FGD石膏對(duì)套筒灌漿料抗壓強(qiáng)度的影響

盧家偉

摘? ? 要：本文對(duì)FGD石膏在套筒灌漿料運(yùn)用進(jìn)行創(chuàng)新性研究，采用硫鋁酸鹽水泥、硅酸鹽水泥以及FGD石膏配制出具有較高強(qiáng)度的灌漿材料，其3h、1d、3d以及28d強(qiáng)度分別為36、59、71和87Mpa，文中主要探索FGD石膏摻量對(duì)不同齡期的灌漿材料強(qiáng)度的影響，并且觀察了微觀結(jié)構(gòu)和分析水化熱的過(guò)程，結(jié)果表明當(dāng)FGD石膏的摻量在10%時(shí)，漿體中AFt的含量較高，對(duì)各個(gè)齡期的強(qiáng)度都有很好的提高。

關(guān)鍵詞：FGD石膏;套筒灌漿料;抗壓強(qiáng)度

1? 引言

近年來(lái)，裝配式建筑在中國(guó)住宅產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中得到廣泛發(fā)展，而構(gòu)件的整體性一直是制約裝配式建筑發(fā)展的因素之一[1][2][3]，提高結(jié)構(gòu)的整體性關(guān)鍵在于各構(gòu)件之間的連接，目前在中國(guó)廣泛采用的套筒灌漿料的連接技術(shù)如圖1，此種連接技術(shù)性能優(yōu)異、成本低廉、降低自重和施工方便等優(yōu)點(diǎn)。不過(guò)由于其運(yùn)用在結(jié)構(gòu)中重要的部位，對(duì)其性能提出了更高的要求，尤其是抗壓強(qiáng)度[4][5]，強(qiáng)度達(dá)不到要求，鋼筋容易從套筒內(nèi)被拔出，進(jìn)而破壞結(jié)構(gòu)。

通過(guò)對(duì)水泥基灌漿材料的論文分析，發(fā)現(xiàn)改變灌漿料的基本組成去提高強(qiáng)度是行之有效的方法，石膏是套筒灌漿料里不可或缺的材料，研究石膏對(duì)套筒灌漿料抗壓強(qiáng)度的影響是首選方案，許多人員在此方面的研究值得借鑒，如吳敏[6]研究了FGD石膏（脫硫石膏）-礦硅酸鹽復(fù)合膠凝體系力學(xué)性能，確定添加石膏能提高漿體的強(qiáng)度。何春雨[7]在粉煤灰-水泥體系中加入石膏，分析了不同石膏摻量對(duì)水泥水化體系的影響，摻入適量的石膏比不摻入石膏的強(qiáng)度要高。李海南[8]發(fā)現(xiàn)石膏在摻入波特蘭水泥-鋁酸鹽水泥中，石膏會(huì)延遲水泥的水化反應(yīng)，硬化的過(guò)程中產(chǎn)生更多的AFt提高灌漿料強(qiáng)度。部分學(xué)者認(rèn)為石膏超過(guò)10%會(huì)使硫鋁酸鹽和硅酸鹽體系灌漿料后期產(chǎn)生過(guò)多的AFt，導(dǎo)致強(qiáng)度下降[9][10]。還有研究表明當(dāng)漿體的石膏用量低于25%時(shí)，漿體中的AFt晶體數(shù)量保持穩(wěn)定有利于提高強(qiáng)度[11][12][13]。林偉強(qiáng)[14]研究了礦渣-石膏-硫鋁酸鹽水泥體系膠凝材料的性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，該體系的強(qiáng)度隨著石膏增加而增加，AFt與膠凝體系中的水化反應(yīng)的特征相關(guān)。賀亮[15]采用普通硅酸鹽水泥，硅灰，粉煤灰和外加劑等材料配置了不同種類的灌漿材料，發(fā)現(xiàn)此類灌漿料與傳統(tǒng)灌漿材料相比強(qiáng)度更高。另外，還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)在礦渣-粉煤灰-水泥體系中摻入合適比例的石膏，早期的抗壓強(qiáng)度提高12%，后期的強(qiáng)度提高20%[16][17]。

