建筑石膏對(duì)預(yù)制混凝土早期強(qiáng)度影響的研究

0 引言

目前我國(guó)的建筑產(chǎn)業(yè)化處于起步階段，建筑構(gòu)件的生產(chǎn)、模板的周轉(zhuǎn)時(shí)間與國(guó)外相比時(shí)間較長(zhǎng)，其主要的原因是混凝土構(gòu)件的早期強(qiáng)度較低，達(dá)不到拆模的標(biāo)準(zhǔn)，從而影響了生產(chǎn)效率。為了提高預(yù)制混凝土構(gòu)件工廠化生產(chǎn)的效率，比較多的預(yù)制混凝土構(gòu)件通常在生產(chǎn)的時(shí)候會(huì)采用如蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝等以傳熱方式活化反應(yīng)物的技術(shù)手段。但是這類(lèi)蒸汽養(yǎng)護(hù)也會(huì)帶來(lái)延遲鈣礬石、混凝土早期強(qiáng)度快速發(fā)展帶來(lái)的內(nèi)部微缺陷增多等問(wèn)題。因此，影響構(gòu)件生產(chǎn)效率提高的關(guān)鍵因素就是預(yù)制構(gòu)件早期強(qiáng)度不足的問(wèn)題。要解決這一問(wèn)題，便要重點(diǎn)考慮如何選用合理的減水劑以及提高早期強(qiáng)度的早強(qiáng)劑，以便能夠加快模具的周轉(zhuǎn)，并能保證混凝土質(zhì)量，進(jìn)一步推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

1 石膏的機(jī)理

1.1 石膏的相

在自然界中，天然石膏通常以無(wú)水石膏（CaSO）和二水石膏（CaSO·1/2 HO）的形式存在的。正常條件下，二水石膏是穩(wěn)定的，而石膏水化和凝結(jié)的前提是脫水，所以二水石膏在高溫高壓條件下能夠全部或部分脫水，不同的處理?xiàng)l件，石膏的分子結(jié)構(gòu)和性能也會(huì)有所差異。當(dāng)在濕度較小的干燥環(huán)境中，當(dāng)二水石膏加熱到107℃到170℃時(shí)，就會(huì)脫水形成β型-半水石膏，普通建筑石膏主要就是這種成分；當(dāng)在飽和蒸汽壓的條件下或酸、鹽的水溶液中，加熱到在120℃到140℃時(shí)，便會(huì)脫水形成α型-半水石膏，這是高強(qiáng)建筑石膏的主要成分。目前，石膏中一般有5種形態(tài)，7種變種。在一般狀況下，只有Ⅱ型、Ⅲ型無(wú)水石膏、半水石膏（含α型和β型）和二水石膏4種狀態(tài)能獨(dú)立存在。目前建材行業(yè)基本上用的是半水石膏。

1.2 建筑石膏的機(jī)理

建筑石膏加入水進(jìn)行翻攪后，開(kāi)始溶于水的速度比較快，之后便會(huì)趨于穩(wěn)定，達(dá)到飽和。當(dāng)溫度約為20℃時(shí)，建筑石膏的溶解度大致為8.0g/L左右，二水石膏的溶解度就下降不少，約為2.0g/L左右，因此建筑石膏相對(duì)二水石膏而言，溶解度是過(guò)飽和的，因此，二水石膏會(huì)析出晶體，這種現(xiàn)象會(huì)破壞溶液中建筑石膏溶解度的平衡狀態(tài)，而這個(gè)時(shí)候建筑石膏會(huì)繼續(xù)溶解，補(bǔ)償建筑石膏因析晶而出現(xiàn)的硫酸鈣減少問(wèn)題。所以二水石膏不斷地析晶，建筑石膏不斷地溶解，形成一個(gè)連續(xù)且重復(fù)的過(guò)程，直到建筑石膏完全水化。此時(shí)活性摻合料在二水石膏和堿共同作用下水化形成硅酸鈣和鈣礬石。

