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石膏基自流平砂浆发展与技术进展
发布时间:2018.11.21 09:05  浏览次数:  作者:朱海霞



摘要本文主要介绍了石膏基自流平砂浆的起源及国内外的市场发展,。简单阐述了石膏基自流平的优点及其在地暖系统中的应用,分析了石膏基自流平在室内装修中的市场前景.,介绍了三种典型石膏自流平的研究进展并对比分析了国内外石膏基自流平砂浆标准之间的差异性。

关键词自流平砂浆;石膏基;地暖

Thetechnological progress of gypsum-based self-leveling mortar

ZhuHaixia

(MACOGroup Corporation, Beijing, 100076, China)

Abstract: Thispaper mainly introduces the origin of gypsum-based self-leveling mortar, thedomestic and international market development, and simply explains theadvantages and application of radiant floor heating system. We analyze the marketprospects in interior decoration of gypsum-based self-leveling, and introducethe research progress of three typical gypsum-based self-leveling mortars. Andfinally we compare the difference between standard at home and abroad.

Keywords:self-leveling mortar; gypsum based; radiant floor heating

0前言

自流平石膏是自流平地面找平石膏的简称,又称为石膏基自流平砂浆,是由石膏材料、特种骨料及各种建筑化学添加剂在工厂精心配置、混合均匀而制得的一种专门用于地面找平的干粉砂浆。上世纪60年代起源于欧洲国家,80年代我国开始研制石膏基自流平[1]

1石膏基自流平起源及国内外发展概况

1.1石膏基自流平起源

早在上个世纪60年代,为了解决地暖系统中水泥混凝土对铜管的腐蚀现象,欧洲国家开始采用石膏基地坪材料与聚乙烯管。经过20多年的完善与发展,到20世纪80年代欧美的地暖技术已经非常成熟,80年代后期石膏企业已经开始制定了为地暖应用的石膏基自流平砂浆的规范。

1.2国外石膏基自流平发展

日本由于劳动力紧张和费用高,对自流平地坪材料开发较早,日本住宅公团在1972年首先对石膏基、水泥基自流平材料做了基础研究,随后出现商品石膏基自流平材料。1979年,日本已有十多种品牌的石膏基自流平材料[2]

20世纪80年代以来,美国、法国、德国、意大利、瑞典、芬兰等发达国家就开始进行自流平砂浆的研究。例如德国的帕依爱罗公司用II型无水石膏、奇罗尼公司用α半水石膏都生产出强度为20~30MPa、铺设厚度为10mm的石膏基自流平材料。美国的石膏水泥公司则采用α、β-石膏混合物,在现场加入骨料后泵送的石膏基自流平地坪材料也得到广泛应用。[2]

在德国,仅2001年就生产了近1亿m2的地面砂浆,其中干混石膏基地坪砂浆占16.4%,现场拌制石膏基地坪砂浆占6.6%。从2001年欧洲脱硫石膏的应用领域来看,15%的脱硫石膏用在了石膏基自流平砂浆中。不难看出,在欧洲市场,石膏基自流平砂浆占据了地面砂浆的很大一部分份额。

1.3国内石膏基自流平发展

我国石膏基自流平砂浆研究起步较晚,大约起始于20世纪80年代末、九十年代初[5]1986年研制成功以氟石膏废渣为胶凝材料的石膏基自流平材料,但是由于石膏的耐水性较差,且呈中性或酸性,对铁件有锈蚀的危险[6],生产应用的较少,近年有些单位也有石膏基自流平砂浆产品,但大多厂家采用建筑石膏来配制,并靠增加化学添加剂的掺量确保达到相应性能要求,而添加剂费用约占自流平石膏生产成本的三分之二,致使石膏基自流平应用成本高于水泥砂浆,推广应用受阻,发展缓慢。应用技术和施工机具上与国外尚有一定的差距。

2005年,武汉理工大学的杨新亚等人已经开始研究硬石膏基地面自流平材料[7]。随着国内石膏基自流平产品的逐渐成熟,2007年,我国制定并实施了相应产品标准JC/T1023-2007《石膏基自流平砂浆》。

2石膏基自流平的优点及在地暖中的应用

2.1石膏基自流平的优点

石膏基自流平砂浆的主要胶凝材料是石膏,并且具有自动流平的性能,因此具有以下优点:

