自流平地面材料的发展和应用

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一、前言
自流平地面材料(Self-leveling materials of floor，简称SL)是上世纪八十年国内外逐步发展起来的新型地面材料，它具有流动性大、易于施工、速度快、省时、流平层厚度薄、地面平整度高、强度大等优点，可有效的解决传统地面材料抹灰所造成的平整度差、地面起砂等现象，并适用于地面的修补和装修工程等，是大型超市、商场、停车场、工厂车间、仓库等地面铺筑的理想材料，也是现代建筑地面施工的一个发展方向，市场潜力大。

二、自流平地面材料的研究与现状
自流平地面材料是一种以有机或无机胶凝材料为基材，加入各种助剂改性的用于地面自找平的新型地面材料。自流平地面就是利用流动性极好的自流平地面材料，施工在地基上自动形成水平面一致的、具有所需功能的平整地面。

日本开发自流平地面材料较早，在1972年～1973年首先由日本住宅公团对石膏系、水泥系自流平地面材料作了基础研究，1976年对采用α－半水石膏为基材的石膏系自流平地面材料进行了施工试验，1977年已有商品出售。石膏系自流平地面材料由于石膏的耐水性较差，呈中性或酸性，对铁件有锈蚀的危险，因而使用范围受到限制。于是，水泥系自流平地面材料的研究在国际上引起重视。日本在1982年开始出现水泥系自流平地面材料，其它发达国家也相继推出了各种品牌的水泥系自流平地面材料。近年来，由于高洁净度、高耐腐蚀的工业地面的要求，出现了有机高分子系自流平地面材料（1）。

迄今，自流平地面材料按主基材不同可分成石膏系自流平地面材料、水泥系自流平地面材料和有机高分子系自流平地面材料三大类。鉴于石膏系自流平地面材料存在着很多难以解决的弊病，上世纪八十年代中期以来发达国家已逐步转向研制水泥系自流平地面材料及有机高分子自流平地面材料，并出现了大量的专利技术和产品（2）。以下即对石膏系自流平地面材料、水泥系自流平地面材料和有机高分子自流平地面材料等三大类自流平地面材料的化学组成、技术性能、施工方法及研究应用现状等作进一步介绍。
1、石膏系自流平地面材料
石膏系自流平地面材料是最早出现并应用（1972～1973年日本）的自流平地面材料。石膏系自流平地面材料一般由基材、骨料、混合材及助剂等成分组成。较为常用的主要有以下成分；
（1） 基材：α－半水石膏、Ⅱ型无水石膏等；
（2） 骨料：石英砂、河砂、海砂、矿渣砂等；
（3） 混合材：粉煤灰、矿渣粉等；
此外，还有减水剂（木质磺酸盐、烷基芳基磺酸盐等）、增稠剂（纤维素、聚丙烯酸盐、天然橡胶等）、缓凝剂（胺酸类、磷酸盐、蛋白质分解物等）、凝结膨胀减水剂（硫酸盐、罗谢尔盐等）、PH值调节剂（水泥、熟石灰等）、消泡剂（有机硅油、非离子界面活性剂等）、表面硬化剂（尿醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂等）等助剂，必要时还可掺加憎水剂、颜料等。
石膏系自流平地面材料具有高流动性、初凝时间长、终凝时间适当，早期及后期强度较高、与基底粘结力高等特点。但是，石膏系自流平地面材料由于石膏的耐水性差，呈中性或酸性，对铁件有锈蚀的危险，因而使得其应用受到限制。此外，石膏系自流平地面材料相对成本较高也是阻碍其推广的因素之一。目前石膏系自流平地面材料的研究重点在于解决或提高石膏系自流平地面材料的耐水性及耐磨性，降低成本，提高强度。
我国冶金部一冶技术开发公司，在国内首先研制出以氟石膏废渣为基材的F自流平地面材料、地面自流平灰粉，并于1986年12月在武汉通过部级技术鉴定。之后，冶金部建筑研究总院、北京市建材科研所、北京市建工研究所等单位，对不同基材的石膏系自流平地面材料进行了研究。但到目前为止，石膏系自流平地面材料未能大量推向市场，其推广应用范围较小（3）。