2 石膏對(duì)水泥性能的影響

當(dāng)在水泥中加入石膏后，石膏可以放緩水泥的水化進(jìn)程，延遲水泥的凝結(jié)時(shí)間。在水泥的生產(chǎn)過(guò)程中，通常會(huì)摻入無(wú)水石膏（CaSO）、半水石膏（CaSO·1/2 HO）、二水石膏（CaSO·2HO）。常溫條件下，這三種石膏的溶解速度和溶解度不同，因此水泥漿體溶液中SO離子的濃度差異比較大。在水化初期，石膏與鋁酸三鈣（CA）反應(yīng)生成鈣礬石，覆蓋在水泥顆粒表面，CA早期的水化速度大大降低，水化溶液中硫酸根離子濃度與水泥中鋁酸三鈣含量的比例關(guān)系會(huì)直接影響減水劑與水泥相容性的好壞。由于石膏對(duì)水泥起著調(diào)凝作用，因而會(huì)減少水泥水化產(chǎn)物對(duì)減水劑的吞噬和包裹作用，改善了減水劑與水泥的相容性，減少漿體流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失，提高了減水劑的作用效果，進(jìn)而提高混凝土早期強(qiáng)度。

當(dāng)摻入適量石膏后，水泥熟料中鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣等含鋁鐵礦物水化速度會(huì)快速下降，水泥的水化時(shí)間也大幅延長(zhǎng)，較長(zhǎng)時(shí)間的可塑性更有利于水泥強(qiáng)度的發(fā)展。水泥水化后的鈣礬石的穩(wěn)定性主要取決于水泥石孔隙中的鈣離子、硫酸根離子、氫氧根離子及鋁酸根離子的含量。其中SO含量對(duì)鈣礬石的形成影響很大，所以配置預(yù)制混凝土?xí)r石膏的摻量比例要確定好。另外無(wú)水石膏相對(duì)于二水石膏而言，溶解速度慢，早期水化漿體溶液中SO離子濃度偏低，鈣礬石的生成量不多并且生成的時(shí)間比較遲，抑制鋁酸三鈣水化的能力不如建筑石膏和二水石膏。因此，本文最終選用建筑石膏來(lái)配置預(yù)制混凝土。CA水化后，無(wú)論是形成鈣礬石（AFt）還是水化鋁酸鈣和單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm），化合水的生成量取決于CA的反應(yīng)量。該體系具有兩面性，當(dāng)石膏摻量較少時(shí)，CA水化速度較快，進(jìn)而形成比較多的水化鋁酸鈣和AFm，此時(shí)雖然鈣礬石晶體數(shù)量能夠增加強(qiáng)度，但會(huì)導(dǎo)致水化后產(chǎn)物中的化學(xué)結(jié)合水含量增多。對(duì)于普通硅酸鹽水泥，主要靠C-SH凝膠提供化學(xué)結(jié)合水，摻入適量的石膏，能夠使硅酸三鈣（CS）的水化速度加快，產(chǎn)生較多的水化產(chǎn)物。

另外，建筑石膏的最佳摻量及對(duì)水泥水化的影響，受CA含量和水泥堿性氧化物含量等因素的制約。（堿性氧化物屬于水泥熟料中的次要成分，一般情況下含量低于2%）。目前，堿性氧化物含量對(duì)水泥的影響主要有以下幾種情況：

①使水泥漿體環(huán)境的堿度增加，有利于材料活性的提高，從而使水泥的水化速度加快，早期呈現(xiàn)出較高的強(qiáng)度。②當(dāng)水泥熟料中的堿性氧化物含量比較高時(shí)，首先堿與石膏發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生可溶性的硫酸鹽，使水泥的凝結(jié)速度大大提升。③堿性氧化物與水泥中的二氧化硅、碳酸鹽礦物等活性骨料發(fā)生堿骨料反應(yīng)，在骨料表面生成堿-硅酸凝膠，吸水后會(huì)體積膨脹，導(dǎo)致脹裂進(jìn)而降低水泥強(qiáng)度。

所以，石膏的摻入量與堿的含量有著十分密切的關(guān)系。一般情況下，水泥中堿摻量與石膏摻量呈正相關(guān)關(guān)系。

3 石膏對(duì)預(yù)制混凝土性能的影響

本試驗(yàn)利用建筑石膏來(lái)配置C40預(yù)制混凝土。

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本方案考慮建筑石膏、PCE1、早強(qiáng)劑（亞硫酸鈉）、激發(fā)劑（氫氧化鈉）、水膠比這5個(gè)因素，且以建筑石膏8%和10%的摻入量為基準(zhǔn)確定2水平，然后進(jìn)行8組試驗(yàn)和1組基準(zhǔn)試驗(yàn)，分析研究C40預(yù)制混凝土配合比問(wèn)題（如表1所示），以便確定建筑石膏的最優(yōu)摻入量。

表1 方案設(shè)計(jì)