(1) 采用石膏基自流平施工的地面,尺寸准确,水平度极高,不空鼓、不开裂;作业时轻松方便,效率高;并且可以采用泵送施工,日铺地面可达800~1000㎡,比传统的地面材料施工速度要快5~10倍。

(2)用做“地暖”找平覆盖层(地暖与其他采暖方式相比,节能幅度约为20%,如采用分区温控装置,节能幅度可高达40%),不会像水泥砂浆层那样,因热胀冷缩产生开裂、起鼓等现象。[4]

(3)石膏基自流平硬化后的地板有一定弹性,脚感温暖舒适;并且具有一定的隔音效果。

(4)保温性能好,有利于建筑节能,与地暖配套使用时,与其他采暖方式相比,节能幅度约为20%,如果采用分区控温装置,节能幅度可高达40%

(5)石膏基自流平和水泥砂浆用于建筑物地面的找平层时,两者连工带料的最终成本相近。如若用石膏自流平替代水泥砂浆,由此减少水泥的用量在整个水泥产量中比例很小,不足百分之一;基本上不会影响水泥生产企业的利益。因此,在我国建材市场推广应用自流平石膏的阻力小,前景大。

2.2石膏基自流平与水泥砂浆的性能对比

2.2.1一般性能对比

石膏基自流平与水泥砂浆的一般性能对比见表 1

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2.2.2收缩率

1可以看出,两种砂浆的性能指标十分相近,为了保证相应的流动度,与普通砂浆相比,通常自流平砂浆的需水量要高很多。在自流平砂浆中,这些多余的水份将蒸发到空气中去,如果这一过程发生过快的话,就会引起十分明显的砂浆收缩,进而导致在砂浆中出现裂缝。但在石膏基自流平砂浆中不会出现这种情况,如图 1所示:

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 1中,水泥基自流平砂浆的收缩率远远高于石膏基自流平砂浆,到28天,水泥基自流平砂浆的收缩率约为1.17mm/m。随着时间的延续,水泥基自流平砂浆的收缩率在3个月后达到约1.3mm/m,但石膏基自流平砂浆仍保持在0.19mm/m左右,也就是说,在水泥基自流平砂浆中由于过高的收缩率极有可能导致自流平砂浆裂缝,因此在实际施工过程中应对水泥基自流平砂浆采取必要的养护处理措施以保证工程质量。

2.2.3石膏基自流平的热力学性能

由于石膏基自流平最初在欧洲是配合地暖系统产生的地面材料,下面我们从热力学上检验一下石膏自流平的稳定性。为了模拟在地暖系统中的应用,将自流平石膏置于50℃的热环境中来检测其强度及热力学性能的变化。所有试块(40×40×160mm)首先在标准条件(温度20℃,相对湿度65%)下养护7天,然后直接置于烘箱中,在50℃的条件下分别放置7天、28天和194天之后进行检测。检测结果见表 2

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从上表的结果来看,自流平石膏在50℃的条件下,热力学性能基本保持稳定,如28天和194天收缩值及抗折、抗压强度几乎保持一致。

2.2.4石膏基自流平砂浆在地暖系统的应用

基于以上热力学性能的检测,石膏基自流平是非常适合与地暖系统的。

1909[7]英国人利用混凝土和石膏管道制作了辐射采暖系统,并申请了专利,成为最早的地暖产品。上世纪30年代地暖技术已经在发达国家开始使用,中国在50年代已将该技术应用于人民大会堂和华侨饭店等工程中。

我国传统的地暖的填充层多采用豆石混凝土现场搅拌进行施工,如果采用石膏基自流平进行填充,可以使施工质量的到很大的提高,豆石混凝土地暖与石膏基自流平地暖的对比见3

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石膏基自流平砂浆与高柔性粘结砂浆组成地暖系统,可以彻底解决目前国内地暖系统中水泥砂浆的开裂、导热率偏低、易损坏热水管道等问题。它以整个地面作为散热面,均匀地向室内辐射热量,相对于其他采暖方式(空调、暖气片、壁炉等)具有热感舒适、热量均衡稳定、节能、免维修等特点,是营造舒适居住环境的最佳供暖方式。另外,作为地暖系统,石膏材料本身的多孔性,可以起到隔音保温的作用。石膏基自流平密度低,可以降低建筑物承载重量,是绿色环保的节能型产品。

