石膏對(duì)混凝土性能的影響分析

章典典，姚曉陽(yáng)，于飛宇，朱巧勇，曾賢華，熊浩男

（科之杰新材料集團(tuán)浙江有限公司 浙江蘭溪321100）

0 引言

石膏是水泥中一種重要的混合材料，其可以有效地減緩水泥水化進(jìn)程，推遲水泥的凝結(jié)時(shí)間，進(jìn)而減少水泥水化產(chǎn)物對(duì)減水劑的包裹和吞噬作用［1-2］。石膏對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響隨著其種類的不同而變化［3-6］；且不同種類的石膏對(duì)水泥與外加劑的相容性有較大的影響［7］，如脫硫石膏導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性差，二水石膏導(dǎo)致混凝土坍落度損失過(guò)快、凝結(jié)時(shí)間異常以及施工性能差，嚴(yán)重影響了混凝土的施工和后期性能，所以研究不同種類的石膏對(duì)聚羧酸減水劑的適應(yīng)性具有一定的必要性［8］。

近年來(lái)，隨著水泥的消耗量越來(lái)越大，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多人研究石膏對(duì)水泥的影響。孫振平等人［9］研究了煙氣脫硫石膏中亞硫酸鈣成分對(duì)水泥水化過(guò)程及水泥-聚羧酸系減水劑體系的適應(yīng)性影響，結(jié)果表明：脫硫石膏中適量的亞硫酸鈣不會(huì)對(duì)水泥-聚羧酸系減水劑的適應(yīng)性產(chǎn)生不利影響，而當(dāng)亞硫酸鈣含量一旦超出一定范圍，就會(huì)顯著影響聚羧酸系減水劑分散性能的發(fā)揮。趙拉等人［10］研究了改性磷石膏替代二水石膏對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度的影響，得到使用適當(dāng)方法將磷石膏進(jìn)行改性，對(duì)混凝土終凝時(shí)間能夠有效延長(zhǎng)，提高一定的強(qiáng)度的結(jié)論。但石膏種類、摻量對(duì)混凝土適應(yīng)性問(wèn)題的研究一直涉及較少，所以研究石膏的種類和摻量對(duì)混凝土的影響具有重要意義。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

所用熟料為自磨熟料，機(jī)制砂（S2）Mx=2.9～3.2；小石（G1）粒徑為5～10 mm；大石（G2）粒徑為10.0～31.5 mm。

外加劑選用浙江某公司生產(chǎn)的聚羧酸泵送劑（PCE）。

本實(shí)驗(yàn)選用了某公司生產(chǎn)的磷石膏（LS）、脫硫石膏（TS）、二水石膏（ES）、氟石膏（FS）和硬石膏（YS）等5種常用石膏進(jìn)行試驗(yàn)。熟料與石膏的化學(xué)成分分析如表1所示。

表1 熟料與石膏化學(xué)成分Tab.1 Chemical Composition of Clinker and Gypsum（%）

1.2 水泥凈漿測(cè)試方法

本試驗(yàn)中水泥凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)按照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法：GB/T 8077—2012》中的方法測(cè)試。

1.3 混凝土性能測(cè)試方法

本試驗(yàn)中混凝土坍落、凝結(jié)時(shí)間度按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50080—2016》中的方法測(cè)試，混凝土抗壓強(qiáng)度按照《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法：GB/T 50081—2019》中的方法測(cè)試。

1.4 混凝土試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際混凝土生產(chǎn)應(yīng)用，試驗(yàn)前，將一定量的石膏和熟料倒入標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)中讓粉料篩分均勻，再倒入到攪拌機(jī)中加入石子、機(jī)制砂、外加劑等，攪拌均勻，進(jìn)行試驗(yàn)。

自制水泥配制：模擬水泥廠配制硫含量為1%～3%的水泥，根據(jù)所用的1 m3混凝土配合比的比例，將含硫量不同的石膏分別加入到3 個(gè)100 kg 的熟料中，攪拌均勻，配置成含硫量占水泥比分別為1%、2%、3%的水泥。5種石膏都以上述方法配置。