在灌漿材料中添加不同類型和數(shù)量的石膏確實(shí)能有效提高水泥基材料的強(qiáng)度[18][19][20]，鑒于以上結(jié)論本文選用FGD石膏，這是因?yàn)槊摿蚴嗍枪I(yè)副產(chǎn)型石膏，其生產(chǎn)極大程度上節(jié)省了天然石膏的開(kāi)采[21]，在中國(guó)國(guó)內(nèi)每年生產(chǎn)8000萬(wàn)噸FGD石膏，但其較低的利用率限制了國(guó)內(nèi)的脫硫技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這些石膏不僅會(huì)占用大量的土地資源，還會(huì)污染環(huán)境[22]，如果把FGD石膏運(yùn)用到套筒灌漿料中，這樣既能促進(jìn)裝配式建筑的發(fā)展又能提高FGD石膏的利用率。目前關(guān)于FGD石膏在套筒灌漿料中運(yùn)用的研究較少，因此該研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本研究在硫鋁酸鹽-硅酸鹽體系中摻入石膏配制高強(qiáng)度的套筒灌漿料，分析不同摻量的FGD石膏對(duì)套筒灌漿料強(qiáng)度的影響，確定一個(gè)適宜的配合比。另外，針對(duì)石膏對(duì)套筒灌漿料強(qiáng)度的影響進(jìn)行了微觀分析，全面闡釋FGD石膏在套筒灌漿料中對(duì)強(qiáng)度的作用機(jī)理。

2? 原材料及實(shí)驗(yàn)方法

2.1? 原材料

本實(shí)驗(yàn)的材料易于獲得，且價(jià)格便宜，工業(yè)化生產(chǎn)條件下質(zhì)量有保證，套筒灌漿料中的膠凝材料組成有以下部分：SAC、OPC、FGD石膏三元復(fù)合體系，減水劑的減水率達(dá)到25%以上，消泡劑，為碳?xì)浠衔?、聚乙二醇和非結(jié)晶性二氧化硅的混合物，與所有粉體混合料相容性很好。砂子是石英砂，細(xì)度模數(shù)為2.36。SAC和OPC水泥的基本性能如表1所示，F(xiàn)GD石膏的基本性能如表2和表3所示。

此外，為了改善套筒灌漿料的性能，在灌漿料中摻入S95超細(xì)礦粉（密度為2.8g/cm3、比表面積350m2/kg）粉煤灰（Ⅰ級(jí)，比表面積381m2/kg）。

2.2? 樣本制備

本實(shí)驗(yàn)中SAC、OPC水泥、礦粉以及粉煤灰的摻量為固定值，其質(zhì)量用A表示，使用五種不同比例的石膏，其摻量為A的6%、8%、10%、12、14%，編號(hào)C1～C5，減水劑和消泡劑為A質(zhì)量與石膏質(zhì)量之和的1%;砂子的質(zhì)量等于A與石膏質(zhì)量之和，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)如表4所示，每個(gè)比例有12個(gè)樣本用于測(cè)試3h、1d、3d、28d的抗壓強(qiáng)度，強(qiáng)度的結(jié)果取三個(gè)樣本的平均值。

采用平面型的旋轉(zhuǎn)攪拌機(jī)來(lái)把灌漿料混合攪拌均勻，將石膏、SAC、OPC水泥、砂子等材料按照比例倒入攪拌機(jī)內(nèi)，先混合3分鐘，加入混合材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%的水，攪拌均勻，取下攪拌鍋并且輕輕晃動(dòng)1～2分鐘，待到里面的氣泡減少之后，把漿體倒入所需的模具之中，進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

2.3? ?測(cè)試方法

灌漿料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按GB/T 17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法》中有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試件尺寸為40mm×40mm×160mm棱柱體。將漿體倒入模具中，至漿體與試模的上邊緣齊平，成型過(guò)程要禁止震動(dòng)。在室溫為20℃條件下養(yǎng)護(hù)2h后拆模，之后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，測(cè)量3h、1d、3d、28d抗壓強(qiáng)度值。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1? FGD石膏對(duì)套筒灌漿料強(qiáng)度的影響

