石膏-水泥-堿-礦渣復(fù)合膠凝體系對(duì)石膏基自流平砂漿性能的影響

（江蘇兆佳建材科技有限公司蘇州分公司，江蘇 蘇州 215151）

0 前言

近年來(lái)，石膏行業(yè)發(fā)展迅猛，石膏基材料在建筑領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，其中石膏基自流平砂漿是最受推崇和關(guān)注的材料之一。水泥基自流平砂漿在地面建筑工程中已經(jīng)取得了廣泛的認(rèn)可，得到了大力的推廣和應(yīng)用。但是，收縮開裂始終是水泥基自流平砂漿最突出的問題之一，使得其施工厚度和施工面積受到限制。而石膏基自流平砂漿的尺寸穩(wěn)定性好，抗裂性能更強(qiáng)[1]，已經(jīng)被證明可以進(jìn)行厚度為5cm左右的施工。此外，凝結(jié)硬化速度快，即使在冬季低溫條件下仍可以正常凝結(jié)硬化，有利于縮短工期。因此，在地暖回填系統(tǒng)中，石膏基自流平砂漿得到了越來(lái)越多的使用。然而，與水泥基材料相比，石膏基材料存在耐水性較差，強(qiáng)度偏低的缺點(diǎn)[2]。以往的研究表明，在石膏中內(nèi)摻水泥可以改善石膏的耐水性和強(qiáng)度[3]。針對(duì)上述問題，本文以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究了水泥、堿、礦渣對(duì)石膏基自流平砂漿性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

膠凝材料：脫硫石膏，壽光市睿達(dá)建材科技有限公司；P.O42.5硅酸鹽水泥，常州盤固水泥有限公司；礦渣，比表面積460m2/kg，南京梅山鋼鐵有限公司；氫氧化鈣，分析純。表1是脫硫石膏性能，表2為脫硫石膏、水泥和礦渣成分。

表1 石膏基本性能

表2 石膏、水泥和礦渣化學(xué)成分/%

骨料及填料：70～140目水洗河砂；400目重鈣粉。

外加劑：PC-8300聚羧酸減水劑；G18N石膏緩凝劑，蛋白類；400E羥丙基甲級(jí)纖維素醚(HPMC)，400mPa.s；D130消泡劑，礦物油類。

1.2 試驗(yàn)配比

膠凝材料、重鈣、砂的摻量分別為50%、10%、40%，膠凝體系配比如表3所示。外加劑按膠凝材料、骨料和填料的總質(zhì)量進(jìn)行外摻，減水劑、石膏緩凝劑、纖維素醚、消泡劑的摻量分別為0.2%、0.1%、0.06%、0.08%。水料比為0.3。

表3 石膏基自流平砂漿膠凝體系配比/%

1.3 試驗(yàn)方法

砂漿制備、流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度和尺寸變化率測(cè)試參照J(rèn)C/T 1023-2007《石膏基自流平砂漿》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。強(qiáng)度測(cè)試中，試件脫模后在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下養(yǎng)護(hù)，測(cè)試24h和28d強(qiáng)度。耐水性能測(cè)試：將兩聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)試樣養(yǎng)護(hù)至28d齡期，取其中一聯(lián)試樣于20℃水中浸泡24h，取出后用擰干的濕抹布擦掉飽水試件的表面水分，進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)得飽水強(qiáng)度，另一聯(lián)移至40±2℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒重，冷卻至室溫測(cè)試絕干強(qiáng)度。飽水抗壓強(qiáng)度與絕干抗壓強(qiáng)度的比值即軟化系數(shù)。微觀測(cè)試樣品制備及方法：按0.5水膠比制備凈漿，與砂漿在同等條件下養(yǎng)護(hù)至一定齡期，敲取中間部分置于酒精中終止水化，在真空干燥箱中烘至恒重，在瑪瑙研缽中磨成粉末，使用Dmax/RB型X射線衍射儀進(jìn)行測(cè)試；微觀形貌測(cè)試使用JSM-5900掃描電鏡，取凈漿試塊中間部分的斷面作為樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間

表4為石膏基自流平砂漿流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間的測(cè)試結(jié)果。

