石膏-水泥二元膠凝體系對石膏基砂漿性能的影響

周 文

（福建省建設工程質量安全總站，福建 福州 350008）

0 引言

傳統抹灰砂漿以水泥砂漿或水泥石灰砂漿為主，存在粘結力低、干縮大、易開裂、空鼓、后期修補困難等缺點，因此研究新型抹灰砂漿勢在必行。石膏基抹灰砂漿是一種適用于室內抹灰的新型綠色環保材料，具有綠色環保、施工性能好、粘結力強等優點，解決傳統抹灰砂漿存在的易開裂、空鼓、脫落等質量通病，可作為傳統水泥抹灰砂漿的替代品[1]。

目前，國內學者對石膏基砂漿組成材料對其性能的影響進行了較為系統的研究。琚誠蘭等[2]研究發現，隨著硅酸鹽水泥摻量的增加，石膏基自流平砂漿的初始流動度增加、凝結時間縮短、力學性能呈先增加后降低的趨勢。王存等[3]研究發現，摻入纖維素醚和可再分散乳膠粉這兩種有機聚合物對石膏基砂漿的流動度、拉伸粘結強度均有提升；隨著纖維素醚摻量的提高，石膏基砂漿的抗壓、抗折強度總體呈現先上升后下降的趨勢；可再分散乳膠粉對抗折強度有小幅度提升，而抗壓強度呈持續下降的趨勢。楊奇瑋等[4]研究了不同種類細骨料對石膏基自流平砂漿性能的影響，研究結果表明，摻入石英砂的砂漿流動性和力學性能均優于摻碳酸鈣的砂漿。李亞梅等[5]研究了聚丙烯纖維對抗裂砂漿性能的影響，當聚丙烯纖維摻入的長度為6mm 時，能有效提高砂漿的抗拉強度及抗滲性，減少微裂紋的產生。在此基礎上，本試驗通過采用石膏作為主要膠凝材料，輔以普通硅酸鹽水泥，再以石英砂為骨料，選用兩種有機聚合物可分散膠粉及羥丙基甲基纖維醚，并摻加聚丙烯抗裂纖維來制備性能優異的石膏基抹灰砂漿。

1 試驗

1.1 原材料

（1）石膏：主要化學成分為CaSO4·2H2O，經120℃溫度烘干后大多以茁型半水石膏（茁-CaSO4·1/2H2O）形式存在，加熱至128℃，繼續轉變至熟石膏（CaSO4·H2O），163℃以上變成無水石膏（CaSO4·）[6]。其物理性能見表1。

（2）水泥：采用煉石水泥有限公司生產的普通硅酸鹽水泥，型號為P·O42.5，物理力學性能指標見表2。

表1 天然石膏粉的物理性能指標

表2 水泥物理力學性能指標

（3）細骨料：石英砂，顆粒粒徑在0.1～0.3mm 之間。

（4）可分散膠粉：采用歐萊斯（天津）化工有限公司生產的可分散膠粉，為白色固體粉末。

（5）羥丙基甲基纖維醚（HPMC）：采用河南美凱精細化工有限公司生產的羥丙基甲基纖維醚（HPMC）。

（6）聚丙烯抗裂纖維：采用山東騰鑫新材料有限公司生產的聚丙烯抗裂纖維，長度為6mm。

1.2 試驗設計

天然石膏粉末需在試驗前經熱處理，使主要成分二水石膏轉變成具有良好膠凝性能的半水石膏。水泥和石膏總的膠凝材料用量不變，水膠比固定為0.45，石英砂∶膠凝材料=1.3∶1（質量比），可分散膠粉、羥丙基甲基纖維醚和聚丙烯抗裂纖維均采用外摻，用量分別為膠凝材料總量的3.6%、1.2%和1.2%。設定水泥的摻量分別為0%、15%、30%、45%，石膏基砂漿膠凝材料體系配比如表3 所示。石膏基砂漿的凝結時間試驗參照標準GB/T 17669.4-1999《建筑石膏凈漿物理性能的測定》進行；抗折強度、抗壓強度試驗參照標準GB/T 17669.3-1999《建筑石膏力學性能的測定》進行；拉伸粘結強度試驗參照標準JGJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》進行；保水率試驗參照標準GB/T 28627-2012《抹灰石膏》進行；導熱系數試驗參照標準GB/T 10294-2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》進行。

