石膏-水泥-堿-礦渣復合膠凝體系對石膏基自流平砂漿性能的影響

（江蘇兆佳建材科技有限公司蘇州分公司，江蘇 蘇州 215151）

0 前言

近年來，石膏行業發展迅猛，石膏基材料在建筑領域得到了越來越多的應用，其中石膏基自流平砂漿是最受推崇和關注的材料之一。水泥基自流平砂漿在地面建筑工程中已經取得了廣泛的認可，得到了大力的推廣和應用。但是，收縮開裂始終是水泥基自流平砂漿最突出的問題之一，使得其施工厚度和施工面積受到限制。而石膏基自流平砂漿的尺寸穩定性好，抗裂性能更強[1]，已經被證明可以進行厚度為5cm左右的施工。此外，凝結硬化速度快，即使在冬季低溫條件下仍可以正常凝結硬化，有利于縮短工期。因此，在地暖回填系統中，石膏基自流平砂漿得到了越來越多的使用。然而，與水泥基材料相比，石膏基材料存在耐水性較差，強度偏低的缺點[2]。以往的研究表明，在石膏中內摻水泥可以改善石膏的耐水性和強度[3]。針對上述問題，本文以此為基礎，進一步研究了水泥、堿、礦渣對石膏基自流平砂漿性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料

膠凝材料：脫硫石膏，壽光市睿達建材科技有限公司；P.O42.5硅酸鹽水泥，常州盤固水泥有限公司；礦渣，比表面積460m2/kg，南京梅山鋼鐵有限公司；氫氧化鈣，分析純。表1是脫硫石膏性能，表2為脫硫石膏、水泥和礦渣成分。

表1 石膏基本性能

表2 石膏、水泥和礦渣化學成分/%

骨料及填料：70～140目水洗河砂；400目重鈣粉。

外加劑：PC-8300聚羧酸減水劑；G18N石膏緩凝劑，蛋白類；400E羥丙基甲級纖維素醚(HPMC)，400mPa.s；D130消泡劑，礦物油類。

1.2 試驗配比

膠凝材料、重鈣、砂的摻量分別為50%、10%、40%，膠凝體系配比如表3所示。外加劑按膠凝材料、骨料和填料的總質量進行外摻，減水劑、石膏緩凝劑、纖維素醚、消泡劑的摻量分別為0.2%、0.1%、0.06%、0.08%。水料比為0.3。

表3 石膏基自流平砂漿膠凝體系配比/%

1.3 試驗方法

砂漿制備、流動度、凝結時間、強度和尺寸變化率測試參照JC/T 1023-2007《石膏基自流平砂漿》行業標準。強度測試中，試件脫模后在標準試驗條件下養護，測試24h和28d強度。耐水性能測試：將兩聯標準試樣養護至28d齡期，取其中一聯試樣于20℃水中浸泡24h，取出后用擰干的濕抹布擦掉飽水試件的表面水分，進行強度試驗測得飽水強度，另一聯移至40±2℃鼓風干燥箱中烘干至恒重，冷卻至室溫測試絕干強度。飽水抗壓強度與絕干抗壓強度的比值即軟化系數。微觀測試樣品制備及方法：按0.5水膠比制備凈漿，與砂漿在同等條件下養護至一定齡期，敲取中間部分置于酒精中終止水化，在真空干燥箱中烘至恒重，在瑪瑙研缽中磨成粉末，使用Dmax/RB型X射線衍射儀進行測試；微觀形貌測試使用JSM-5900掃描電鏡，取凈漿試塊中間部分的斷面作為樣品。

2 結果與討論

2.1 流動度和凝結時間

表4為石膏基自流平砂漿流動度和凝結時間的測試結果。

從表4中A組試驗結果可以看出，石膏基自流平砂漿中摻入少量水泥之后，砂漿的初始流動度有了顯著提升，繼續增加水泥對石膏的替代量，砂漿的流動度仍有增加的趨勢，但30min的流動度逐漸降低，即流動度經時損失逐漸加大。石膏緩凝劑不能限制水泥的水化，當水泥摻量較高時，水泥的水化產物會使得漿體塑性降低。同時，石膏呈弱酸性，會消耗一部分水泥水化生成的Ca(OH)2，加速水泥的水化。從凝結時間的試驗結果可以發現，隨著水泥摻量的增加，石膏基自流平砂漿的凝結時間逐漸縮短。一方面，水泥會影響石膏的水化反應進程。水泥溶于水后，迅速生成大量的Ca2+和OH-。Ca2+的存在，有利于Ca2++SO4-+2H2O→CaSO4·2H2O式中化學平衡向右移動，即促進二水石膏的生成[2]；此外，水泥中還含有3%～5%的二水石膏，二水石膏作為晶種，會顯著促進二水石膏晶體的生成，水泥摻量越高，這一作用越明顯[4]。另一方面，水泥會影響緩凝劑的作用發揮。緩凝劑與Ca2+形成絡合物，絡合物的穩定性與pH有關，在酸性和強堿條件下，絡合物的穩定性較差，進而表現為緩凝作用降低[5]。

表4 石膏基自流平砂漿的流動度和凝結時間

在A2 配比的基礎上，用礦渣替代水泥，替代量為0～75%時，石膏基自流平砂漿的初始流動度幾乎無變化，流動度經時損失逐漸減小；當替代量為100%時，砂漿流動度顯著降低，這是因為在非堿性條件下，聚羧酸減水劑的吸附作用會降低，進而影響減水率。由于水泥摻量逐漸降低，該組砂漿的凝結時間則逐漸延長。