在每組中我們需要拌制10L混凝土，本次試驗(yàn)采用的砂率為45%，所以每組混凝土中：砂子用量為8.18kg、石子用量為9.61kg、水泥用量為=4.5kg-Σ膠凝材料。每組三個(gè)試塊，分別分析研究1d、3d、28d混凝土的抗壓強(qiáng)度其試驗(yàn)方案（如表2所示）。

表2 試驗(yàn)方案

3.2 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)1d的抗壓強(qiáng)度（如表3所示）試驗(yàn)結(jié)果研究可知，基準(zhǔn)組為4.07MPa，只有試驗(yàn)組1的強(qiáng)度低于基準(zhǔn)組，其余7個(gè)試驗(yàn)組均超過(guò)了基準(zhǔn)組，且強(qiáng)度相對(duì)比較高。由此可以推測(cè)出建筑石膏對(duì)預(yù)制混凝土的早期強(qiáng)度有著較大的影響，可以用于預(yù)制構(gòu)件的制作和生產(chǎn)。

表3 1d試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)3d的抗壓強(qiáng)度（如表4所示）試驗(yàn)結(jié)果研究可知，基準(zhǔn)組為14.94MPa，試驗(yàn)組1為9.14MPa，仍然低于基準(zhǔn)組，其余的7個(gè)試驗(yàn)組同樣均超過(guò)了基準(zhǔn)組且強(qiáng)度高（如圖1所示），尤其是試驗(yàn)7組和試驗(yàn)8組，強(qiáng)度均為30MPa以上，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的75%以上，滿(mǎn)足了拆模的條件，使構(gòu)件的生產(chǎn)周期明顯縮短，生產(chǎn)效率得到有效的提升。

圖1 混凝土3d抗壓強(qiáng)度

表4 3d試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)28d的抗壓強(qiáng)度（如表5所示）試驗(yàn)結(jié)果研究可知，強(qiáng)度變化和早期有所不同，但是每個(gè)試驗(yàn)組的強(qiáng)度都滿(mǎn)足了C40混凝土的要求（如圖2所示）。試驗(yàn)組1在早期1d、3d均低于基準(zhǔn)組，但后期強(qiáng)度發(fā)展比較好；試驗(yàn)組5、6的后期強(qiáng)度相對(duì)較低一些，尤其是試驗(yàn)組6，后期強(qiáng)度竟低于基準(zhǔn)組；試驗(yàn)組7、8依舊狀態(tài)較好，無(wú)論早期還是后期，強(qiáng)度都是比較高，滿(mǎn)足預(yù)制混凝土相關(guān)要求。

圖2 混凝土28d抗壓強(qiáng)度

表5 28d試驗(yàn)結(jié)果

3.3 混凝土坍落度試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，基準(zhǔn)組的坍落度為210mm，試驗(yàn)組1為220mm，試驗(yàn)組2為230mm，試驗(yàn)組3為205mm，試驗(yàn)組4為225mm，試驗(yàn)組5為200mm，試驗(yàn)組6為225mm，試驗(yàn)組7為225mm，試驗(yàn)組8為230mm。（如圖3所示）可以看出試驗(yàn)組2、4、6、7、8的坍落度比較高，并且8個(gè)試驗(yàn)組中，試驗(yàn)組7摻入0.2%的早強(qiáng)型聚羧酸減水劑，其余試驗(yàn)組摻入量為0.25%，由此也能看出，PCE1摻入量多，坍落度也就越大。經(jīng)過(guò)綜合分析這8個(gè)試驗(yàn)組，得出試驗(yàn)7組和試驗(yàn)8組無(wú)論是在早期強(qiáng)度、后期強(qiáng)度、坍落度方面都比較理想，這兩組的配合比作為最佳配比，為構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

圖3 混凝土坍落度

4 小結(jié)

根據(jù)上述試驗(yàn)，通過(guò)試塊強(qiáng)度對(duì)比得知，對(duì)于摻入建筑石膏的試塊強(qiáng)度要高一些，并且對(duì)早期強(qiáng)度有較大的影響，因此可以判斷建筑石膏能夠在預(yù)制混凝土和預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)中使用。其中試驗(yàn)組7和試驗(yàn)組8的3d強(qiáng)度就超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的75%，完全滿(mǎn)足拆模條件，且坍落度也較好。綜合分析之后，取這兩個(gè)試驗(yàn)組配合比為最佳配比。所以說(shuō)摻入適量建筑石膏能有效地改善混凝土早強(qiáng)性能，縮短構(gòu)件生產(chǎn)周期，加快了模具周轉(zhuǎn)，大幅度提高了構(gòu)件生產(chǎn)效率。