普通硅酸鹽水泥對石膏基自流平砂漿性能的影響

黃天勇,章銀祥,張文才，陳旭峰，閻培渝

(1.固廢資源化利用與節(jié)能建材國家重點實驗室，北京 100041；2.北京市預(yù)拌砂漿工程技術(shù)研究中心，北京 100041；3.清華大學(xué)，北京 100084)

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普通硅酸鹽水泥對石膏基自流平砂漿性能的影響

黃天勇1,2,3,章銀祥1,2,張文才1,2，陳旭峰1,2，閻培渝3

(1.固廢資源化利用與節(jié)能建材國家重點實驗室，北京 100041；2.北京市預(yù)拌砂漿工程技術(shù)研究中心，北京 100041；3.清華大學(xué)，北京 100084)

通過向高強石膏基自流平砂漿和脫硫石膏基自流平砂漿中摻入5%的普通硅酸鹽水泥，研究普通硅酸鹽水泥對兩種石膏基自流平砂漿工作性能、力學(xué)性能、耐水性能、收縮性能和微觀性能的影響。結(jié)果表明摻入5%的普通硅酸鹽水泥能夠顯著提高石膏基自流平砂漿的流動度，同時普通硅酸鹽水泥縮短了高強石膏基自流平砂漿的凝結(jié)時間，延長了脫硫石膏基自流平砂漿的凝結(jié)時間。摻入5%的普通硅酸鹽水泥能夠提高石膏基自流平砂漿的抗折強度、抗壓強度、拉伸粘結(jié)強度和耐水性能，但是普通硅酸鹽水泥會降低石膏基自流平砂漿的膨脹率。最后通過SEM、XRD、TG/DTA微觀測試手段發(fā)現(xiàn)普通硅酸鹽水泥的摻入使得石膏基自流平砂漿形成以二水石膏為主體，并伴有水化硅酸鈣及細集料的硬化體。

石膏自流平砂漿； 普通硅酸鹽水泥； 軟化系數(shù)； 微結(jié)構(gòu)分析

1 引 言

石膏基自流平砂漿主要是以α半水石膏、β半水石膏、天然無水石膏或Ⅱ型無水石膏等為基材，河砂、石英砂等細骨料為骨架，再摻加粉煤灰、礦渣等礦物摻合料以及減水劑、緩凝劑、保水劑、激發(fā)劑、消泡劑等外加劑配制而成[1,2]。石膏基自流平砂漿具有良好的流動性、早期及后期強度較高、微膨脹不會產(chǎn)生收縮裂縫、與基底黏結(jié)力強等優(yōu)點[3,4]，因此能夠應(yīng)用于室內(nèi)地面建筑，但是石膏基自流平砂漿凝結(jié)硬化體的耐水性差，呈中性或酸性，對鐵件有腐蝕作用[4]的性能缺陷也限制了石膏基自流平砂漿的應(yīng)用。

目前石膏基自流平砂漿的研究大部分集中在不同種類石膏制備自流平砂漿的配合比和力學(xué)性能兩方面[5-7]，對于石膏基自流平砂漿收縮性能、耐水性能及其微觀性能的研究則相對較少。沈榮熹教授[8]對杜克力石膏基自流平砂漿的組成進行分析，發(fā)現(xiàn)石膏基自流平砂漿中摻加有少于15%的波特蘭水泥，并提出波特蘭水泥的摻入提高了自流平砂漿流動度、強度、密實度和軟化系數(shù)。因此本文選擇高強石膏和脫硫石膏兩種石膏來制備自流平砂漿，研究摻入5%普通硅酸鹽水泥對石膏基自流平砂漿的工作性能、力學(xué)性能、收縮性能、耐水性能、水化產(chǎn)物及微觀性能的影響，這對石膏基自流平砂漿進一步的優(yōu)化及應(yīng)用推廣具有現(xiàn)實意義。