2、水泥系自流平地面材料
水泥系自流平地面材料是在自密实混凝土（Selfcompacting Concrete – SCC）的基础上逐步发展起来并产品化的。SCC材料于上世纪九十年代末在日本最先发展，并应用于建筑地面施工。以水泥为基材的自流平材料，按其组成和拌和方式分为；单组分水泥系自流平地面材料和双组分水泥系自流平地面材料两种。单组分水泥系自流平地面材料，是在现场直接按比例加水拌和成浆体浇注；双组分水泥系自流平地面材料，是将水泥为基材的粉末组分与聚合物乳液按一定比例拌和成浆体浇注。单组分水泥系自流平地面材料比较适宜于作混凝土或砂浆基层的找平层，施工简单，运输方便，但缺乏弹性。双组分水泥系自流平地面材料不仅可以作基层的找平层，而且配上颜色可作彩色面层，弹性较好，但造价较高，且使用及运输不太方便。目前，国内外主要使用单组分水泥系自流平地面材料。
水泥系自流平地面材料是直接从SCC材料的基础上演化而来的，其关键在于在低水灰比条件下，提高材料的流变性能；在大流动性前提下，要求其具有良好的粘聚性，防止泌水、离析，解决变形能力与抗离析能力的矛盾。新拌混凝土（或砂浆）是一种粘塑性体，其流变学方程为：
τ＝τ0＋ηdv/dt
式中，τ0为屈服应力，η为粘度系数。根据流变学原理，屈服应力τ0是阻碍塑性变形的最大应力，是由材料之间的附着力和摩擦力引起的；它决定了拌合物的变形性能，而粘度系数η则决定了拌合物的流动性能。因此，无机类自流平地面材料配制的关键就是通过外加剂、胶结材料、骨料的选择和配合比设计使混凝土（砂浆）拌合物的屈服剪应力尽可能小，同时又具有一定的塑性粘度，令骨料悬浮于浆体中（4）。
故而，水泥基自流平地面材料配制所采用的主要技术路线一般是采取复合高效的外加剂以降低水胶比，提高流动性，保持适当的粘度系数，使拌合物具有自密实、自流平性能并具有抵抗离析所需的粘性；同时掺入粉煤灰、硅灰等活性矿物掺合料，改善胶凝材料的颗粒级配，利用掺合料颗粒形貌效应提高拌合物的变形性能、抗离析及保水性能，同时提高耐久性能；在优化各组分的配合比的基础上配制单组分水泥系自流平地面材料。在单组分水泥系自流平地面材料的基础上，加入聚合物乳液水溶液等有机高分子改性助剂即可得到双组分水泥系自流平地面材料。
综观各国的水泥系自流平地面材料配方虽各不相同，但主要由以下成分组成：
（1） 基材：硅酸盐水泥、硅酸盐早强水泥、超快硬水泥等；
（2） 骨料：石英砂、河砂、海砂、矿渣砂等，砂的形状以近似于球形为佳；
（3） 混合材：粉煤灰、矿渣粉等；
此外，与石膏系自流平地面材料一样还包括保水剂、减水剂、膨胀剂、促硬剂、消泡剂等助剂，必要时还可掺加防水剂、颜料等。
双组分水泥系自流平地面材料除上述成分外，另一组分为聚合物乳液水溶液，主要成分为：分散介质（水）、乳液（聚醋酸乙烯类、丙烯酸类、聚乙烯醇类、乙烯－醋酸－乙烯共聚物类等）、增稠剂（纤维素类、无机矿物、AF01等）、乳液助剂、分散剂、防霉剂等。
与发达国家相比，我国研究自流平地面材料起步较晚，发展速度及普及推广也较慢。其原因：一是这种材料目前还不太适合国情，国外水泥系自流平地面材料主要用作地面自找平层，面层再铺设地面砖等。国内用户为降低成本，通常用水泥系自流平地面材料作地面终饰层，要求既平整光洁，又耐磨，防水防裂及高强等。二是国内目前经济及施工技术相对比较落后，建筑工程中如大面积使用，成本造价较高，用户难以接受。武汉工业大学北京研究生部[4]曾对单组水泥系作过系统研究，但是未能形成商品生产。主要组成普通硅水泥，沙子，膨胀剂，粉煤灰，流化剂，保凝剂等.北京市建材科研所在分析国外技术基础上，开发研制了双组份水泥系自流平地面材料，粉料组份为：水泥，细骨料，流化剂，缓凝剂，填料等；液组份为聚合物乳液，分散剂，增稠剂，消泡剂及水。
目前市面上所出现的无机类（水泥基）自流平地面材料主要以外加剂的形式销售，其主要由活性矿物掺合料、膨胀、减水、增粘、保塑、调凝等组分组成，将其与传统混凝土或砂浆材料混合即可用于自流平地面。此类外加剂有山东省建筑科学研究院混凝土外加剂厂的ZNC自密实混凝土外加剂、北京幕湖外加剂有限公司MNC-L自流平剂、等等

