粉煤灰對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：將粉煤灰等質量取代重鈣，研究粉煤灰對混合石膏基砂漿體系力學性能以及耐水性能的影響，進而采用X射線衍射分析（XRD）和掃描電鏡分析（SEM）等現代測試方法對其水化性能進行追蹤測定。結果表明，粉煤灰取代率在15%～20%之間時，砂漿中鈣礬石（AFt）含量明顯增多，其填充于水化相的空隙中，促使砂漿微觀結構更加致密，砂漿強度增大、耐水性提高，砂漿軟化系數達到了0.50。建議粉煤灰取代率為15%～20%，此時制備出的混合石膏基找平砂漿經濟性高、性能優良。

關鍵詞：粉煤灰? 工業廢石膏? 耐水性? 微觀機理

中圖分類號：TU578.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：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。而磷石膏是生產磷酸時產生的固廢石膏，產量巨大，但其中含有未分解的雜質，雜質對制品性能產生不利影響，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上制備混合石膏基砂漿，探究摻合料對砂漿力學性能和耐水性能的影響，并借助XRD和SEM對砂漿進行微觀分析，旨在為混合石膏基應用提供試驗依據。

1? 實驗

1.1 原材料

試驗采用磷石膏和脫硫石膏為研究對象，兩種石膏的XRD結果見圖1。結合圖1可知，原狀磷石膏主要礦物成分為二水石膏，對其進行150℃熱處理后，成分以半水石膏為主，因而試驗對熱處理磷石膏開展研究;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 配比設計

脫硫石膏基砂漿的基本性能如表1所示，滿足規范要求。在此基礎上，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行試驗，粉煤灰取代率為重鈣質量的0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%，分別用F0～F6表示。

1.3 試驗方法

參照《石膏基自流平砂漿》（JCT 1023-2007）對強度進行測試。參照《建筑石膏力學性能的測定》（GBT 17669.3-1999）對耐水性能進行測試。參照《水泥膠砂干縮試驗方法》（JC/T 603-2004）對干縮性能進行測試。通過XRD分析養護3d和28d時砂漿水化產物，所用儀器為D8-FOCUS型衍射儀，測試角度為5°～70°（2θ），使用SEM觀察養護28d時砂漿微觀形貌。

2? 結果與分析

2.1 粉煤灰對混合石膏基找平砂漿力學性能的影響

地面找平砂漿需要擁有高強度，以達到承人載物的要求，研究表明粉煤灰可以改善砂漿強度[1-3]。史琛[4]研究水泥-石膏混合砂漿的流變性能及力學性能，發現當粉煤灰摻量在20%時，材料強度大于基準樣。粉煤灰中活性礦物成分會影響砂漿水化，促使更多水化產物生成，提升力學性能[5]。因此，本節研究粉煤灰對砂漿強度的影響，結果如圖2所示。

由圖2可知，砂漿強度均大于粉煤灰取代率為0%的基準樣，說明粉煤灰提升漿體力學性能。隨著粉煤灰取代率從10%增加到20%，強度逐漸提高，水化生成的二水石膏為早期強度的形成提供了基本骨架[6]，同時粉煤灰中活性成分在硫酸鹽環境下被激發，水化生成AFt，提高砂漿強度;繼續增加摻合料至30%，強度有所減小，可能是過量粉煤灰未得到完全激發，形成的結晶網狀結構減少，對提高強度有所不利。

2.2 粉煤灰對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，此缺陷導致石膏得不到大范圍應用，而粉煤灰火山灰效果和微集料作用會使漿體孔結構得到改善，促進砂漿獲得較好的鎖水效果[7]。因此本節研究粉煤灰對砂漿絕干強度和濕強度的影響，而軟化系數可以評價耐水性能，軟化系數越大說明耐水性能越好[8，9]，結果如表3所示。

從表3可知，粉煤灰可以增強耐水性能。粉煤灰取代率從0%增加至15%時，軟化系數增大，耐水性能不斷增強，這是因為粉煤灰中具有活性的SiO2和Al2O3與砂漿中氫氧化鈣和水發生二次反應，生成大量AFt，產物填充于孔隙中，增強砂漿密實度，提高耐水性。隨取代率繼續增大至30%，砂漿軟化系數將降低，因此取代率在10%～20%時耐水性能更優。

2.3 粉煤灰對混合石膏基找平砂漿微觀性能的影響

通過SEM和XRD分析粉煤灰對砂漿微觀性能影響，以探討砂漿硬化過程中礦物組成、微觀結構、力學強度性能關系。本節研究粉煤灰取代率為0%、10%、20%、30%時砂漿微觀結構，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物有AFt。3d齡期時粉煤灰取代率從10%增加至20%，AFt的衍射峰有所增強，生成大量AFt，砂漿強度和耐水性能有較大提升，同時由2.1節力學性能和2.2節軟化系數結果可知，在此范圍內，砂漿力學性能和耐水性能得到提高。而取代率30%時，AFt衍射峰有所減弱，砂漿強度降低。28d齡期時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，水化產物有針狀AFt，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%時出現明顯針狀AFt，產物相互搭接構成漿體骨架，形成網狀結構，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，水化產物中針狀AFt明顯增多，產物包裹著板狀石膏晶體，使得水化相中的空隙被填充，網狀結構更為致密，這將很大程度上增強砂漿的強度和耐水性能。由圖4（d）可見，粉煤灰取代30%時，水化產物中柱狀的晶體、AFt明顯減少，未水化的粉煤灰顆粒散落在產物之間，結構疏松且存在較多空隙，導致砂強度和耐水性能均有所降低，這與2.1節強度結果和2.2節耐水性能結果建立起緊密的聯系。

3? 結語

（1）粉煤灰對砂漿各齡期的強度有所增強，當粉煤灰取代率15%時砂漿的軟化系數較優，耐水性能好。粉煤灰取代率15%～20%時砂漿體系中AFt含量較多，水化相中的空隙被填充，微觀結構相對致密，顯著改善了砂漿的力學性能和耐水性能。

（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%，此時制備出的混合石膏基砂漿經濟性高、性能優良。

參考文獻

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