從表4中A組試驗(yàn)結(jié)果可以看出，石膏基自流平砂漿中摻入少量水泥之后，砂漿的初始流動(dòng)度有了顯著提升，繼續(xù)增加水泥對(duì)石膏的替代量，砂漿的流動(dòng)度仍有增加的趨勢(shì)，但30min的流動(dòng)度逐漸降低，即流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失逐漸加大。石膏緩凝劑不能限制水泥的水化，當(dāng)水泥摻量較高時(shí)，水泥的水化產(chǎn)物會(huì)使得漿體塑性降低。同時(shí)，石膏呈弱酸性，會(huì)消耗一部分水泥水化生成的Ca(OH)2，加速水泥的水化。從凝結(jié)時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著水泥摻量的增加，石膏基自流平砂漿的凝結(jié)時(shí)間逐漸縮短。一方面，水泥會(huì)影響石膏的水化反應(yīng)進(jìn)程。水泥溶于水后，迅速生成大量的Ca2+和OH-。Ca2+的存在，有利于Ca2++SO4-+2H2O→CaSO4·2H2O式中化學(xué)平衡向右移動(dòng)，即促進(jìn)二水石膏的生成[2]；此外，水泥中還含有3%～5%的二水石膏，二水石膏作為晶種，會(huì)顯著促進(jìn)二水石膏晶體的生成，水泥摻量越高，這一作用越明顯[4]。另一方面，水泥會(huì)影響緩凝劑的作用發(fā)揮。緩凝劑與Ca2+形成絡(luò)合物，絡(luò)合物的穩(wěn)定性與pH有關(guān)，在酸性和強(qiáng)堿條件下，絡(luò)合物的穩(wěn)定性較差，進(jìn)而表現(xiàn)為緩凝作用降低[5]。

表4 石膏基自流平砂漿的流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間

在A2 配比的基礎(chǔ)上，用礦渣替代水泥，替代量為0～75%時(shí)，石膏基自流平砂漿的初始流動(dòng)度幾乎無(wú)變化，流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失逐漸減??；當(dāng)替代量為100%時(shí)，砂漿流動(dòng)度顯著降低，這是因?yàn)樵诜菈A性條件下，聚羧酸減水劑的吸附作用會(huì)降低，進(jìn)而影響減水率。由于水泥摻量逐漸降低，該組砂漿的凝結(jié)時(shí)間則逐漸延長(zhǎng)。

在C組的四元體系中，隨著氫氧化鈣對(duì)水泥替代量的增加，自流平砂漿的流動(dòng)度逐漸降低，可能是因?yàn)闅溲趸}的細(xì)度大，需水量高，使得砂漿中的自由水減少，導(dǎo)致流動(dòng)性降低。對(duì)比B2和C組的凝結(jié)時(shí)間，摻入氫氧化鈣之后，砂漿的凝結(jié)時(shí)間有所縮短，但繼續(xù)增加氫氧化鈣的摻量，砂漿的凝結(jié)時(shí)間變化不大。因此，氫氧化鈣可以縮短石膏基自流平砂漿的凝結(jié)時(shí)間，但達(dá)到一定的飽和摻量之后對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響則不大。

2.2 強(qiáng)度

試驗(yàn)了不同膠凝體系對(duì)石膏基自流平砂漿24h和28d強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 石膏基自流平砂漿的強(qiáng)度

在石膏-水泥二元體系自流平砂漿中，隨著水泥的摻入，砂漿的強(qiáng)度有顯著提高，水泥摻量為10%時(shí)，砂漿的強(qiáng)度達(dá)到最大值，繼續(xù)增加水泥摻量，強(qiáng)度有少許的降低。水泥和石膏會(huì)相互促進(jìn)水化反應(yīng)，快速水化的水泥可以改善復(fù)合體系的早期強(qiáng)度。當(dāng)水泥摻量較高時(shí)，水泥中的C3A會(huì)與石膏迅速反應(yīng)生成鈣礬石，會(huì)限制水泥的水化，甚至可能在內(nèi)部產(chǎn)生膨脹裂紋。

以A2配比為基礎(chǔ)，逐漸增加礦渣對(duì)水泥的替代量，砂漿的強(qiáng)度呈先升后降的趨勢(shì)，礦渣和水泥比例為1:1時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大。礦渣具有火山灰活性，在硫酸鹽和堿的共同激發(fā)下，會(huì)使得活性SiO2和Al2O3溶解出來(lái)，與Ca(OH)2和硫酸鹽反應(yīng)生成C-S-H凝膠和鈣礬石（AFt），可提高砂漿結(jié)構(gòu)的密實(shí)性和力學(xué)性能[6]。

在B2基礎(chǔ)上，用氫氧化鈣替代部分水泥，砂漿的強(qiáng)度有了進(jìn)一步提升，繼續(xù)增加氫氧化鈣的摻量，砂漿的強(qiáng)度又呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)楫?dāng)氫氧化鈣摻量較高時(shí)，有一部分氫氧化鈣沒參與水化反應(yīng)，對(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)較少。