試驗(yàn)選用C30混凝土配合比，試驗(yàn)用混凝土配合比為C∶S∶G1∶G2∶W∶A=360∶870∶288∶672∶180∶7.92。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 石膏對(duì)水泥凈漿流動(dòng)性影響

將石膏摻入熟料中，控制水泥硫含量為2%，其中水泥成分如表2所示，外加劑為聚羧酸泵送劑（PCE），考察不同種類石膏對(duì)水泥凈漿流動(dòng)性的影響，如表2所示。

表2 不同種類石膏對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度的影響Tab.2 The Influence of Different Types of Gypsum on the Fluidity of Cement Paste

由表2可知，摻入5種不同類型的石膏，與不摻入石膏（基準(zhǔn)）相比，其中LS、FS、YS 這3 種石膏對(duì)水泥0 min 的凈漿流動(dòng)度及60 min 后的凈漿流動(dòng)度的影響均有增加，以FS 增加最為明顯。而ES 和TS 對(duì)水泥的0 min 凈漿流動(dòng)度的影響有所減小，ES 對(duì)水泥60 min后的凈漿流動(dòng)度無(wú)明顯變化，TS對(duì)水泥60 min后的凈漿流動(dòng)度仍有一定的增加。

2.2 石膏對(duì)混凝土性能的影響

2.2.1 石膏對(duì)坍落度的影響

將石膏摻入熟料中，控制水泥硫含量為0%、1%、2%和3%，其中水泥成分如表1 所示，外加劑為聚羧酸泵送劑（PCE），考察不同種類石膏對(duì)混凝土初始（0 min）坍落度的影響，如圖1?所示。

由圖1?可知，摻入5 種不同類型的石膏，與基準(zhǔn)相比較，LS、FS、YS 這3 種石膏對(duì)混凝土0 min 坍落度的影響隨著石膏含量的增加而增大，以FS 最為明顯。而ES、TS 這2 種石膏對(duì)混凝土0 min 坍落度的影響隨著石膏含量的增加反而減小。

考察不同種類石膏對(duì)混凝土60 min 后坍落度的影響，如圖1?所示。

從圖1?可知，摻入5 種不同類型的石膏，與基準(zhǔn)相比較，LS、FS、ES、TS、YS這5種石膏對(duì)混凝土60 min后的坍落度具有一定的保持作用，其主要原因?yàn)槭嗑哂幸欢ǖ恼{(diào)凝作用，可延緩水泥水化，同時(shí)降低混凝土經(jīng)時(shí)損失。其中LS、FS、YS 這3 種石膏對(duì)混凝土60 min 后坍落度的保持作用隨著石膏含量的增加而增大。而ES、TS這2種石膏對(duì)混凝土60 min后的坍落度的保持作用隨著石膏含量的增加反而減小。

圖1 石膏摻量對(duì)混凝土坍落度的影響Fig.1 The Influence of Gypsum Content on Concrete Slump

2.2.2 石膏對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

將石膏摻入熟料中，控制水泥硫含量為0%、1%、2%和3%，其中水泥成分如表1 所示，外加劑為聚羧酸泵送劑（PCE），考察不同種類石膏對(duì)混凝土3 d 混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，如圖2所示。

圖2 不同石膏對(duì)混凝土3 d抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 The Influence of Different Gypsum on the 3 d Compressive Strength of Concrete

由圖2可知，摻入5種不同類型的石膏，與基準(zhǔn)相比較，LS、FS、ES、TS、YS 這5 種石膏對(duì)混凝土3 d 強(qiáng)度具有明顯的貢獻(xiàn)，主要原因?yàn)榧尤氲氖嗫梢源龠M(jìn)早期鈣礬石的生成，提高早期強(qiáng)度。其中LS、FS、ES、YS這4 種石膏對(duì)混凝土3 d 抗壓強(qiáng)度隨著石膏含量的增加而增大，以ES最為明顯，原因是摻入ES使混凝土最為致密，使其對(duì)混凝土早期強(qiáng)度提高最多。而TS對(duì)混凝土3 d抗壓強(qiáng)度隨著石膏含量增加先增大后減小，在水泥硫含量達(dá)到2%時(shí)，對(duì)混凝土3 d抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)最佳。