2.2.5市场应用前景分析

自流平石膏作为地面找平层,具有其他材料无法比拟的优点,因此它的市场前景广阔。根据国家统计局的数据,我国2014年住宅房屋竣工面积8.08亿平方米,假设北方住宅面积占50%的话,其中若60%的地面采用石膏基自流平,每平方米约需20度公斤,每年就有500多万吨的市场需求量。自流平石膏是在我国建材市场上,所有石膏产品中,唯一一个没有大规模产业化生产的产品。自流平石膏作为替代水泥、减少我国碳排放的重要产品,与政府已出台政策推广的“石膏干粉砂浆”相比,同样具有节能减排的社会效益和经济效益。

3石膏基自流平种类

根据石膏种类的不同,石膏基自流平的胶凝材料主要采用α半水高强石膏、建筑石膏以及硬石膏。

3.1α-高强石膏基自流平砂浆

石膏基自流平材料的强度相对于水泥基自流平材料低,耐水性较差,主要以“底层自流平材料”的形式用于室内。

采用α-高强石膏作为自流平材料的基材,可显著提高材料强度,姜洪义等[9]用天然石膏制得2h抗压强度超过14MPa的高强石膏。目前工业副产石膏采用丁二酸、马来酸酐和丁二酸钠等制备α-高强石膏的技术日益成熟,而将高强石膏用于自流平材料如今已普遍成熟,主要还是归功于高强石膏优异的力学性能。彭明强等[10]2h抗压强度和抗折强度分别为35.1MPa6MPa的高强石膏为胶凝材料,在缓凝剂、保水剂等作用下制备出性能优异的石膏自流平砂浆。

3.2建筑石膏自流平砂浆

石膏特有保温隔热性、吸声性能、防火性能,且具有赋形性优良,装饰美观等优点,从而越来越受到建筑行业的青睐。然而建筑石膏自流平砂浆的缺陷往往使其应用受到限制,尤其是受杂质影响的工业副产石膏,需通过掺入减水剂、水泥等提高石膏自流平材料的抗压强度和抗折强度。[11]

蔡剑育等[12]2%水泥作用下掺入聚羧酸醚减水剂,发现减水率从19.4%增长到41.9%,石膏强度大幅度提高。减水剂可在不降低石膏浆体流动性的同时减少拌合用水量,提高石膏硬化体的结构密实度和力学性能。随着石膏专用减水剂快速发展,促进了建筑石膏自流平材料的推广及应用。影响减水剂效果的主要因素为晶体表面吸附,萘系和三聚氰胺系减水剂在β-半水石膏表面的吸附属于物理吸附,而聚羧酸系减水剂属于化学吸附。然后由于不同种类的工业副产石膏的杂质影响,减水剂使用效果不同,必须加大力度开发和研究石膏专用减水剂。

3.3硬石膏自流平砂浆

硬石膏主要来源于天然石膏、氟石膏和高温煅烧二水石膏,硬石膏水化活性差和硬化体强度低,必须通过粉磨[13]、热处理[14][15][16]和添加激发剂改性[17][18]前一般采用激发剂改变CaSO4溶解度或溶解速度,加快CaSO4·0.5H2O的生成速率,增加硬石膏水化硬化能力和缩短凝结时间。激发剂主要包括:各种硫酸盐(K2SO4Na2SO4Al2SO43FeSO4CuSO4、明矾等)、碱性激发剂(水泥、石灰等)和其他盐类激发剂(K2Cr2O4KNa2Cr2O4[11]

硬石膏活性与激发剂种类、分散度和自身的表面缺陷等有关[18]。王丽[20]等利用复合激发剂、减水剂、保水剂、掺合料、骨料、纤维和减缩剂等制备了硬石膏自流平砂浆,其抗压强度和抗折强度分别达到16.7MPa7.3MPa,粘结强度达0.57MPa,收缩率为0.045%,性能符合日本住宅公团标准要求。

4石膏基自流平国内外检测标准比较

2007年我国颁布并实施了JC/T1023-2007《石膏基自流平砂浆》的行业标准,国内标准与欧洲标准由于检测方法和养护条件都不相同,因此各自的技术指标也不尽相同。下面我们从定义、技术指标、养护方法等方面,将该标准与2004年的欧洲标准BS-EN-13454-12004BS-EN-13454-2:2004进行了比较。