3、有机高分子系自流平地面材料
现代化工业生产车间对地面有许多要求。传统的地面材料主要是水泥砂浆，其价廉、机械强度高，但容易起灰、难清洗、易渗水、渗油，不耐酸碱腐蚀，暗灰色毫无生气，难以满足现代化工厂车间的需要。虽然多年来工程技术及科研人员对水泥砂浆地面材料进行多方改进，但仍不能从根本上克服上述水泥砂浆地面材料的不足。于是，近年来发达国家已广泛将环氧类高分子有机系自流平地面材料应用于工业车间地面。
有机高分子自流平地面材料具有机械强度高、耐腐、耐磨、防尘等功能。又由於它有高反应性、而且是二液型容易操作、施工方便、固化较快工时短，所以被各种工厂、实验室、厨房、仓库、停车场、污水处理场、发电站、医院、学校、体育场、舞厅、剧场、商场广泛采用。它的特点还有：不受施工地面大小形状的限制，地面无缝隙，色彩、光泽可调配，施工安全可靠。
用于工业地面材料，一般常用具有良好的耐化学品性、耐磨损和耐机械冲击的环氧树脂涂料和聚胺脂涂料。但是聚胺脂涂料对潮湿容忍性相对较差，对水泥基材粘结力较低，施工不慎易造成层间剥离、针孔等缺陷，通常用于较高弹性要求的地面装饰；环氧树脂地面涂料所形成的装饰膜具有平坦、亮丽、色彩丰富等装饰特点以及耐机械冲击、耐磨损、耐油性、耐洗刷性、耐化学腐蚀等防护功能，可以满足现代化工业对地面的要求。
环氧树脂地面涂料之所以可以成为良好的自流平地面材料，在于环氧树脂分子结构的独特化学特性。如：环氧分子中的环氧基团，从化学结构上看这是不稳定的结构，氧原子的电负性大于碳原子，氧原子和碳原子之间的共价键带有一定的极性，在不同的条件下，它可与亲核试剂发生开环反应，也可与亲电试剂发生开环反应，环氧树脂与胺类固化剂的反应就是典型的亲核开环反应；环氧分子的固化反应是逐步开环反应，没有小分子副产物的生成；分子之间的键长在固化反应前后基本没有变化，体积收缩极小；分子结构中所含的醚键和羟基都是强极性基团，可以使树脂分子与基材表面产生很强的粘结力；环氧分子中含有稳定的苯环和醚键，对化学介质的稳定性较好等等。
目前应用较多的环氧树脂地面涂料是以环氧树脂为主要成分，并加入固化剂、稀释剂、填料等经特殊配方配制的有机高分子系自流平地面材料地面材料。其主要组成成分为：
（1）环氧树脂
按分子量的不同环氧树脂可分成固体环氧树脂和液体环氧树脂。高分子量的固体环氧树脂分子中含较多羟基，可催化环氧基与胺的固化反应，干燥速度较快，但固体含量低、涂层薄，与固化剂的混溶性差，涂料粘度高，流平性不佳。低粘度的液体环氧树脂虽然缺少羟基，固化速度较慢，但可制成高固体含量的厚膜涂料，且与固化剂的混溶性好，流平性佳。
（2）固化剂
胺固化剂是环氧类有机高分子系自流平地面材料的主要固化剂，这类固化剂主要有脂肪胺、脂肪胺加成物、脂环胺、脂环胺加成物，聚酰胺、聚酰胺加成物、曼尼其碱等。
(3)稀释剂
液态环氧树脂本身粘度很大，尾9000-11000Pa.s，如果不加以出来就难以达到自流平效果。降低粘度的方法有溶剂法和稀释剂法。其主要作用是降低树脂粘度，同时也有利于把树脂固化过程中的热量传递出去，适当延长胶液的使用时间。
此外，还有分散剂、流平剂、消泡剂、触变剂等助剂、颜色、填料等（5）。
环氧自流平涂料是以环氧树脂为成膜物，通过加入各种助剂、颜料、填料等加工而成，具有以下几个特点：①涂料自流平性好，一次成膜在1mm以上，施工简便；②涂膜具有坚韧、耐磨、耐药性好、无毒不助燃的特点；③表面平整光洁，具有很好的装饰性，可以满足100级洁净度要求等级。 涂料在施工后能否达到平整光滑的特性,称为流平性,流平性是涂料应用中的非常重要问题,它影响涂层的表观和光泽,当涂料涂刷在基材上时,将留下刷痕,此刷痕可因涂料未干燥前的流动而减轻。当涂料流平性差时，用肉眼便可以看出涂层表面不平的情形。当肉眼看不出差别来，此时称漆膜是平的，涂膜由不平向平滑的推动力不重力，而是表面张力，一般情况下，流平性可以用ORCHARD公式评价。从理论上说，涂料粘度越低或涂层越厚，流平性就越好。由于自流平涂料的特殊性，一般要求成膜后的涂膜具有良好的流平性的同时，又要保持良好的表面性。
目前纵观国内外的环氧自流平材料体系，主要有两个技术指导思想，一是国内的一般众多厂家所采用的指导思想（A类），A类技术主旨是：利用适量的溶剂来达到涂料良好的流平性，在涂装过程中，涂料中填料会逐渐下降，固化后的涂膜具有较好的流平性，但表面硬度不高，耐磨性较差，同时在施工中可能会产生较多的表面瑕斑等不足，这是片面追求流平性的结果；二是国外等众多厂商沿用的技术（B类），而B类自流平涂料是在保证树脂良好的流平性同时，依旧保持填料的均匀性，从而确保固化后的涂膜具有更好的表观装饰性。
虽然环氧树脂自流平地面材料具有良好的耐磨、抗冲击、耐酸碱油等性能，且易清洗、无尘、无菌、亮丽，但其抗溶剂性、耐水性能需待进一步开发研究。

