高耐水石膏復(fù)合膠凝材料安定穩(wěn)定性和長(zhǎng)期性能研究★

錢(qián) 耀 麗

(上海市建筑科學(xué)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 201108)

1 概述

傳統(tǒng)的石膏膠凝材料(以半水石膏或Ⅱ性無(wú)水石膏單獨(dú)或兩者混合，水化產(chǎn)物主要為二水硫酸鈣)制備的石膏建材耐水性能差，隨濕度的增加，石膏建材強(qiáng)度急劇降低、蠕變性增大，其使用受到限制[1]。通過(guò)在其中摻入礦粉等水硬性摻合料對(duì)其改性，提高其密實(shí)度，從而提高其耐水性[2]。課題組在參考大量文獻(xiàn)資料以及前期探索性試驗(yàn)工作基礎(chǔ)上，利用脫硫石膏、氟石膏、干法脫硫灰、礦粉開(kāi)發(fā)了高耐水石膏復(fù)合膠凝材料體系，初步確定其比例為干法脫硫灰30%、脫硫石膏30%、氟石膏20%、礦粉20%。該材料不同于水泥和石膏這兩大無(wú)機(jī)膠凝材料，兼具水硬性和氣硬性?xún)煞N特性。因干法脫硫灰、脫硫石膏、氟石膏等均屬于工業(yè)固廢，化學(xué)組分波動(dòng)明顯，存在潛在的不穩(wěn)定因素。因此，本研究深入研究干法脫硫灰中f-CaO對(duì)石膏復(fù)合膠凝材料安定性的影響，并開(kāi)展石膏復(fù)合膠凝材料的化學(xué)成分和強(qiáng)度穩(wěn)定性、長(zhǎng)期強(qiáng)度與長(zhǎng)期耐水性等長(zhǎng)期性能研究，為石膏復(fù)合膠凝材料的配制及應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 石膏復(fù)合膠凝材料安定性研究

表1 石膏復(fù)合膠凝材料中f-CaO含量和安定性測(cè)試結(jié)果

干法脫硫灰中含有較高含量的f-CaO，用其配制的石膏復(fù)合膠凝材料可能存在安定性不良的問(wèn)題，因此采用GB 176—2008水泥化學(xué)分析方法中游離氧化鈣測(cè)定之甘油酒精法，對(duì)石膏復(fù)合膠凝材料的f-CaO開(kāi)展多批次測(cè)試；并依據(jù)GB/T 1346水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法開(kāi)展雷氏夾安定性試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)結(jié)果表明，石膏復(fù)合膠凝材料的雷氏夾值與f-CaO含量有直接關(guān)系，盡管所測(cè)試數(shù)據(jù)表明材料的安定性良好，但是考慮到不同批次材料化學(xué)成分有些波動(dòng)，建議石膏復(fù)合膠凝材料的f-CaO含量控制在5%以?xún)?nèi)。

3 石膏復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定性研究

配制石膏復(fù)合膠凝材料的固體廢棄物存在很多潛在的不穩(wěn)定性因素，從不同批次石膏復(fù)合膠凝材料化學(xué)成分的穩(wěn)定性和基本力學(xué)性能(抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度)的穩(wěn)定性開(kāi)展研究。不同批次原料配制的石膏復(fù)合膠凝材料化學(xué)分析和基本力學(xué)性能結(jié)果如表2所示，不同批次石膏復(fù)合膠凝材料游離氧化鈣含量在4%～6.0%之間，Al2O3含量在4%～5%之間，其化學(xué)組成穩(wěn)定性良好；不同批次石膏復(fù)合膠凝材料強(qiáng)度較穩(wěn)定，7 d抗折強(qiáng)度約5 MPa～6 MPa，7 d抗壓強(qiáng)度約26 MPa～28 MPa，28 d抗折強(qiáng)度9 MPa～10 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度40 MPa左右。

表2 石膏復(fù)合膠凝材料化學(xué)分析和基本力學(xué)性能

4 石膏復(fù)合膠凝材料長(zhǎng)期性能研究

4.1 石膏復(fù)合膠凝材料長(zhǎng)期強(qiáng)度研究

石膏復(fù)合膠凝材料兼具氣硬性膠凝材料及水硬性膠凝材料的性能，研究不同養(yǎng)護(hù)條件——恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)((20±2)℃，65%濕度)和標(biāo)養(yǎng)((20±2)℃，95%以上濕度)對(duì)其長(zhǎng)齡期性能的影響響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 石膏復(fù)合膠凝材料不同齡期強(qiáng)度 MPa

從表3可知，隨著齡期的增加，兩種養(yǎng)護(hù)條件下石膏復(fù)合膠凝材料的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨齡期基本呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，而且恒溫恒濕條件下試件強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。標(biāo)養(yǎng)條件下，試件7 d抗折強(qiáng)度和28 d抗折強(qiáng)度分別僅為恒溫恒濕條件下的76%和61%；試件7 d抗壓強(qiáng)度、28 d抗壓強(qiáng)度和90 d抗壓強(qiáng)度分別為恒溫恒濕條件下的84%,76%和75%。主要是因?yàn)槭鄰?fù)合膠凝材料中水化生成的二水石膏是氣硬性膠凝材料，在95%濕度的高濕度條件下，其所生成的晶格易溶析，對(duì)強(qiáng)度的生成具有一定的阻礙作用[3]，因此標(biāo)養(yǎng)條件下試件強(qiáng)度低于恒溫恒濕條件下的試件。