2.3 耐水性

對(duì)比了A0、A2、B2和C1的耐水性能，分別對(duì)應(yīng)不同的膠凝體系，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 石膏基自流平砂漿耐水性試驗(yàn)結(jié)果

從表5可見，純石膏體系的A0耐水性最差，而B2的耐水性最好。相較于A2，B2的耐水性提高顯著。一方面，B2復(fù)合體系中的石膏含量更低；另一方面，摻入礦渣之后，在后期生成了更多的水化產(chǎn)物，使得體系的結(jié)構(gòu)更密實(shí)。C1的耐水性和B2相差不多。

2.4 尺寸變化率

分別試驗(yàn)了A0、A2、B2和C1在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的尺寸變化率，結(jié)果如圖2所示。

圖2 石膏基自流平砂漿干縮率試驗(yàn)結(jié)果

純石膏體系的A0在早期有一定的微膨脹，之后開始收縮，但在7d之后，尺寸逐漸趨于穩(wěn)定。在石膏中內(nèi)摻水泥之后，自流平砂漿的收縮率有所增大，早期未出現(xiàn)微膨脹，后期仍然有增長(zhǎng)趨勢(shì)。與A2相比，B2和C1的早期收縮率與之相當(dāng)，7d之后有了進(jìn)一步增大，B2和C1的收縮率則相差不大,可能是礦渣與Ca(OH)2晶體反應(yīng)，削弱了Ca(OH)2晶體對(duì)干燥收縮的抑制作用[7]。

2.5 XRD分析

圖3為凈漿A0和C1水化28d的XRD圖譜。

圖3 水化產(chǎn)物XRD圖譜

從圖3(a)可以看出，A0 的水化產(chǎn)物中只有CaSO4·2H2O，而C1的水化產(chǎn)物則可以觀測(cè)到鈣礬石衍射峰，說(shuō)明礦渣在硫酸鹽和堿激發(fā)的共同作用下生成了鈣礬石。對(duì)比圖3(a)和(b)，(b)中的背景峰明顯較強(qiáng)，這是由一部分無(wú)定型晶體導(dǎo)致的，包括C-H-S凝膠和未反應(yīng)完全的礦渣。此外，圖譜上都沒有出現(xiàn)Ca(OH)2的衍射峰，應(yīng)該是參與反應(yīng)，被消耗完全。

2.6 微觀形貌分析

圖4為凈漿A0和C1凈漿水化產(chǎn)物的SEM圖。

圖4 凈漿水化產(chǎn)物SEM圖

純石膏的水化產(chǎn)物主要為柱狀晶體，在三維空間相互搭接，結(jié)構(gòu)較為疏松。由復(fù)合膠凝體系組成的C1，水化產(chǎn)物則較復(fù)雜，除了二水石膏晶體之外，還有大量的絮凝狀的C-H-S凝膠和針狀的鈣礬石。C-S-H凝膠分布在二水石膏晶體表面和晶體之間的孔隙中，使整體的結(jié)構(gòu)更為密實(shí)。針狀的鈣礬石相互交錯(cuò)搭接，提高了體系的韌性。

3 結(jié)論

1）在石膏-水泥體系自流平砂漿中，隨著水泥摻量的增加，砂漿的流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失逐漸加大，凝結(jié)時(shí)間逐漸縮短，強(qiáng)度呈先增后降的趨勢(shì)，水泥摻量為膠凝材料10%時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大。在石膏-水泥體系的基礎(chǔ)上，用礦渣替代水泥，砂漿的強(qiáng)度進(jìn)一步提高，礦渣對(duì)水泥的最佳替代量為50%。在石膏-水泥-礦渣-氫氧化鈣體系中，隨著氫氧化鈣對(duì)水泥替代量的增加，砂漿的流動(dòng)度逐漸降低，凝結(jié)時(shí)間先縮短后趨于平穩(wěn)，強(qiáng)度也呈先增后降的趨勢(shì)，較三元體系進(jìn)一步提高。

2）一元體系自流平砂漿的耐水性最差，但尺寸穩(wěn)定性最好。摻有礦渣的三元和四元體系自流平砂漿的耐水性更好，干燥收縮率大于一元和二元體系。

3）礦渣具有潛在水硬性，在硫酸鹽和堿激發(fā)的作用下，與Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，生成了C-H-S凝膠和鈣礬石，使?jié){體結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，強(qiáng)度得以提高。