石膏基自流平砂漿的制備及性能研究

王興祥

甘肅第七建設集團股份有限公司 甘肅 蘭州 730000

隨著現代建筑物對地面裝飾和功能的要求不斷提高，自流平砂漿因其突出的施工和使用性能，目前在我國普及推廣，但其性能還不夠穩定，因此需要對自流平材料配方體系進行深入研究。自流平砂漿是一種自動找平的功能性材料，它的主要組分有膠凝材料、細骨料、添加劑等。產品經生產廠按配合比攪拌好以后，按固定的水料比加水攪拌即可使用。其產品有著良好的流動性，施工效率高、工序簡單、省工省力，被廣泛地應用于建筑物的地面找平施工中。

根據膠凝材料種類的不同，可將自流平砂漿分為石膏基自流平砂漿和水泥基自流平砂漿[1]。水泥基自流平砂漿的主要膠凝材料為普通硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥，原材料成本偏高，不利于建筑工程大面積找平施工。石膏基自流平砂漿的主要膠凝材料是建筑石膏，建筑石膏的種類有天然石膏、脫硫石膏和磷石膏。目前使用最為廣泛的是天然石膏，天然石膏在生產時能源消耗大，不利于環保政策。而磷石膏是濕法磷酸生產工藝中排放的固體廢棄物，我國每年排放大量磷石膏，以甘肅省的金昌市翁福集團為例，磷石膏每年排放量約為100萬 t，堆存量達到了1 200萬 t，因技術限制總利用率僅14%。因此，進一步提升磷石膏的利用率在固廢利用領域有重要的意義，同時也順應國家雙碳發展方針。

本文將主要突破運用固體廢棄物磷石膏制備出滿足要求的磷石膏基自流平配方，研究磷石膏基自流平中的原材料對本身物理性能的影響[2]，簡單闡述石膏基自流平的施工優勢，為磷石膏制備自流平砂漿提供新技術參考。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

磷石膏為β-型，產地為甘肅金昌翁福集團，主要物理性能指標見表1；水泥為P·O 42.5級，產地為白銀壽鹿山水泥廠，主要物理性能指標見表2。圖1為2種膠凝材料的外觀及粒徑。

圖1 膠凝材料外觀及粒徑分布

表1 磷石膏物理學性能

表2 普通硅酸鹽水泥物理學性能

細骨料采用粒徑為0～0.6 mm砂，產地為甘肅永登；減水劑、可分散乳膠粉、緩凝劑產地為北京柏諾。

1.2 試驗設計

試驗配合比見表3，首先是試驗樣品的制作，將磷石膏、普通硅酸鹽水泥、0～0.6 mm砂、添加劑按配合比混合均勻，然后根據試驗水料比加水攪拌后即可制得。其次主要通過A～F組樣本試驗原材料對石膏基自流平砂漿的物理性能影響，最終確定出滿足規范要求的自流平砂漿配方。

表3 石膏基自流平砂漿試驗配比

1.3 試驗方法

石膏基自流平砂漿的主要物理性能檢測按照JC/T 1023—2021《石膏基自流平砂漿》進行測試，主要測試的物理性能有凝結時間、抗折抗壓強度以及拉伸黏結強度等。

試驗設備主要有全自動抗折抗壓試驗儀、拉伸黏結試驗儀、凝結時間測定儀、流動度測定儀。

2 結果與討論

2.1 磷石膏摻量對石膏基自流平砂漿性能影響

試驗時，將磷石膏與水泥的質量比按9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5進行試驗，試驗結束后對其物理性能進行對比，其中性能影響如表4所示。