2 試 驗

2.1 原材料

高強石膏(HG)和脫硫石膏(TG)分別來自山東金盾石膏廠和河北唐山脫硫石膏廠，兩種石膏的基本性能指標見表1，化學(xué)組成見表2，X射線衍射結(jié)果見圖1。普通硅酸鹽水泥(OPC)選用北京金隅通用42.5級普通硅酸鹽水泥，其物理性能指標見表1，化學(xué)組成見表2，3 d抗折強度和抗壓強度分別為6.7 MPa和28.9 MPa，28 d抗折強度和抗壓強度分別為9.3 MPa和51.2 MPa。河砂：粒徑分別為40～70目和70～140目?；瘜W(xué)外加劑主要包括聚羧酸減水劑，緩凝劑，甲基纖維素醚，EVA可分散乳膠粉，消泡劑等。

圖1 石膏的X射線衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction pattern of gypsum

表1 石膏的基本性能Tab.1 Properties of gypsum

表2 石膏的化學(xué)組成Tab.2 Chemical composition of gypsum /%

由表1可以看出脫硫石膏1 d的抗折、抗壓強度低于高強石膏1 d的抗折、抗壓強度，但是脫硫石膏的標準稠度用水量卻高于高強石膏粉的標準稠度用水量。由表2可以看出，高強石膏粉與脫硫石膏的化學(xué)組分也有區(qū)別，高強石膏SO3和CaO含量均高于脫硫石膏中SO3和CaO的含量。從圖1兩種石膏的XRD圖可以看出脫硫石膏中除了有半水石膏的衍射峰還有碳酸鹽類礦物的衍射峰存在，這表明脫硫石膏中還含有雜質(zhì)。

2.2 試驗方法

本試驗中石膏基自流平砂漿的流動度、凝結(jié)時間以及各齡期的抗折、抗壓強度、拉伸粘結(jié)強度均依據(jù)JC/T1023-2007《石膏基自流平砂漿》標準中的相關(guān)規(guī)定進行。石膏基自流平砂漿SEM、XRD、TG/DTA測試樣均是不摻加河砂的石膏凈漿，待試樣達到齡期后進行測試。

石膏基自流平砂漿收縮性能測試選用德國生產(chǎn)的Schleibinger Shrinkage Drain，見圖2所示，其尺寸為60 mm×40 mm ×1000 mm。石膏基自流平砂漿澆筑到收縮測定儀中，待石膏基自流平砂漿達到終凝后進行收縮測定。

圖2 收縮測定儀Fig.2 Schleibinger Shrinkage Drain

石膏基自流平砂漿的耐水性主要是測定其軟化系數(shù)，軟化系數(shù)的測定方法參照JC/T698-2010《石膏砌塊》中石膏砌塊的軟化系數(shù)測定方法。首先成型兩組40 mm×40 mm×160 mm的石膏基自流平砂漿，24 h拆模后將兩組試塊放置于溫度為(40±2) ℃的烘箱至恒重，一組測試其絕干抗壓強度R1，另外一組放置在溫度為(20±3) ℃的水中48 h，用濕毛巾擦干試件表面，測試其飽水后的抗壓強度R2，按照式(1)計算其軟化系數(shù)。

(1)

式中：f-軟化系數(shù)；R1-試件絕干后的抗壓強度，單位為兆帕(MPa)；R2-試件飽水后的抗壓強度，單位為兆帕(MPa)。

3 結(jié)果與討論

3.1 石膏基自流平砂漿工作性能研究

石膏基自流平砂漿中石膏、普通硅酸鹽水泥、減水劑、緩凝劑及用水量的配合以及石膏基自流平砂漿的流動度及凝結(jié)時間的測試結(jié)果如表3所示。由表3可以看出石膏基自流平砂漿中石膏種類和是否摻入普通硅酸鹽水泥對于自流平砂漿流動度和凝結(jié)時間均有較大的影響。摻加脫硫石膏的自流平砂漿減水劑用量、用水量和緩凝劑用量均高于摻加高強石膏的自流平砂漿，這主要是由脫硫石膏自身高需水量和凝結(jié)時間快的原因造成。在石膏基自流平砂漿中摻入5%普通硅酸鹽水泥后，石膏基自流平砂漿的流動度顯著增大。在高強石膏基自流平砂漿中，摻加普通硅酸鹽水泥后石膏基自流平砂漿的初凝時間和終凝時間均被縮短了，而在脫硫石膏基自流平砂漿中，摻加普通硅酸鹽水泥后石膏基自流平砂漿的初凝時間和終凝時間卻被延長了。