4.1定义和分类的区别

表 4所示,国内标准中的石膏基自流平是以半水石膏为主要胶凝材料,而欧洲标准不仅限于一种石膏,包括了含有添加剂的石膏胶结料。在欧洲,石膏基自流平的胶凝材料多采用硬石膏,如Henkel(汉高)AS1 rapid快速修补型硬石膏基自流平、AS2纤维硬石膏基自流平;UZIN(优成)NC110硬石膏基自流平等。Anhydritec公司是欧洲石膏自流平企业第一大硬石膏供应商,年产量70万吨,产品销售全球15个国家。可见,硬石膏在欧洲国家是一个主要的石膏胶凝材料。而我国的石膏自流平一般以半水石膏为主,这种现象除了原材料不稳定以及技术原因外,也与国内标准中对石膏基自流平定义的指引有一定关系。实际上,由于半水石膏质量波动性大,是不利于石膏自流平产品的配方设计及生产的。

我们建议下一步标准修编时,将硬石膏自流平也纳入到标准范围内。另外,欧洲硬石膏一般是经过人工煅烧的原材料,国内煅烧硬石膏还相对较少。将硬石膏自流平纳入标准也有利于国内石膏生产厂家改进工艺,给企业提供更好的煅烧硬石膏原材料,进一步稳定硬石膏自流平的产品质量。

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4.2初始流动度及流动度损失的区别

从表5、表 6来看,国内流动度测试采用的是水泥基自流平测试用流动度环,欧洲标准采用的是跳桌用的大环,因此在指标上也不一样

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国内标准中流动度损失的标准要求是<3mm,该指标较为苛刻,且在实际应用中意义不大;而且由于石膏基自流平应用在地暖系统中,施工厚度较厚,因此我们认为采用欧洲标准中的大环进行测试与实际应用更贴近。

4.3收缩性指标及检测方法区别

从表7、表 8来看,国内标准采用的是水泥基自流平收缩的模具,养护条件按照砂浆的标准养护1天的绝干收缩,而欧洲标准中试块的模具不同,养护条件按照高湿养护1天后脱模标准条件养护到各龄期进行测试。

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根据石膏基自流平的应用领域,特别是在地暖体系中应用时的施工厚度一般较厚,用绝干的养护条件进行养护不太符合实际的干燥过程,欧洲标准的高湿养护与实际情况更相符。

4.4强度指标的区别

从表 9中国内标准对石膏基自流平的抗折抗压强度没有进行分级处理,而且最终强度都是绝干状态的强度。编制该标准时,由于我国石膏粉体建筑材料标准中没有强度等级之分,且国内石膏基自流平砂浆的产量及用量尚属起步阶段,又因石膏基自流平砂浆使用范围的限定,它有别于水泥基自流平材料,因此在本标准中的强度指标不分等级。欧洲标准中对石膏基自流平的抗折抗压强度类似水泥基自流平一样进行了分级。并且如

 10中所列的养护方法,欧洲标准中没有进行绝干养护,而是在标准条件下进行各龄期的养护。

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石膏基自流平早期高湿养护对试验结果有何影响,还需要进一步探讨。实际上,根据我们在实际工作中发现,石膏自流平砂浆在后期仍在进行水化硬化,强度仍在增长,直接烘干进行全失水状态下的强度测试还不够准确。接下来引用了一些实验数据证明以上的想法。

4.5实验室数据验证

国内标准中对石膏基自流平的胶凝材料限制在半水高强石膏,而在实际中还会有无水石膏基的自流平材料。在我们日常的试验中也发现,石膏基自流平由于多种添加剂的掺入,和纯石膏制品的性能有了很大的区别,在绝干状态下进行养护后如果继续在常温标态下养护,强度还会继续增长,如 2所示。因此我们建议在该行业标准修编的时候,收集各种石膏基产品进行不同养护制度的试验对比,得出最终的强度结果更为科学。

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5结论


(1)石膏基自流平从强度稳定性、热稳定性上都优于传统水泥砂浆,是地暖系统的优选材料。

(2)国内行业标准和国外石膏基自流平标准中,技术指标、检测方法、养护条件均有很大的差异,而且我们通过试验证明,半水石膏基自流平在绝干条件下测试的强度不是最终的强度。建议该行业标准在修编时考虑养护条件的影响。同时为了石膏基自流平产品与国际接轨,检测标准尽可能与欧洲标准一致。




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