表4 磷石膏摻量對石膏基自流平物理性能影響

根據試驗結果A1～A5來看，磷石膏用量從9∶1降低到5∶5時，其中凝結時間由短變長，原因是磷石膏自身凝結時間較短，約為8 min，膠凝材料中磷石膏占比較大勢必影響整體凝結時間，因此凝結時間就會出現由短到長的變化；24 h抗壓強度和絕干抗壓強度從低到高依次增長，這是因為磷石膏硬化體的強度主要由CaSO4·1/2H2O水化生成的CaSO4·1/2H2O晶體搭接交叉而形成的剛性骨架結構提供，當磷石膏替代水泥量較大時，膠凝材料在水化時，磷石膏形成的CaSO4·1/2H2O與CaS04·2H20晶體完全被水泥形成的凝膠狀膜覆蓋，抑制了石膏的繼續水化，導致石膏基自流平在磷石膏用量較多時強度較低。當磷石膏替代水泥量較少時，由于42.5級水泥強度遠高于磷石膏強度，在水化過程中與石膏反應生成的鈣礬石會隨普通硅酸鹽水泥摻量的增加而不斷增加，填充在石膏硬化體的孔隙中，進而降低孔隙率、提升致密度，因此磷石膏用量較少時強度會增大。但是考慮到配方經濟適用性，其中磷石膏用量越大，越占優勢，因為磷石膏屬于固體廢棄物，單價不到水泥單價的50%。綜合以上因素，A3組試驗最為理想，各項物理性能均符合JC/T 1023—2021《石膏基自流平砂漿》要求，也不存在資源的過度浪費。

2.2 砂用量對石膏基自流平砂漿性能影響

砂在自流平材料中主要起骨架支撐作用，加入砂將主要對石膏基自流平砂漿的流動性、抗折抗壓強度產生一定的影響，根據圖2、圖3中B1～B5組配合比試驗，其具體影響如下。

自流平材料中加入一定的細骨料，可以降低砂漿體積變化率，增大耐磨性并且降低成本。從圖2可以看出，當砂用量從10%增大到50%，流動度由184 mm減小到168 mm。這是由于砂子在自身重力作用下流動時受到的摩擦力變大，隨著砂加入量的增大，也需要更多的漿體來包裹骨料以此來滿足砂漿的工作性能，因此砂的加入阻礙了石膏基自流平的流動。但是根據圖3中的強度變化趨勢來看，強度明顯產生了變化，這是由于砂的加入會和膠凝材料形成硬化體結構，同時對成形的材料形成了一定的填充作用，可降低孔隙率，并且可以為材料提供更高的強度。由試驗看出，砂加入后，抗折抗壓強度均在穩步增長，當砂加入量在40%時，即B4組試驗后強度增長較緩。這是由于砂加入量增多以后會使得膠凝材料與砂所形成的界面過渡區變多，強度增長放緩。因此，當砂加入40%后，此時的流動度為170 mm，絕干抗壓強度為22.8 MPa，材料整體性能較為優異。

圖2 B1～B5試驗砂用量從10%增至50%時對應流動度變化情況

圖3 砂用量對應強度變化

2.3 添加劑用量對石膏基自流平砂漿性能影響

添加劑的科學合理使用對石膏基自流平砂漿的物理性能有著重要的影響。其中，減水劑主要起提高后期抗壓強度的作用，可分散乳膠粉主要起增加黏結強度的作用，緩凝劑主要起調節施工性能開放時間的作用。以上添加劑的具體影響情況如下。

石膏基自流平中加入減水劑，可以降低石膏基自流平的用水量，使石膏基自流平砂漿在較低用水量的情況下獲得較大的流動度。減水劑的主要作用機理為自身通過分散、吸附在磷石膏顆粒表面，形成包裹后阻礙材料的用水量，同時也釋放出被磷石膏包裹的H2O，從而提高石膏基自流平的流動度。用水量的減少意味著強度就會增長，因此減水劑在石膏基自流平的強度保證方面起著重要的作用，根據圖4可知，隨著減水劑用量的增大，不管是24 h抗壓強度還是絕干抗壓強度都在增長，當到C4組試驗后，強度開始增長緩慢，考慮到經濟性，即減水劑摻量為0.08%時，24 h抗壓強度為15.8 MPa，絕干抗壓強度為23.8 MPa，性能完全滿足標準要求。

圖4 減水劑對抗壓強度的影響

可分散乳膠粉屬于一種聚合物，是制作時將聚合物乳液經過噴霧干燥處理后得到的一種粉末，與水混合后的性能與原乳液的性能一致，可明顯提高砂漿的工作性和黏結性[3]?？煞稚⑷槟z粉的應用增加了石膏基自流平與基層的黏結強度，石膏基自流平砂漿在實際工程中應用時，為了保證與地面的黏結力，確保成形后不發生空鼓等現象，需用較好的黏結力來保證，因此加入可分散乳膠粉后能明顯提高黏結力。從圖5中得知，隨著膠粉用量的增加，黏結力也隨之增大，這是由于可分散乳膠粉會吸附砂漿中多余游離水，在材料呈絕干狀態后，可分散乳膠粉在磷石膏晶體附近形成連續的膠膜，將磷石膏晶體搭接處包裹連接，以此提升黏結強度。當膠粉用量在D5時，黏結力最優，但從D4開始后黏結力增長較為緩慢，因此當可分散乳膠粉用量為0.09%時，黏結強度為3.4 MPa，性能較好，滿足標準要求。

