粉煤灰對(duì)混合石膏基砂漿性能的影響

蔣婷 丁佩恒 宋旭艷 戴浩 陳家凡 童斌 郜志海

摘? 要：將粉煤灰等質(zhì)量取代重鈣，研究粉煤灰對(duì)混合石膏基砂漿體系力學(xué)性能以及耐水性能的影響，進(jìn)而采用X射線(xiàn)衍射分析（XRD）和掃描電鏡分析（SEM）等現(xiàn)代測(cè)試方法對(duì)其水化性能進(jìn)行追蹤測(cè)定。結(jié)果表明，粉煤灰取代率在15%～20%之間時(shí)，砂漿中鈣礬石（AFt）含量明顯增多，其填充于水化相的空隙中，促使砂漿微觀結(jié)構(gòu)更加致密，砂漿強(qiáng)度增大、耐水性提高，砂漿軟化系數(shù)達(dá)到了0.50。建議粉煤灰取代率為15%～20%，此時(shí)制備出的混合石膏基找平砂漿經(jīng)濟(jì)性高、性能優(yōu)良。

關(guān)鍵詞：粉煤灰? 工業(yè)廢石膏? 耐水性? 微觀機(jī)理

中圖分類(lèi)號(hào)：TU578.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（b）-0057-04

Influence of Fly Ash on the Properties of Mixed Gypsum-Based Mortar

JIANG Ting1? DING Peiheng1? SONG Xuyan1*? DAI Hao2? CHEN Jiafan3? TONG Bin1? GAO Zhihai1

（1.School of Civil Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou， Jiangsu province， 215011 China;2.Suzhou Branch of Jiangsu Zhaojia Building Material Technology Co.， Ltd.， suzhou， jiangsu province， 215151 China;3.Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics（SINANO）， Chinese Academy of Sciences， suzhou， jiangsu proivince， 215123? China）

Abstract： The influence of fly ash on the mechanical properties and water resistance of gypsum based mortar was studied by replacing heavy calcium with fly ash. The hydration properties of gypsum based mortar were determined by XRD and SEM. The results show that when the replacement rate of fly ash is between 15% and 20%， the content of ettringite （AFT） in mortar increases obviously， which fills in the voids of hydration phase， makes the microstructure of mortar more compact， the strength and water resistance of mortar increase， and the softening coefficient of mortar reaches 0.50. It is suggested that the replacement rate of fly ash should be 15% ～ 20%. At this time， the prepared mixed gypsum based leveling mortar has high economy and excellent performance.

Key Words： Fly ash; Industrial waste gypsum; Water resistance; Microscopic mechanism

采用脫硫石膏、骨料、摻合料和外加劑等制備的石膏基砂漿，是地面填充的理想材料。而磷石膏是生產(chǎn)磷酸時(shí)產(chǎn)生的固廢石膏，產(chǎn)量巨大，但其中含有未分解的雜質(zhì)，雜質(zhì)對(duì)制品性能產(chǎn)生不利影響，極大降低了利用率。為提高磷石膏利用率，本文在脫硫石膏基砂漿配比基礎(chǔ)上制備混合石膏基砂漿，探究摻合料對(duì)砂漿力學(xué)性能和耐水性能的影響，并借助XRD和SEM對(duì)砂漿進(jìn)行微觀分析，旨在為混合石膏基應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1? 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用磷石膏和脫硫石膏為研究對(duì)象，兩種石膏的XRD結(jié)果見(jiàn)圖1。結(jié)合圖1可知，原狀磷石膏主要礦物成分為二水石膏，對(duì)其進(jìn)行150℃熱處理后，成分以半水石膏為主，因而試驗(yàn)對(duì)熱處理磷石膏開(kāi)展研究;脫硫石膏主要成分為半水石膏。水泥采用海螺牌P·O42.5。

1.2 配比設(shè)計(jì)

脫硫石膏基砂漿的基本性能如表1所示，滿(mǎn)足規(guī)范要求。在此基礎(chǔ)上，采用磷石膏取代脫硫石膏配制混合石膏砂漿。砂漿的基準(zhǔn)配比如表2所示，其中減水劑、緩凝劑摻量為膠凝材料總量的百分比，消泡劑、保水劑為粉料總量的百分比，水膠比為0.62。為探究粉煤灰對(duì)混合石膏基砂漿性能的影響，采用粉煤灰取代重鈣制備砂漿進(jìn)行試驗(yàn)，粉煤灰取代率為重鈣質(zhì)量的0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%，分別用F0～F6表示。

1.3 試驗(yàn)方法

參照《石膏基自流平砂漿》（JCT 1023-2007）對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。參照《建筑石膏力學(xué)性能的測(cè)定》（GBT 17669.3-1999）對(duì)耐水性能進(jìn)行測(cè)試。參照《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》（JC/T 603-2004）對(duì)干縮性能進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)XRD分析養(yǎng)護(hù)3d和28d時(shí)砂漿水化產(chǎn)物，所用儀器為D8-FOCUS型衍射儀，測(cè)試角度為5°～70°（2θ），使用SEM觀察養(yǎng)護(hù)28d時(shí)砂漿微觀形貌。

2? 結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰對(duì)混合石膏基找平砂漿力學(xué)性能的影響