恒溫恒濕條件下，養(yǎng)護(hù)齡期從7 d延長(zhǎng)到28 d，試件抗折強(qiáng)度提高了52%，抗壓強(qiáng)度提高了44%；但當(dāng)齡期增加到90 d時(shí)，抗折強(qiáng)度發(fā)生倒縮現(xiàn)象，有所下降，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，主要是由于石膏復(fù)合膠凝材料中引入的礦粉與二水石膏結(jié)合生成的鈣礬石(AFt)具有水硬性膠凝材料的部分特點(diǎn)，恒溫恒濕條件下，因濕度不足，材料早期水化生成的鈣礬石相對(duì)較少，隨著齡期的延長(zhǎng)，鈣礬石不斷增多，結(jié)構(gòu)密實(shí)，強(qiáng)度提高；但是材料水化后期產(chǎn)生的鈣礬石會(huì)引起膨脹，破壞漿體已形成的結(jié)構(gòu)，宏觀表現(xiàn)為試件抗折強(qiáng)度下降，嚴(yán)重的甚至?xí)鹪嚰臄嗔裑3]。而標(biāo)養(yǎng)條件下濕度較大，鈣礬石的量從水化早期到水化后期處于緩慢均勻增長(zhǎng)的狀態(tài)(宏觀表現(xiàn)為試件強(qiáng)度穩(wěn)定發(fā)展)，因整個(gè)體系是以二水石膏為主，鈣礬石總量不高，水化產(chǎn)物穩(wěn)定[3]，因此標(biāo)養(yǎng)條件下該石膏復(fù)合膠凝材料性能較穩(wěn)定。綜上盡管恒溫恒濕條件下試件抗折、抗壓強(qiáng)度普遍高于標(biāo)養(yǎng)條件下的試件，但是恒溫恒濕條件下試件可能出現(xiàn)強(qiáng)度倒縮，性能不穩(wěn)定，因此石膏復(fù)合膠凝材料的養(yǎng)護(hù)條件宜選擇高濕度的養(yǎng)護(hù)條件(標(biāo)養(yǎng))。

4.2 石膏復(fù)合膠凝材料耐水性研究

選用不同批次石膏復(fù)合膠凝材料進(jìn)行吸水率、軟化系數(shù)的研究，結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)方法：將石膏復(fù)合膠凝材料養(yǎng)護(hù)至28 d，取三塊試件烘干，測(cè)其質(zhì)量、抗折及抗壓強(qiáng)度；其余試件浸入(20±2)℃自來(lái)水中，測(cè)試試件浸泡48 h或其他規(guī)定浸泡時(shí)間的質(zhì)量、抗折、抗壓強(qiáng)度，經(jīng)計(jì)算求得吸水率與軟化系數(shù)。

從表4可以看出，隨著浸水時(shí)間的增加，石膏復(fù)合膠凝材料吸水率逐漸增高，其軟化系數(shù)也呈上升趨勢(shì)。而且不同批次的石膏復(fù)合膠凝材料耐水性良好且較穩(wěn)定，軟化系數(shù)均在0.8以上，吸水率在15%左右。

以樣品3為研究對(duì)象，從圖1中可以看出，石膏復(fù)合膠凝材料浸水初期吸水較多，浸水48 h吸水率達(dá)到11%，隨著浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，吸水率雖然逐漸上升，但是吸水幅度變小，浸水28 d相對(duì)于浸水48 h而言，吸水幅度僅增加了2.0%，而浸水3個(gè)月的吸水率也僅為15.5%，不足普通脫硫建筑石膏24 h吸水率的50%。雖然石膏復(fù)合膠凝材料的吸水率隨浸水時(shí)間增加而升高，但是其軟化系數(shù)卻并未隨之降低，反而呈上升趨勢(shì)；且其浸水三個(gè)月強(qiáng)度高于烘干原強(qiáng)度，軟化系數(shù)達(dá)到1.0以上，主要是因?yàn)椋吼B(yǎng)護(hù)28 d，石膏復(fù)合膠凝材料未完全水化，浸水后，部分水分通過(guò)試件中的微小孔洞進(jìn)入試件，參與試件的進(jìn)一步水化反應(yīng)，宏觀上表現(xiàn)為質(zhì)量及吸水率的增加；但是水化反應(yīng)使石膏復(fù)合膠凝材料的結(jié)構(gòu)更為致密，宏觀上表現(xiàn)為強(qiáng)度升高及軟化系數(shù)的增大。

表4 石膏復(fù)合膠凝材料耐水性研究

5 結(jié)語(yǔ)

1)石膏復(fù)合膠凝材料安定性量化，但考慮到不同批次材料化學(xué)成分有波動(dòng)，建議其f-CaO含量控制在5%以?xún)?nèi)。

2)石膏復(fù)合膠凝材料兼具水硬性膠凝材料和氣硬性膠凝材料的特征；在恒溫恒濕(濕度65%)條件下試件抗折、抗壓強(qiáng)度普遍高于標(biāo)養(yǎng)(濕度95%)條件下的試件，但是恒溫恒濕條件下試件可能出現(xiàn)強(qiáng)度倒縮、性能不穩(wěn)定，標(biāo)養(yǎng)條件下試件長(zhǎng)期強(qiáng)度發(fā)展穩(wěn)定，其養(yǎng)護(hù)條件宜選擇標(biāo)養(yǎng)。

3)不同批次的石膏復(fù)合膠凝材料具有良好且穩(wěn)定的耐水性能，長(zhǎng)期浸水軟化系數(shù)在0.8以上，浸水3個(gè)月吸水率在15%左右。