從圖2可以看出隨著石膏摻量增加，灌漿料各齡期抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。當(dāng)石膏摻量不超過(guò)10%時(shí)，能使套筒灌漿料強(qiáng)度明顯提高，說(shuō)明石膏對(duì)此體系水化具有一定促進(jìn)作用，使得此種體系水化產(chǎn)物的生產(chǎn)速率和擴(kuò)散效率匹配較好，對(duì)C4A3S水化具有促進(jìn)作用，C4A3S、C2S和CaSO4之間又具有相互促進(jìn)作用，隨著齡期的增長(zhǎng)，可以通過(guò)反應(yīng)進(jìn)一步填充空間，使結(jié)構(gòu)更致密，提高強(qiáng)度。圖3中可以看出，與C0組相比，摻入石膏后，各個(gè)齡期的強(qiáng)度有了明顯的提升，其中摻量為10%時(shí)，3h、1d、3d、28d強(qiáng)度的比值都達(dá)到了最大，分別為1.68、1.74、1.73和1.47。表明在SAC-OPC體系中是否加入石膏會(huì)對(duì)漿體強(qiáng)度帶來(lái)很大影響，而且比例合適時(shí)，結(jié)果更加明顯。其根本原因是鈣釩石的生成數(shù)量不同，石膏摻量增加有利于鈣礬石形成，從而導(dǎo)致漿體強(qiáng)度明顯提高。當(dāng)石膏的摻量超過(guò)10%時(shí)，漿體3h、1d、3d和28d的強(qiáng)度有所下降，因此石膏并不是摻入的越多越好。

3.2? XRD分析

AFt是對(duì)灌漿料強(qiáng)度影響的關(guān)鍵水化產(chǎn)物，由圖4分析可知漿體未摻入石膏時(shí)，主要是水泥的水化反應(yīng)，從水泥加水開(kāi)始反應(yīng)生成少量的AFt，還有部分C3S未及時(shí)反應(yīng)，AFt峰值較低。石膏摻量從6%增長(zhǎng)到8%時(shí)，C3S會(huì)與CaSO4及時(shí)反應(yīng)生成大量很難溶解的AFt晶體，AFt衍射峰明顯增強(qiáng)，另外，AFt會(huì)在C3S粒子表面形成包裹層，阻止了C3S進(jìn)一步水化，使溶液中的CaSO4溶解度降低，以致鋁酸鈣的水化產(chǎn)物不能分離出來(lái)，C3S與CaSO4峰值相對(duì)較高。石膏摻量為10%時(shí)，飽和的CaSO4能夠滿足AFt反應(yīng)需要，此時(shí)AFt的峰值達(dá)到最大，之后繼續(xù)增加石膏，由于漿體中的C3A含量較低，生成的AFt數(shù)量不會(huì)明顯提高，峰值變化不大。

為了進(jìn)一步研究石膏對(duì)漿體強(qiáng)度的影響，使用XRD分析水化產(chǎn)物的發(fā)展階段，圖5是10%的石膏對(duì)漿體不同齡期的XRD圖譜，可以看出，AFt和單硫酸鋁水合物（AFm）是所有樣品中的主要結(jié)晶。此外，20°附近的峰值歸因于C3S的衍射峰，30°和35°之間的峰值歸因于硅酸鈣水合凝膠（C-S-H）的衍射峰。隨著水化反應(yīng)時(shí)間的推移，漿體的峰值強(qiáng)度也隨之增加，由此說(shuō)明漿液的水化反應(yīng)持續(xù)發(fā)生。另外，在漿體水化3h后，AFt晶體已經(jīng)明顯存在。這也表明由于存在AFt，該體系的套筒灌漿料早期就具有較高的強(qiáng)度。

3.3? 水化熱分析

圖6和圖7是漿體摻入不同數(shù)量石膏水化早期放熱情況，可以看出，石膏對(duì)水泥放熱速率和放熱總量都有顯著的影響。水化放熱分為誘導(dǎo)期、加速期和減速期，誘導(dǎo)期出現(xiàn)在1h，主要是在水化初期形成的少量水化物AFt逐漸在未水化的C3S周圍形成一個(gè)致密的保護(hù)膜層，從而阻礙了C3S的進(jìn)一步水化，使放熱速率變慢。接下來(lái)進(jìn)入加速期，未摻石膏的漿體在5h出現(xiàn)第一個(gè)放熱峰，摻入石膏6%～8%后，水化放熱峰出現(xiàn)時(shí)間提前到3h左右，說(shuō)明石膏促進(jìn)了漿體水化，結(jié)合XRD圖像分析，該峰值主要來(lái)自石膏里的CaSO4溶解放熱以及AFm生成。石膏增長(zhǎng)到10%時(shí)，漿體中的硫質(zhì)與鈣質(zhì)的溶解速度足以維持AFt的需要，AFm進(jìn)而轉(zhuǎn)化為AFt，另外，C3A與CaSO4繼續(xù)反應(yīng)生成AFt，放熱速率明顯加快，同時(shí)放出的熱量也增多，水化放熱峰值升高見(jiàn)圖7。AFt結(jié)晶所需的鋁質(zhì)來(lái)自鋁酸鈣，尤其是C3S的溶解，當(dāng)漿體中的硫質(zhì)（主要為CaSO4）增加過(guò)多（>10%），其溶解速度不能與鋁質(zhì)（主要為C3S）相匹配時(shí)，即便漿體中仍剩余一定量的CaSO4，已生成的AFm晶體不能及時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)锳Ft放出熱量，水化熱峰值也會(huì)相應(yīng)降低。

