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SCCACOPC复合体系对自流平的影响 张铬1，3，姜伟基1，3，徐迅2，3（1，汕头经济特区龙湖科技有限公司，广东省汕头市，515041；2，西南科技大学材料科学与工程学院，四川省绵阳市，621010；3，西南科技大学-龙湖科技有限公司干混砂浆联合实验室，四川省绵阳市，621010）摘要：本文简要介绍了新型地面材料-聚合物改性水泥基自流平无机胶凝材料系统的硬化原理及性能，在文中叙述了西南科技大学-龙湖科有限公司干混砂浆联合实验室的标准胶凝材料的配比原理，在这个标准配比中，较好的平衡了收缩膨胀问题和缓凝早强问题。关键词：干粉砂浆 水泥基自流平 SCCACOPC三元系统 SO3-CaO-Al2O3三元系统 钙矾石 Abstract：The paper introduced the harden mechanism and performance of new type ground materials of polymer modified self flowing level cement-based materials.In this paper,proportion principium of dry mixed mortar united laboratory was recommended.By using this standard formulation,it can settle down the contradiction which is between shrinkage and expansion,between delayed setting time and advanced initial strength.Key Words:Dry mixed mortar;Self flowing level cement-based materials;SCCACOPC ternary system;SO3-CaO-Al2O3 ternary system;AFt 1 引言 自流平地面材料是 20 世纪 70 年代发展起来，以无机胶凝材料或者有机材料为基材，与超塑化剂等外加剂及细砂等混合而成的建筑地面找平材料。使用时只需按规定的水灰比加水拌和均匀，机械泵送或人工施工后，无需人工抹平，靠浆体在自重作用下流动形成平整表面3。随着现代工业技术和生产的发展，低弹性模量的薄饰面材料（如 PVC 地板，橡胶地板卷材、木地板等）越来越广泛的应用，以往地面施工的质量要求已达不到这些对地面要求非常严格的饰面材料的要求，且地面自流平具有良好的耐久性、高精度的平整性和合理的吸水性，可很好的解决传统木地板龙骨结构的不耐久、不吸潮等问题。当其用于室内地毯饰面的垫层时，也可很好的满足平整度和吸湿性的要求。地面自流平便在这种情况下应运而生了，目前水泥基自流平是世界公认的解决地面问题独一无二的有效方法，且这项技术在德国已推广应用多年，许多年以来已经为人们所熟知，并且全部是聚合物改性预包装干拌砂浆。同时，随着对工程质量的不断提高，施工效率与施工费用的控制越趋严格，专业饰面材料-地面自流平的市场将不断扩充，自流平产品的前景将越来越广阔1。水泥基自流平材料的好坏主要取决于是否很好的平衡了以下三个矛盾 1、收缩与膨胀之间的矛盾 2、流动度与离析之间的矛盾 3、缓凝与早强之间的矛盾 其中，流动度与离析之间的矛盾主要受砂子级配、加水量、稳定剂以及超塑化剂等几个因素的影响。其它两个矛盾则与胶凝材料的配合比有非常紧密的联系，甚至流动度与离析之间的矛盾也与胶凝材料的配比及掺量变化息息相关。因此，无机胶凝材料的配比是我们做自流平应当首要考虑的问题。2 实验原材料及实验方法 2.1 实验原材料 水泥：普通硅酸盐水泥 P.O42.5R，拉法基 高铝水泥：拉法基 FONDU，汕头经济特区龙湖科技有限公司 石膏：四川省新晶天津建材厂 石英砂：四川省绵阳市龙门石英砂厂 重钙：四川省仁寿兴大工贸有限公司 高效减水剂：巴斯夫 1641，汕头经济特区龙湖科技有限公司 可再分散胶粉：VINNAPAS5011L,汕头经济特区龙湖科技有限公司 纤维素醚：Tylose H300P2，汕头经济特区龙湖科技有限公司 消泡剂：Agitan P803,汕头经济特区龙湖科技有限公司 缓凝剂：酒石酸，汕头经济特区龙湖科技有限公司 早强剂：碳酸锂，汕头经济特区龙湖科技有限公司 2.2 实验方法 2.2.1 阻碍收缩测试 仪器：准备测试单元一个硅树脂橡胶模具，内在尺寸 100 mm x 50 mm 高 20 mm(或少一点)注意：收缩率与测试样品的厚度有关。一个带洞的钢铁条尺寸为钢铁条刚好放到模具里。-洞的尺寸=8 mm(大约)-洞之间的距离=4 mm -钢铁条的厚度=0.5 mm 过程：将钢铁条放到硅树脂橡胶模具的狭槽中(将模具水平放置)。