混凝土抗壓強(qiáng)度的增大與石膏的加入、種類及添加量都有著重要關(guān)系，比較不同種類和摻量的石膏對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度增加量（3～28 d）的影響，如圖3所示。

由圖3可知，摻入5種不同類型的石膏，與基準(zhǔn)相比較，抗壓強(qiáng)度增加量較少，LS、FS、ES 這3 種石膏對(duì)混凝土后期抗壓強(qiáng)度的增加量隨著石膏含量的增加先減小后增大，以LS增大最多，原因是LS凝結(jié)時(shí)間最長(zhǎng)，延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間讓C-S-H 生成更大的纖維，提高后期強(qiáng)度。而TS、YS這2種石膏對(duì)混凝土后期抗壓強(qiáng)度的增加量隨著石膏含量的增加反而減小。

圖3 不同石膏對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度增加量（3～28 d）的影響Fig.3 Influence of Different Gypsum on the Increase in Compressive Strength of Concrete（3～28 d）

2.2.3 石膏對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

將石膏摻入熟料中，控制水泥硫含量為0%、1%、2%和3%，其中水泥成分如表1 所示，外加劑為聚羧酸泵送劑（PCE），考察不同石膏類型對(duì)混凝土初凝時(shí)間的影響，如圖4?所示。

由圖4?可知，摻入5 種不同類型的石膏均能夠調(diào)節(jié)混凝土的凝結(jié)時(shí)間。與不摻入石膏相比，LS、FS、ES、TS、YS 這5 種石膏對(duì)混凝土的初凝時(shí)間隨著石膏含量的增加而增長(zhǎng)，以LS最為明顯。

考察不同石膏類型對(duì)混凝土終凝時(shí)間的影響，如圖4?所示，由圖4?可知，摻入5 種不同類型的石膏，與基準(zhǔn)相比較，LS、FS、ES、TS、YS 這5 種石膏對(duì)混凝土的終凝時(shí)間隨著石膏含量的增加而增長(zhǎng)，屬LS 最為明顯，原因是影響混凝土凝結(jié)時(shí)間的SO3、P2O5及其他微量元素隨著LS 的增加而增多，延長(zhǎng)了混凝土的凝結(jié)時(shí)間，而P2O5和其他水溶性雜質(zhì)含量過(guò)多，大幅度影響混凝土的凝結(jié)時(shí)間。

圖4 不同石膏對(duì)混凝土初凝及終凝時(shí)間的影響Fig.4 The Influence of Different Gypsum on the Initial Setting and Final Time of Concrete

3 結(jié)論

本文研究了不同種類的石膏對(duì)混凝土（摻聚羧酸減水劑）的流動(dòng)性、經(jīng)時(shí)損失、抗壓強(qiáng)度及凝結(jié)時(shí)間的影響，從以上研究結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

⑴摻入石膏能夠改善水泥的適應(yīng)性，其中水泥硫含量在1%～3%時(shí)，LS 和YS 對(duì)外加劑的適應(yīng)性最好，經(jīng)時(shí)損失最?。凰嗔蚝吭?%時(shí)ES 對(duì)混凝土的經(jīng)時(shí)損失大。

⑵摻入石膏能夠改善水泥物理性能，隨著水泥硫含量的增加，ES 早期抗壓強(qiáng)度提高最多，水泥硫含量在3%時(shí)3 d抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)提高36%，LS后期抗壓強(qiáng)度提高最多，TS后期抗壓強(qiáng)度提高最少。

⑶摻入石膏能夠延長(zhǎng)混凝土的凝結(jié)時(shí)間，隨著水泥硫含量的增加，混凝土的凝結(jié)時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，其中LS 凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)最多，水泥硫含量在3%時(shí)初凝比TS長(zhǎng)3.0 h，終凝比YS長(zhǎng)2.5 h。

⑷LS 雖然對(duì)混凝土減水率、經(jīng)時(shí)損失和混凝土抗壓強(qiáng)度有所提升，但對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)較長(zhǎng)；ES 對(duì)混凝土減水率、經(jīng)時(shí)損失提升小，但是對(duì)抗壓強(qiáng)度提高多，凝結(jié)時(shí)間較短。