表3 石膏基砂漿膠凝材料體系配比 %

2 試驗結果及分析

2.1 普通硅酸鹽水泥對石膏基砂漿拌合物性能的影響

普通硅酸鹽水泥對石膏基砂漿拌合物性能的影響結果見表4和圖1、圖2。

表4 普通硅酸鹽水泥對石膏基砂漿拌合物性能的影響

圖1 不同水泥摻量石膏基砂漿凝結時間

圖2 不同水泥摻量石膏基砂漿保水率

由表4 和圖1 結果可知，隨著二元膠凝體系中水泥摻量的提高，石膏基砂漿的凝結時間縮短。其原因分析如下：水泥的比表面積遠小于石膏，水泥等量替代石膏后，水泥和石膏組成的膠凝材料總的比表面積下降，標準稠度用水量降低，石膏基砂漿的需水量減少，需水量的減少使二水石膏溶液過飽和度增加，其成核與析晶速率加快，從而使凝結時間縮短。

由表4 和圖2 結果可知，隨著二元膠凝體系中水泥摻量的提高，石膏基砂漿的保水率增加，保水性能提高。其原因分析如下：普通硅酸鹽水泥遇水后會迅速生成氫氧化鈣，氫氧化鈣會覆蓋在石膏漿體表面，避免了水分直接進入石膏晶體內部，從而大大減小水對石膏的溶解作用，提高石膏基砂漿的保水性。

2.2 普通硅酸鹽水泥對石膏基砂漿力學性能的影響

普通硅酸鹽水泥對石膏基砂漿力學性能的影響結果見表5 和圖3。

表5 普通硅酸鹽水泥對石膏基砂漿力學性能的影響

圖3 不同水泥摻量石膏基砂漿強度

由表5 和圖3 結果可知，隨著水泥摻量的提高，石膏基砂漿的抗折強度、抗壓強度和拉伸粘結強度先增加后降低，水泥摻量為30%時，石膏基砂漿力學性能最好。其原因分析如下：純石膏砂漿在硬化后，主要成分是二水石膏（CaSO4·2H2O）。由于二水石膏主要為單一的棒狀或條狀晶體，且尺寸較大，無法形成相互交錯的網絡結構，結構疏松，存在著大量孔隙[7]。水泥的摻加對石膏基砂漿強度的提升有一定作用，取決于水泥-石膏二元膠凝材料體系的水化產物C-S-H 凝膠和鈣礬石的共同作用[8]。針狀鈣礬石晶體與棒條狀的二水石膏晶體相互搭接，C-S-H 凝膠填充在硬化體內部結構中[9]，使得石膏基砂漿漿體的內部孔隙率更低，晶體結構更密實，穩定性更強，從而提高了強度性能。當水泥含量進一步擴大后，由于石膏基砂漿組成中的水泥比重增大，導致鈣礬石過量生成，該物質有一定的體積膨脹性，在大量的鈣礬石填充下，基體內部會產生極大的內應力，破壞內部結構，使強度降低，甚至產生裂紋。

2.3 普通硅酸鹽水泥對石膏基砂漿導熱系數的影響

普通硅酸鹽水泥對石膏基砂漿導熱系數的影響結果見表6 和圖4。

表6 普通硅酸鹽水泥對石膏基砂漿導熱系數的影響

圖4 不同水泥摻量石膏基砂漿導熱系數

由表6 和圖4 結果可知，導熱系數與普通硅酸鹽水泥摻量呈正比關系。主要原因在于組成石膏基砂漿的主要膠凝材料是石膏，石膏砂漿為多孔材料，導熱系數低，摻入水泥后，石膏基砂漿中水泥的水化產物不斷填充著晶體孔隙，造成石膏基砂漿結構孔隙隨著水泥摻量的增加而降低，引起導熱系數增長。因此在石膏基抹灰砂漿中需嚴格控制水泥用量，以免造成保溫性能太差，影響產品使用效果。

3 結束語

（1）隨著水泥摻量的增加，石膏基砂漿凝結時間逐漸縮短、保水性能提高，抗折強度、抗壓強度和拉伸粘結強度先增加后降低。水泥摻量低于30%時，水泥對石膏基砂漿力學性能有一定的提升作用；水泥摻量高于30%時，石膏基砂漿力學性能降低，但拉伸粘結強度降低幅度較小。

（2）水泥的摻加對石膏基砂漿的導熱性能產生不利影響，實際工程應用中應嚴格控制石膏—水泥二元膠凝體系中水泥的摻量。

（3）綜合考慮石膏基砂漿的各項性能，在石膏—水泥二元膠凝體系中，水泥的最優摻量為30%。