三、自流平地面材料的应用
自流平地面材料通常是作为不同终饰地板表面(如地毯、pvc地板、木地板等)的垫层，是整个地面找平层系统的一部分。例如欧洲主要使用两种不同的地面构造，如在中欧，普遍使用浮动式地面构造，如图所示；在斯堪的那维亚国家在一般采用复合地面找平层系统，如图所示。

对于上述两种地面找平层系统中的自流平砂浆和地板找平层(可泵)等自流平地面材料的要求通常有：
(1)光滑，自流平；
(2)强度及内聚力；
(3)坚硬的表面，耐磨性和抗冲击性；
(4)较高的抗弯、抗压及抗拉强度；
(5)不产生张力和应变。
另外，在东欧地区，还存在相当一部分硫酸钙基的(II型硬石膏)旧式地面的翻修可以采用自流平地面材料，如图所示。

现代工业地面，特别是洁净度等要求极高的精细工业用地面，通常采用环氧树脂地面结构，其中的找平层系统和面层系统均可用环氧树脂自流平地面材料，如图所示。
附件 285
四、自流平地面材料的性能评价及其产品
1、自流平地面材料的性能评价方法
自流平地面材料的性能可以分为新拌和物性能和硬化后性能。
其中新拌和物性能指标主要包括：扩散度、流出时间(粘度)、凝结时间(维卡试验)、可工作性、镘抹、起泡性、适用期、0-24h收缩、保水性、粘性等。硬化后性能指标主要包括：粘结强度、抗折强度、抗压强度、收缩1-28d、表面硬度、耐磨性、抗冲击性等。
(1)流动性
流动性是反映SL浆体性能最重要的指标，即既能保证SL有一定的粘性，不使骨料等产生分离、泌水，又能在基底上自动流平。流动性通常用浆体在玻璃平板上的摊展度表征。如日本住宅公团提出用一个无底园筒（φ5×5.1cm）置于玻璃板上，筒内装100cm3料浆。提起园筒，。浆体自由流动成园盘状，量取相互垂直方向的四个直径取平均值，即为摊展度。也可采用漏斗法，选一上口直径6厘米、下端出口直径4毫米的玻璃漏斗，斗底离玻璃板10厘米，斗内装料浆100克后使之自由漏落到玻璃板上并摊展成园盘状，量取其直径的平均值，即为摊展度。此外，还有选用出口直径为8毫米的玻璃漏斗，斗底离玻璃板25厘米，斗内装料浆100毫升后使之自由漏落测摊展度。摊展度因取样数量、测定方法不同而异，日本住宅公团建议以19厘米作为SL流动性的下限，即如果流动性指标小于190mm，浆体的操作性将难以满足施工要求。一般日本市售水泥系SL商品流动度为200-300mm，德国市售水泥系SL商品流动度为200-250mm等。
(2)凝结时间