将砂浆填充到模具中，一旦钢铁条可以拿动，将它与粘结的砂浆移出模具。测试集合体的弯曲率以在接下来的4周时间里测试凝结的在时间间隔测定集合体的收缩率。将集合体放到两个平行的盘子之间测定它们之间的距离。同样也要测量集合体的厚度。特别地我们建议当测量自流平砂浆的收缩率时，在标准条件下测量收缩率后，将集合体放到水中，测量涨水情况。假设钢铁条正好 100mm，收缩率或伸展率通过以下公式计算：收缩率(mm/m)=d x h 125 2.2.2 力学性能测定 2.2.2.1 抗压、抗折强度 按照GB/T 17671-1999 水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）成型，无需振动，成型 24 h 后脱模,标准试验条件养护（232，RH5010%）1d 和 28d 后测试其抗压抗折强度7。2.2.2.2 拉伸粘结强度 按照JC/T 985-2005 地面用水泥基自流平砂浆测定其拉伸粘结强度4。3 水泥基自流平无机胶凝材料的主要性能分析 3.1 石膏 3.1.1 石膏的种类 我国的石膏资源极其丰富，分布很广。自然界存在的天然二水石膏(CaSO42H2O，又称软石膏或生石膏)、天然无水石膏(CaSO4，又称硬石膏)和各种工业副产品或废料化学石膏。石膏胶凝材料的生产，通常是用天然二水石膏经破碎、低温煅烧、磨细而成。在自流平中经常使用到的有半水石膏和不溶性硬石膏。3.1.2 石膏作用及掺量的决定 在复合胶凝材料体系中，掺加适量的石膏不仅可调节凝结时间，同时还能提高早期强度，降低干缩变形，改善耐蚀性、抗冻性、渗性等一系列性能。C Ca aS SOO4 4 2 2H H2 2OO 二二水水石石膏膏 加加热热、脱脱水水 1 10 07 7 1 17 70 0 C Ca aS SOO4 4 1 1/2 2H H2 2OO （半半水水石石膏膏）建建筑筑石石膏膏 0 0.1 13 3MMP Pa a蒸蒸压压锅锅 1 12 25 5 加加热热、脱脱水水 1 17 70 0 3 36 60 0 4 40 00 0 7 75 50 0 8 80 00 0 C Ca aS SOO4 4 1 1/2 2H H2 2OO （半半水水石石膏膏）高高强强石石膏膏 C Ca aS SOO4 4 可可溶溶性性硬硬石石膏膏 C Ca aS SOO4 4 不不溶溶性性硬硬石石膏膏 C Ca aS SOO4 4 高高温温煅煅烧烧石石膏膏 d h 首先，石膏为 C3A、C4AF、CA、C12A7、CA2等的水化提供了 SO42-和 Ca2+，这就使的复合胶凝材料体系可以在水化早期（初凝之前）和终凝之后形成一定量的钙矾石，并达到补偿收缩的目的。因此，在这个体系中石膏的溶解度就显的尤为重要了，因为 SO42-和 Ca2+在水泥水化的溶液中的某一时刻的多少与它的溶解速度及浓度直接相关。因为水泥的水化反应较为复杂，影响石膏作用的因素甚多，适宜的石膏掺量就难以按照化学计量进行精确计算。实验表明，石膏的掺入量并不与膨胀收缩成正比，其不同原料的掺入量应按其基本原理进行实验，后文中给出了龙湖科技的标准配比。3.1.3 石膏溶解度 硬石膏在常温下的溶解度虽然比二水石膏的大，但溶解速度很慢。因此其加入量以 SO3计，一般应比二水石膏适当增加。有些工厂将无水石膏和半水石膏混合使用，使半水石膏提供最初反应所需的硫酸盐，效果较好。要注意的是，当石膏掺量增加过多时，会在后期继续形成钙矾石，产生膨胀应力，从而使浆体强度削弱，发展严重的还会造成安定性不良的后果，所以必须通过系统试验，才能确定掺量2。3.2 铝酸盐水泥与硅酸盐水泥 3.2.1 铝酸盐水泥与硅酸盐水泥化学成份5 表 1 铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的化学成分（%）Al2O3 CaO SiO2 Fe2O3 MgO TiO2 K2O+Na2O SO3 CAC 37.5-41.5 36.5-39.5 2.5-5.0 14.0-18.0 1.5 4 0.5 0.5 OPC 4.0-8.0 61.0-69.0 18.0-24.0 1.0-4.0 0.5-4.0 0.2-0.9 0.4-2.2 2.0-3.5 3.2.2 铝酸盐水泥与硅酸盐水泥混合后的凝结时间和强度 单从铝酸盐水泥来看，CA（铝酸钙）是快硬不快凝的矿物，不会引起快凝，硬石膏的溶解速度较小，使水化初期形成的钙矾石不会过多，以发挥小时强度为主，但硬石膏的溶解度比二水石膏略大，有利于水泥石的密实度，提高后期强度。因此，水泥水化时，有微膨胀的钙矾石，加上水化氧化铝凝胶的充填、密实，两者相辅相成，使水泥具有快硬、高强，有较好的抗渗、抗冻、耐蚀、耐磨性能以及水泥石结构致密等特点。从铝酸盐水泥和硅酸盐水泥混合角度看，不经过试验，铝酸盐水泥不应随便与石灰或硅酸盐水泥等水化后产生氢氧化钙的胶凝材料掺合使用，否则会发生凝结不正常和强度下降。