地面找平砂漿需要擁有高強(qiáng)度，以達(dá)到承人載物的要求，研究表明粉煤灰可以改善砂漿強(qiáng)度[1-3]。史琛[4]研究水泥-石膏混合砂漿的流變性能及力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉煤灰摻量在20%時(shí)，材料強(qiáng)度大于基準(zhǔn)樣。粉煤灰中活性礦物成分會(huì)影響砂漿水化，促使更多水化產(chǎn)物生成，提升力學(xué)性能[5]。因此，本節(jié)研究粉煤灰對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，砂漿強(qiáng)度均大于粉煤灰取代率為0%的基準(zhǔn)樣，說(shuō)明粉煤灰提升漿體力學(xué)性能。隨著粉煤灰取代率從10%增加到20%，強(qiáng)度逐漸提高，水化生成的二水石膏為早期強(qiáng)度的形成提供了基本骨架[6]，同時(shí)粉煤灰中活性成分在硫酸鹽環(huán)境下被激發(fā)，水化生成AFt，提高砂漿強(qiáng)度;繼續(xù)增加摻合料至30%，強(qiáng)度有所減小，可能是過(guò)量粉煤灰未得到完全激發(fā)，形成的結(jié)晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)減少，對(duì)提高強(qiáng)度有所不利。

2.2 粉煤灰對(duì)混合石膏基找平砂漿耐水性能的影響

石膏基找平砂漿材料耐水性差，此缺陷導(dǎo)致石膏得不到大范圍應(yīng)用，而粉煤灰火山灰效果和微集料作用會(huì)使?jié){體孔結(jié)構(gòu)得到改善，促進(jìn)砂漿獲得較好的鎖水效果[7]。因此本節(jié)研究粉煤灰對(duì)砂漿絕干強(qiáng)度和濕強(qiáng)度的影響，而軟化系數(shù)可以評(píng)價(jià)耐水性能，軟化系數(shù)越大說(shuō)明耐水性能越好[8，9]，結(jié)果如表3所示。

從表3可知，粉煤灰可以增強(qiáng)耐水性能。粉煤灰取代率從0%增加至15%時(shí)，軟化系數(shù)增大，耐水性能不斷增強(qiáng)，這是因?yàn)榉勖夯抑芯哂谢钚缘腟iO2和Al2O3與砂漿中氫氧化鈣和水發(fā)生二次反應(yīng)，生成大量AFt，產(chǎn)物填充于孔隙中，增強(qiáng)砂漿密實(shí)度，提高耐水性。隨取代率繼續(xù)增大至30%，砂漿軟化系數(shù)將降低，因此取代率在10%～20%時(shí)耐水性能更優(yōu)。

2.3 粉煤灰對(duì)混合石膏基找平砂漿微觀性能的影響

通過(guò)SEM和XRD分析粉煤灰對(duì)砂漿微觀性能影響，以探討砂漿硬化過(guò)程中礦物組成、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)強(qiáng)度性能關(guān)系。本節(jié)研究粉煤灰取代率為0%、10%、20%、30%時(shí)砂漿微觀結(jié)構(gòu)，其中XRD圖譜如圖3所示，SEM形貌如圖4所示。

由圖3可知，砂漿硬化體系水化產(chǎn)物有AFt。3d齡期時(shí)粉煤灰取代率從10%增加至20%，AFt的衍射峰有所增強(qiáng)，生成大量AFt，砂漿強(qiáng)度和耐水性能有較大提升，同時(shí)由2.1節(jié)力學(xué)性能和2.2節(jié)軟化系數(shù)結(jié)果可知，在此范圍內(nèi)，砂漿力學(xué)性能和耐水性能得到提高。而取代率30%時(shí)，AFt衍射峰有所減弱，砂漿強(qiáng)度降低。28d齡期時(shí)AFt的衍射峰明顯增多。

圖4為硬化體系水化28d的SEM形貌圖。由圖4（a）可知，水化產(chǎn)物有針狀A(yù)Ft，它們相互交叉搭接，但存在部分空隙。觀察圖4（b），粉煤灰取代10%時(shí)出現(xiàn)明顯針狀A(yù)Ft，產(chǎn)物相互搭接構(gòu)成漿體骨架，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而未水化的粉煤灰微小顆粒填充于石膏晶體間。由圖4（c）可知，水化產(chǎn)物中針狀A(yù)Ft明顯增多，產(chǎn)物包裹著板狀石膏晶體，使得水化相中的空隙被填充，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更為致密，這將很大程度上增強(qiáng)砂漿的強(qiáng)度和耐水性能。由圖4（d）可見(jiàn)，粉煤灰取代30%時(shí)，水化產(chǎn)物中柱狀的晶體、AFt明顯減少，未水化的粉煤灰顆粒散落在產(chǎn)物之間，結(jié)構(gòu)疏松且存在較多空隙，導(dǎo)致砂強(qiáng)度和耐水性能均有所降低，這與2.1節(jié)強(qiáng)度結(jié)果和2.2節(jié)耐水性能結(jié)果建立起緊密的聯(lián)系。

3? 結(jié)語(yǔ)

（1）粉煤灰對(duì)砂漿各齡期的強(qiáng)度有所增強(qiáng)，當(dāng)粉煤灰取代率15%時(shí)砂漿的軟化系數(shù)較優(yōu)，耐水性能好。粉煤灰取代率15%～20%時(shí)砂漿體系中AFt含量較多，水化相中的空隙被填充，微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)致密，顯著改善了砂漿的力學(xué)性能和耐水性能。

（2）綜合考慮砂漿基本性能和耐久性等方面的要求，建議粉煤灰取代率15%～20%，此時(shí)制備出的混合石膏基砂漿經(jīng)濟(jì)性高、性能優(yōu)良。

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