，抗折、抗压强度均有所降低。由图2(c）可知，砂浆的28 d拉伸黏接强度随着硅灰掺量的增加有所提高。硅灰粒径极小，在石膏颗粒表面以及填充于砂浆空隙中，使砂浆结构更加密实，孔隙率降低，从而提高强度。石膏基自流平砂浆硬化后，其内部多余水分的蒸发会在砂浆内部形成疏松多孔的网状结构，这些网状结构导致砂浆强度较低，耐水性较差。硅灰的加入，可以使石膏基自流平砂浆在达到相同流动度的条件下，改变石膏晶体间的接触形态，从而提高强度、改善耐水性。随着硅灰掺量的增加，除24 h抗折强度稍有降低之外，24 h抗压、28 d抗折和抗压强度均显着增大，28 d拉伸黏结强度稍有增加。

　　硅灰掺量在0～15%范围内时，石膏基自流平砂浆的28 d收缩率变化较小，约为0.03%。相对于不掺硅灰的砂浆，石膏基自流平砂浆的收缩变化没有太大波动。收缩率影响着石膏基自流平砂浆与地面的黏结力、表面变形、中层空洞和裂缝等。硅灰用于石膏基自流平砂浆，填充在砂浆空隙中，具有良好的填充效应，有效降低干燥收缩值。

　　图2 硅灰掺量对砂浆力学性能的影响

　　2.2、 耐水性

　　图3为硅灰掺量（0～15%）对砂浆耐水性的影响。由图可知，硅灰掺量逐渐增加时，石膏基自流平砂浆的吸水率呈先上升后下降的趋势。当硅灰掺量为9%时，吸水率达到峰值0.17，随后吸水率不断降低。一方面硅灰水化后形成的水化产物具有致密性好、吸水率低的特点，填充在石膏砂浆内部孔隙中，阻止了部分水进入材料内部，有效降低了吸水率。另一方面，硅灰的比表面积远大于石膏的比表面积，更多的水分子附着在硅灰颗粒表面，通过表面张力将硅灰颗粒连接起来，从而实现锁水效果。

　　图3 硅灰掺量对砂浆吸水率和软化系数的影响

　　硅灰掺量逐渐增加时，石膏基自流平砂浆的抗压强度和软化系数均呈先上升后下降趋势。当掺入6%的硅灰时，软化系数为0.55，与不加硅灰相比，提高了15%。这主要是因为硅灰的水化产物难溶于水，填充在浆体内部孔隙中，有效增加了石膏基自流平砂浆在吸水饱和状态下的强度，从而使耐水性得到改善。但当硅灰掺量过多时，生成的水化产物具有膨胀性，对胶凝体系形成的结构有破坏作用，使得软化系数下降。综上所述，当硅灰掺量为6%时，石膏基自流平砂浆的软化系数达到最优。

　　3、 结论

　　(1）适当掺加硅灰可以改善石膏基自流平砂浆的流动性，改善其工作性，但缩短凝结时间。
　　(2）随着硅灰在石膏基自流平砂浆中掺量的增大，除24 h抗折强度稍有降低之外，24 h抗压、28 d抗折和抗压强度均显着增大，且以硅灰掺量为12%较优。
　　(3）当硅灰掺量逐渐增加时，石膏基自流平砂浆的吸水率和软化系数呈先上升后下降的趋势，且当硅灰掺量为6%时，石膏基自流平砂浆的耐水性达到最优。
　　(4）综合物理力学性能和耐水性，在10%掺量范围内掺加硅灰，可有效改善石膏基自流平砂浆的性能。

　　参考文献

　　[1]李晶辉,刘兆爽,赵文杰.石膏基自流平地面材料的研究进展[J].硅酸盐通报,2016,35(11):3587-3593.
　　[2]杨磊,井敏.脱硫建筑石膏耐水性研究[J].硅酸盐通报,2016,35(9):2787-2792.
　　[3]吴金明,唐凯靖.脱硫石膏基自流平砂浆耐水性改善及机理研究[J].非金属矿,2018,41(4):43-45.
　　[4]琚诚兰,戴浩,张树鹏,等.水泥对石膏基自流平材料性能的影响[J].材料导报,2016,30(4):113-117.
　　[5]陈燕,岳文海,董若兰.石膏建筑材料[M].第二版.北京:中国建材工业出版社,2012.
　　[6]赵云龙,徐洛屹.石膏干混建材生产及应用技术[M].北京:中国建材工业出版社,2016.