这主要是由于 Ca(OH)2与低碱性水化铝酸钙发生反应，立即形成立方形水化铝酸三钙（C3AH6）所致。图 1、图 2 为高铝水泥和硅酸盐水泥掺合后的凝结时间和强度6。不同配比的OPC和CAC的凝结时间0501001502002503003500102030405060708090100%OPC凝结时间（mins）100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0%CAC 图图 1 OPC 与与 CAC 不同配比时的凝结时间不同配比时的凝结时间 不同配比的OPC和CAC的强度发展趋势010203040506070800102030405060708090100%OPC抗压强度（N/mm2）100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0%CAC 图图 2 OPC 与与 CAC 不同配比时的强度不同配比时的强度 3.3 硅酸盐水泥-铝酸盐水泥-石膏三元系统的性能分析 从铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、石膏三元系统来看，当三者比例适当时，可以制得早期强度相近、28 天强度接近或超过纯铝酸盐水泥的复合系统。它也称为钙钒石系统，其特点为：钙钒石形成速度快，钙钒石可以结合大量的水，钙钒石的形成可以补偿收缩。其中石膏掺量较高，以 SO3计达 10-15%，故凝结和强度性能比硅酸盐水泥与铝酸盐水泥的混合物有很大的不同。而且在高温、高湿条件下，复合水泥的强度不倒缩并能继续增长，因而其长期强度是稳定的。数值见下表。表 2 SCCACOPC三元系统的强度 抗压强度（Mpa）抗折强度（Mpa）种类 1 天 3 天 7 天 28 天 6 月 1 天 3 天 7 天 28 天 6 月 铝酸盐水泥 41.2 56.1 61.8 83.5 83.5 5.7 6.2 7.3 7.8 7.8 硅酸盐水泥 14.1 32.1 44.9 56.5 71.2 3.4 6.3 8.3 9.8 11.0 复合系统 55.6 64.2 66.9 80.8 85.7 10.1 11.1 11.1 11.4 11.9 铝酸盐水泥-硅酸盐水泥-石膏系统高温、高湿养护前后强度的变化 抗压强度（Mpa）抗折强度（Mpa）变化率（%）种类 20 7天 20 14天 20 7 天 20 14 天 抗压 抗折 铝酸盐水泥 61.8 43.1 7.3 6.7-30-8 硅酸盐水泥 44.9 57.9 8.3 9.9+29+19 复合系统 73.7 88.9 7.8 11.0+21+41 复合水泥的主要水化产物是钙矾石、水化氧化铝凝胶、C-S-H 凝胶和少量低硫型水化硫铝酸钙，不含亚稳态的低碱性水化铝酸钙。因此，其长期强度是稳定，可快速硬化干燥，并避免收缩或膨胀过量。此三种成分的最优组合是水泥自流平的关键所在。在三元系统SCCACOPC 标出了龙湖科技的水泥基自流平系统中无机胶凝材料的标准配比。在这个配方中较好的控制了钙矾石在体系中的形成的时间与数量，平衡了无机胶凝材料在凝结硬化时产生的化学收缩、碳化收缩和干燥收缩。图图 3 SCCACOPC三元系统图三元系统图 同时为了更精确的掌握自流平中胶凝材料的配比，我们也在三元系统SO3-CaO-Al2O3中标出了龙湖科技的水泥基自流平系统中无机胶凝材料的标准配比。在这个系统中，我们能更清楚的看到水化体系中主要氧化物的含量。这时也同样平衡了无机胶凝材料在凝结硬化时产生的化学收缩、碳化收缩和干燥收缩。图图 4 SCCACOPC三元系统图三元系统图 参考文献 1王新民，薛国龙，何俊高.干粉砂浆百问M.北京：中国建筑工业出版社，2006 2沈威，黄文熙，闵盘荣.水泥工艺学.武汉工业大学出版社，1991（八），4；8-207.3王新民，李颂.新型建筑干拌砂浆指南M.北京：中国建筑工业出版社,2004 4 JC/T 985-2005 地面用水泥基自流平砂浆S.5 Kiril Doskov,Thomas A.Bier,Christopher Whrmeyer.Formulating Dry-Mix Mortars with Calcium Aluminates Cements；2007.6 Th.A.Bier,Ch.Parr;“Admixtures with calcium alurninate cements and CAC based castables”,28th Annual S.A.Ceramic Society Symposium,Johannesburg,Republic of South Africa;1996.7 GB/T 17671-1999 水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）S