一般浆体的缓凝时间越长，流动度随时间的损失率越小，施工操作性越好，但早期强度降低或增长缓慢；反之流动性随时间的损失率越大，施工操作性差，但早期强度增长较快。同时自流平地面的凝结时间对于整个地面的施工速度也有直接的影响。日本住宅公团标准规定，浆体初凝时间大于1h，终凝时间小于8h。一般各国都规定，浆体搅拌均匀后，须在30min内施工完毕，否则操作性会受到影响。
(3) 抗压强度
自流平地面作为地面结构的一个组成部分，必须具有足够的强度以确保整个地面结构的整体工作能力。对于自流平地面材料的抗压强度的测试方法，对于石膏系和水泥系自流平地面材料一般可以参照水泥或者是砂浆的抗压强度的试验方法，而对于环氧树脂自流平地面材料，由于其强度通常较高，所以一般没有特别规定其抗压强度。日本住宅公团标准规定，自流平地面材料的抗压强度须大于12MPa、一般日本市售的SL抗压强度大于15MPa，德国及美国市售的SL商品硬化后抗压强度为17-32MPa。
(4)界面粘结强度
在实际施工中，基层一般为浇注混凝土。因此，自流平层与基层的界面结合状态会直接影响到地面的整体性能，必须对自流平材料与基层的粘结强度有必要的规定。在石膏系和水泥系自流平材料施工前，通常需在基层上涂刷丙烯酸乳液或聚醋酸乙烯乳液类界面粘结剂进行预处理，以确保流平层与基层牢固的粘结。当采用溶剂型的环氧系或聚醋酸乙烯类的胶粘剂时，可得到0.6～1.2Mpa以上的粘结强度。采用水溶性的合成橡胶乳液胶粘剂时，其初始粘结强度较低，但随时间增长，由于SL干燥，强度呈增高的趋势。此外，还应防止混凝土基层吸水率增高。
(5)膨胀率
膨胀率的大小关系到自流平材料硬化后是否会产生收缩裂纹。水泥基材料不可克服的弱点是后期干缩严重。发达国家的水泥系SL，有的呈现微膨胀性，达4×10-4mm/m，有的呈现微收缩性，达-4×10-4mm/m 。

到目前为止还没有关于自流平地面材料的欧洲及ISO标准，但是prEN列出了关于地面自光滑和/或自流平材料的标准试验方法。法国CSTB 24441-1,新加坡HDB和韩国也制定了相应的标准。此外，一些协会如英国的EFNARC也提出了有关自流平材料生产、应用和相关试验的建议。

新拌混凝土（或砂浆）是一种粘塑性体，其流变学方程为：
τ＝τ0＋ηdv/dt
式中，τ0为屈服应力，η为粘度系数。根据流变学原理，屈服应力τ0是阻碍塑性变形的最大应力，是由材料之间的附着力和摩擦力引起的；它决定了拌合物的变形性能，而粘度系数η则决定了拌合物的流动性能。因此，无机类自流平地面材料配制的关键就是通过外加剂、胶结材料、骨料的选择和配合比设计使混凝土（砂浆）拌合物的屈服剪应力尽可能小，同时又具有一定的塑性粘度，令骨料悬浮于浆体中（4）。