圖5 可分散乳膠粉對黏結強度的影響

磷石膏自身凝結硬化時間短，往往難以滿足足夠的施工開放時間，因此需要合適的緩凝劑來延長緩凝時間。磷石膏常用的緩凝劑為有機酸及其可溶鹽、堿性磷酸鹽以及大分子蛋白質類[4]，其主要作用機理為降低半水石膏溶解度及減緩溶解速率，吸附在石膏晶核上降低表面勢能，阻礙晶核生長。

根據圖6結果分析發現，隨著緩凝劑用量每組0.01%的增加，初凝時間由E1組的28 min延長至E5組的50 min，終凝時間由E1組的60 min延長至E5組的96 min，這是由于緩凝劑的加入使半水石膏的溶解度及溶解速率有所減緩。但是正常施工時有1 h左右的開放時間即可，這樣既有利于施工，也有利于節約時間，因此緩凝劑用量E3為0.03%時，初凝時間為39 min，終凝時間為82 min，效果最佳。

圖6 緩凝劑對凝結時間的影響

2.4 水料比對石膏基自流平砂漿性能影響

水料比是石膏基自流平在單位質量下與所用水的比值，與混凝土中水灰比相類似，在混凝土中水灰比對混凝土質量有著重要影響，尤其在強度方面。因此，在石膏基自流平砂漿中將水料比也作為研究因素進行研究，其具體影響結果見圖7。

圖7 水料比對30 min稠度損失率以及強度的影響

從圖7可看出，F1～F5試驗的水料比從0.45變化至0.55時，對稠度損失率及24 h抗壓強度以及絕干抗壓強度影響不大，因為在石膏基自流平砂漿中，主要膠凝材料磷石膏在環境中存在三相，即無水相、半水相和二水相，三相根據環境中水的多少及時變化，因此在施工過程中，水料比在一定范圍內波動對石膏基自流平砂漿的性能影響不大。

3 工程應用

在甘肅省建筑施工領域大多數采用傳統自拌砂漿進行墊層鋪設找平，與傳統自拌砂漿相比較，石膏基自流平砂漿有著諸多優勢，具體如表5所示。

表5 2種地面找平材料對比情況

石膏基自流平砂漿同時在保溫、隔熱、隔聲性能上均優于傳統水泥砂漿，而且石膏基自流平砂漿自重輕，能減輕建筑物的自重，從而提高建筑物的抗震能力和安全性。圖8為石膏基自流平進行地面找平時的結構構造圖，圖9為某家裝時用石膏基自流平砂漿進行地面找平。

圖8 石膏基自流平地面找平結構構造

圖9 石膏基自流平砂漿地面找平施工

因此，磷石膏基自流平砂漿作為一種新型綠色環保建筑材料，將改變傳統粗放的生產方式，對改善人居環境、提升工程質量、提高施工效率和固廢利用有極大的促進作用。該產業完全符合建設資源節約型、環境友好型社會的總體要求，未來必將迎來全面發展態勢。

4 結語

1）磷石膏完全可以在自流平砂漿中替代膠凝材料，這在固廢利用領域有著廣闊的發展空間，通過添加劑的作用賦予一定的功能，將會大大提高磷石膏的利用率。

2）磷石膏作為石膏基自流平的膠凝材料，其配方中各個材料的摻量均影響著石膏基自流平的整體物理性能，A～F組試驗結果顯示，當磷石膏與水泥比例為7∶3，砂占比為40%，減水劑、可分散乳膠粉、緩凝劑占比為0.08%、0.09%、0.03%，水料比為0.45時，配比最經濟實惠，性能完全滿足JC/T 1023—2021《石膏基自流平砂漿》要求。

3）在實際工程應用中，石膏基自流平砂漿比傳統水泥砂漿在各個方面均有著諸多優勢，能提升工程質量和施工效率，節約人工和材料成本。