石膏與礦渣粉對混凝土性能的影響研究

張玭

（中鐵九局集團工程檢測試驗有限公司，沈陽 110025）

1 引言

礦渣粉與石膏作為常見的摻合料在混凝土中有十分廣泛的應用，礦渣粉和石膏都能夠改善混凝土拌合物的性能，提高混凝土的力學性能和耐久性，在工程建設中有十分重要的價值。礦渣粉和石膏的使用，可以降低混凝土的成本，改善混凝土性能，擴大混凝土的應用范圍，具有極高的經濟價值。論文通過混凝土坍落度、抗壓強度、抗滲性能等方面，分析礦渣粉、石膏對混凝土的拌合物性能、力學性能及耐久性的影響，系統研究了石膏與礦渣粉在混凝土中的作用。

2 原材料和方案

2.1 原材料

礦渣粉產自遼寧礦渣微粉有限責任公司，用試驗球磨機粉磨至比表面積為425m2/kg。石膏產自三鋼集團，石膏主要成分包括三氧化硫、氧化鈣、二氧化硅、氧化鎂等。試驗所用水泥選擇遼寧銀盛水泥集團有限公司P·O 42.5級水泥，水泥的比表面積為340m2/kg，標準稠度用水量為26.8%，初凝與終凝時間分別為164min和229min，28d 抗壓強度為47.5MPa，抗折強度為7.8MPa。試驗所選擇的細骨料為河砂，細度模數2.8，表觀密度為2630kg/m3，堆積密度為1560kg/m3，含泥量為1.6%。粗骨料為5～31.5mm三級配碎石。試驗采用的減水劑為沈陽市眾邦建筑材料有限公司ZB-J聚羧酸高性能減水劑（標準型）。

2.2 試驗方案

設置兩組試驗，第一組將礦渣粉分別以10%、20%、30%、40%、50%的比例等質量取代水泥進行混凝土試驗，另一組在摻加不同配比礦渣粉的基礎上，摻加2%的石膏（配合比數據詳見表1），按照混凝土配比要求，合理設計配合比。調整礦渣粉的摻量，制備混凝土，測量坍落度、混凝土立方體試塊抗壓強度以及滲水性能。

3 試驗結果分析

3.1 石膏和礦渣粉摻量變化對混凝土拌合物性能的影響

表1 石膏和礦渣粉摻量變化對混凝土拌合物性能的影響

對比只摻加礦渣粉的混凝土和摻加石膏礦渣粉的混凝土材料來看，坍落度變化并不明顯，不超過10mm，隨著礦渣粉和石膏摻量的增加，混凝土坍落度有增加的趨勢，但達到一定摻量后，坍落度值變化基本不變。

3.2 石膏和礦渣粉摻量變化對混凝土抗壓強度的影響

通過試驗結果可以看出，摻加石膏之后的礦渣粉混凝土與不摻石膏的礦渣混凝土相比，在七天后相應強度提高了約10%，一個月后抗壓強度提高了約2%。摻加石膏的混凝土強度早期提升較快，28天齡期后強度趨于穩定，對后期影響較小[1]。

圖1 礦渣粉摻量變化對混凝土抗壓強度的影響

圖2 石膏和礦渣粉摻量變化對混凝土抗壓強度的影響

3.3 石膏和礦渣粉摻量變化對混凝土耐久性的影響

試驗表明，隨著礦粉摻量的增加，混凝土的滲水深度明顯降低，抗滲等級由P6提升至P10，說明礦渣粉可以有效改善混凝土的抗滲性能。但達到一定值后，數值又趨于穩定。而在礦粉摻量遞增的同時加2%的石膏后，抗滲等級可由P8提升至P12，混凝土的抗滲性能略有提升，但變化不大。

4 原因分析

4.1 作用機理

隨著礦渣粉分別取代混凝土中水泥用量的10%、20%、30%、40%、50%對水泥水化的影響，摻入礦渣粉后混凝土的粘聚性和保水性都有不同程度的改善。礦渣粉具有一定的輔助減水作用，隨著礦渣粉取代水泥量的增加，混凝土坍落度同時加大。

將摻加石膏和礦渣粉的水泥復合凝膠材料與只摻加礦渣粉的水泥復合膠凝材料相比，可以看出，膠凝材料在早期水化過程中會出現比較多的鈣礬石AFt和氫氧化鈣。這可以說明石膏能夠在一定程度上促進AFt的生成，提高混凝土材料的早期強度。此外，石膏也可以促進水泥中硅酸三鈣的水化，形成結構更加穩定的水化硅酸鈣凝膠，鈣礬石還可以與水化硅酸鈣發生凝膠膠質反應，形成致密結構，提高混凝土的力學性能[2]。

混凝土的抗壓強度測試結果表明，摻入石膏和礦渣粉之后抗壓強度有一定程度的提高，在七天左右混凝土抗壓強度提高達到最大。分析抗壓強度結果顯示，石膏加速了水泥和礦渣粉復合材料的水化速度，顯著提高了混凝土的早期強度，促進混凝土內部鈣礬石的形成，使得混凝土強度穩定進程加快。而且在摻加石膏之后，混凝土的抗滲性能有一定的提升，說明石膏的摻入提高了混凝土的耐久性能。分析水化產物，推測材料耐久性能提高是由于早期生成的鈣礬石不僅能夠提高強度，也可以吸附和結合水分子，引起體積膨脹，抵消水化進程中體積收縮效果，使得水化產物結構更穩定，從而提高混凝土的長期性能和耐久性能[4]。

4.2 水化熱

石膏和礦渣粉也會對混凝土復合體系水化熱產生影響，試驗結果顯示，隨著礦渣粉含量的不斷增加，復合混凝土體系的最高水化熱和水化溫度都會降低，摻加石膏之后，相應的膠凝材料的水化熱和水化溫度都會提高。水化熱的分析表明，石膏的加入可以促進混凝土體系的水化反應，提高早期材料強度和水化速度，表現出石膏和礦渣粉的早期活性激發作用，保證混凝土的早期使用強度[3]。

5 結語

綜上所述，石膏和礦渣粉可以有效改善混凝土拌合物的力學性能和耐久性能，從而保證混凝土的質量，并且摻加適量的石膏和礦渣粉可以降低混凝土的成本，具有較高的經濟效益和社會價值。