在C組的四元體系中，隨著氫氧化鈣對水泥替代量的增加，自流平砂漿的流動度逐漸降低，可能是因為氫氧化鈣的細度大，需水量高，使得砂漿中的自由水減少，導致流動性降低。對比B2和C組的凝結時間，摻入氫氧化鈣之后，砂漿的凝結時間有所縮短，但繼續增加氫氧化鈣的摻量，砂漿的凝結時間變化不大。因此，氫氧化鈣可以縮短石膏基自流平砂漿的凝結時間，但達到一定的飽和摻量之后對凝結時間的影響則不大。

2.2 強度

試驗了不同膠凝體系對石膏基自流平砂漿24h和28d強度的影響，結果如圖1所示。

圖1 石膏基自流平砂漿的強度

在石膏-水泥二元體系自流平砂漿中，隨著水泥的摻入，砂漿的強度有顯著提高，水泥摻量為10%時，砂漿的強度達到最大值，繼續增加水泥摻量，強度有少許的降低。水泥和石膏會相互促進水化反應，快速水化的水泥可以改善復合體系的早期強度。當水泥摻量較高時，水泥中的C3A會與石膏迅速反應生成鈣礬石，會限制水泥的水化，甚至可能在內部產生膨脹裂紋。

以A2配比為基礎，逐漸增加礦渣對水泥的替代量，砂漿的強度呈先升后降的趨勢，礦渣和水泥比例為1:1時，強度達到最大。礦渣具有火山灰活性，在硫酸鹽和堿的共同激發下，會使得活性SiO2和Al2O3溶解出來，與Ca(OH)2和硫酸鹽反應生成C-S-H凝膠和鈣礬石（AFt），可提高砂漿結構的密實性和力學性能[6]。

在B2基礎上，用氫氧化鈣替代部分水泥，砂漿的強度有了進一步提升，繼續增加氫氧化鈣的摻量，砂漿的強度又呈下降趨勢，這是因為當氫氧化鈣摻量較高時，有一部分氫氧化鈣沒參與水化反應，對強度貢獻較少。

2.3 耐水性

對比了A0、A2、B2和C1的耐水性能，分別對應不同的膠凝體系，試驗結果見表5。

表5 石膏基自流平砂漿耐水性試驗結果

從表5可見，純石膏體系的A0耐水性最差，而B2的耐水性最好。相較于A2，B2的耐水性提高顯著。一方面，B2復合體系中的石膏含量更低；另一方面，摻入礦渣之后，在后期生成了更多的水化產物，使得體系的結構更密實。C1的耐水性和B2相差不多。

2.4 尺寸變化率

分別試驗了A0、A2、B2和C1在標準試驗條件下的尺寸變化率，結果如圖2所示。

圖2 石膏基自流平砂漿干縮率試驗結果

純石膏體系的A0在早期有一定的微膨脹，之后開始收縮，但在7d之后，尺寸逐漸趨于穩定。在石膏中內摻水泥之后，自流平砂漿的收縮率有所增大，早期未出現微膨脹，后期仍然有增長趨勢。與A2相比，B2和C1的早期收縮率與之相當，7d之后有了進一步增大，B2和C1的收縮率則相差不大,可能是礦渣與Ca(OH)2晶體反應，削弱了Ca(OH)2晶體對干燥收縮的抑制作用[7]。

2.5 XRD分析

圖3為凈漿A0和C1水化28d的XRD圖譜。

圖3 水化產物XRD圖譜

從圖3(a)可以看出，A0 的水化產物中只有CaSO4·2H2O，而C1的水化產物則可以觀測到鈣礬石衍射峰，說明礦渣在硫酸鹽和堿激發的共同作用下生成了鈣礬石。對比圖3(a)和(b)，(b)中的背景峰明顯較強，這是由一部分無定型晶體導致的，包括C-H-S凝膠和未反應完全的礦渣。此外，圖譜上都沒有出現Ca(OH)2的衍射峰，應該是參與反應，被消耗完全。

2.6 微觀形貌分析

圖4為凈漿A0和C1凈漿水化產物的SEM圖。

圖4 凈漿水化產物SEM圖

純石膏的水化產物主要為柱狀晶體，在三維空間相互搭接，結構較為疏松。由復合膠凝體系組成的C1，水化產物則較復雜，除了二水石膏晶體之外，還有大量的絮凝狀的C-H-S凝膠和針狀的鈣礬石。C-S-H凝膠分布在二水石膏晶體表面和晶體之間的孔隙中，使整體的結構更為密實。針狀的鈣礬石相互交錯搭接，提高了體系的韌性。

3 結論

1）在石膏-水泥體系自流平砂漿中，隨著水泥摻量的增加，砂漿的流動度經時損失逐漸加大，凝結時間逐漸縮短，強度呈先增后降的趨勢，水泥摻量為膠凝材料10%時，強度達到最大。在石膏-水泥體系的基礎上，用礦渣替代水泥，砂漿的強度進一步提高，礦渣對水泥的最佳替代量為50%。在石膏-水泥-礦渣-氫氧化鈣體系中，隨著氫氧化鈣對水泥替代量的增加，砂漿的流動度逐漸降低，凝結時間先縮短后趨于平穩，強度也呈先增后降的趨勢，較三元體系進一步提高。

2）一元體系自流平砂漿的耐水性最差，但尺寸穩定性最好。摻有礦渣的三元和四元體系自流平砂漿的耐水性更好，干燥收縮率大于一元和二元體系。

3）礦渣具有潛在水硬性，在硫酸鹽和堿激發的作用下，與Ca(OH)2發生反應，生成了C-H-S凝膠和鈣礬石，使漿體結構更加密實，強度得以提高。