3.4? 漿體TGA分析

漿體中的AFt（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）含有32個(gè)結(jié)合水，結(jié)構(gòu)在受熱條件下極不穩(wěn)定，一般是在80℃～100℃就會(huì)分解，AFt首先是內(nèi)部吸附水脫離，然后與漿體中的AlO2-反應(yīng)轉(zhuǎn)化為AFm，TG-DTA方法能很好的測(cè)定物質(zhì)在加熱過(guò)程中發(fā)生的失水、分解以及相互作用等物理化學(xué)變化。圖8是水化反應(yīng)3h、1d、3d以及28d的TG-DTA曲線，從圖中可以看出，AFt晶體在90℃附近發(fā)生脫水出現(xiàn)第一個(gè)吸熱峰，TG曲線驟然下降，4個(gè)齡期的質(zhì)量損失分別為12.3%、15.2%、18.7%和22.4%。隨著試驗(yàn)的溫度不斷提高，AFt的數(shù)量在不斷減少并且轉(zhuǎn)化為AFm，在180℃～190℃時(shí)，DTA曲線出現(xiàn)第二吸熱峰，此時(shí)AFm發(fā)生脫水使?jié){體質(zhì)量進(jìn)一步損失，TG曲線下降放緩，隨后樣品的質(zhì)量保持穩(wěn)定。結(jié)合XRD分析結(jié)果可知，石膏的摻量充足（10%），并且隨著水化齡期的增長(zhǎng)，漿體中生成大量的AFt晶體，因此在脫水的時(shí)候，損失的質(zhì)量也最多。

3.5? SEM分析

從圖9中可以看出漿體中引入的適量石膏在水化3h后生成大量的柱狀和管狀A(yù)Ft晶體，斷面的微結(jié)構(gòu)與1d差別并不明顯，僅體現(xiàn)在AFt晶體的疏松程度，3h所生成的AFt相對(duì)疏松， 1d的水化產(chǎn)物除了含有大量柱狀和管狀A(yù)Ft晶體，還有少量絮凝狀和針狀的C-S-H凝膠，發(fā)現(xiàn)有少量層狀CaSO4晶體，并且水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)模糊且密實(shí)。漿體水化3d時(shí)微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)于1d時(shí)微觀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)的更加密實(shí)，C-S-H凝膠的生成量增加，漿體中膠凝材料水化較為充分，水化產(chǎn)物AFt晶體與C-S-H凝膠相互交聯(lián)，形成較大，形成間斷的、空隙較大的骨架網(wǎng)狀體系。當(dāng)水化28d時(shí)，水化產(chǎn)物中有較多的C-S-H凝膠，與AFt搭接在一起，形成更加致密的漿體結(jié)構(gòu)，水化產(chǎn)物的分布也更加均勻;而在水化產(chǎn)物中針狀或者柱狀A(yù)Ft晶體量減少，逐漸被C-S-H凝膠所覆蓋。

4? 結(jié)論

（1）采用硫鋁酸鹽水泥、硅酸鹽水泥和FGD石膏配制套筒灌漿料，各個(gè)齡期的強(qiáng)度都較高，其中石膏的摻量為10%時(shí)，相比于于未摻入石膏的漿體，強(qiáng)度至少提高了1.5倍以上。

（2）隨著齡期的增長(zhǎng)，灌漿料的強(qiáng)度也在不斷提高，3h的強(qiáng)度達(dá)到36MPa，當(dāng)水化反應(yīng)進(jìn)行到28d時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到87MPa，滿足滿足中國(guó)現(xiàn)有的套筒灌漿料強(qiáng)度規(guī)范要求。

（3）通過(guò)對(duì)漿體的XRD、SEM、TGA以及水化熱分析可知，套筒灌漿料的高強(qiáng)度可歸因于AFt的形成和AFt數(shù)量的變化，合適的FGD石膏摻量（10%）能夠有效的提高漿體中AFt的含量。

（4）該配制方法簡(jiǎn)單，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量有保證，綠色無(wú)污染，既能提高FGD石膏利用率又能促進(jìn)裝配式建筑的發(fā)展，運(yùn)用前景廣闊。

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