表3 石膏基自流平砂漿配合比Tab.3 Mix proportion of gypsum-based self-leveling mortar /g·kg-1

3.2 石膏基自流平砂漿力學(xué)性能研究

石膏基自流平砂漿1 d、絕干抗折強度和抗壓強度以及絕干拉伸粘結(jié)強度測試結(jié)果如表4所示。由表4可以看出石膏基自流平砂漿中石膏種類和是否摻入普通硅酸鹽水泥對于自流平砂漿1 d和絕干抗折強度、抗壓強度以及絕干拉伸粘結(jié)強度均有較大的影響。高強石膏基自流平砂漿1 d、絕干抗折強度和抗壓強度以及絕干拉伸粘結(jié)強度均高于脫硫石膏基自流平砂漿1 d、絕干抗折強度和抗壓強度以及絕干拉伸粘結(jié)強度，這主要是由于脫硫石膏屬于β石膏，本身1 d、絕干抗折強度和抗壓強度以及絕干拉伸粘結(jié)強度就比較低。同時石膏基自流平砂漿中摻入5%普通硅酸鹽水泥后，石膏基自流平砂漿1 d、絕干抗折強度和抗壓強度以及絕干拉伸粘結(jié)強度均得到了提高，其中將5%普通硅酸鹽水泥摻加到高強石膏基自流平砂漿中，絕干抗壓強度提高了5 MPa，絕干拉伸粘結(jié)強度提高了0.3 MPa。這主要是由于普通硅酸鹽水泥中含有的鋁酸三鈣與石膏反應(yīng)生成鈣礬石，硅酸三鈣與硅酸二鈣則水化成硅酸鈣凝膠，最終形成以二水石膏為主體，并伴有鈣礬石與硅酸鈣及細集料等的硬化體[8]。

表4 石膏基自流平砂漿的力學(xué)性能和耐水性能Tab.4 Mechanical properties and water-resisting property of gypsum-based self-leveling mortar

3.3 石膏基自流平砂漿耐水性能研究

石膏基自流平砂漿耐水性能主要是通過測試其軟化系數(shù)，結(jié)果見表4所示，圖3為石膏及自流平砂漿浸水后不同時間的重量增長率。首先從圖3石膏基自流平砂漿浸水后質(zhì)量增長率可以看出石膏基自流平砂漿一接觸到水后其質(zhì)量就迅速增長，石膏基自流平砂漿浸水18 h后其質(zhì)量趨于穩(wěn)定，隨著時間的增長，石膏基自流平砂漿的質(zhì)量變化不大，在1 h以前，高強石膏基自流平砂漿的質(zhì)量增長速率比脫硫石膏基自流平砂漿的質(zhì)量增長速率大，超過1 h后，脫硫石膏基自流平砂漿的質(zhì)量增長率大于高強石膏基自流平砂漿的質(zhì)量增長率。浸水48 h后，脫硫石膏基自流平砂漿質(zhì)量約增長了14%，而高強石膏基自流平砂漿質(zhì)量約增長了12%。由表4可以看出石膏基自流平砂漿經(jīng)過水浸泡后，其抗折強度和抗壓強度均大幅度降低，其中沒有摻加普通硅酸鹽水泥的高強石膏基自流平砂漿和脫硫石膏基自流平砂漿抗壓強度降低了11.2 MPa和8.2 MPa，而摻加普通硅酸鹽水泥的高強石膏基自流平砂漿和脫硫石膏基自流平砂漿抗壓強度降低了12.9 MPa和9.4 MPa，摻加普通硅酸鹽水泥后，兩種石膏基自流平砂漿抗壓強度降低更多，但是摻加普通硅酸鹽水泥后石膏基自流平砂漿的軟化系數(shù)卻提高了，其中高強石膏基自流平砂漿的軟化系數(shù)提高了0.06%，而脫硫石膏基自流平砂漿的軟化系數(shù)提高了0.01%。

圖3 石膏基自流平砂漿浸水后質(zhì)量增長率Fig.3 Weight growth of after soaking

3.4 石膏基自流平砂漿收縮性能研究

石膏基自流平砂漿收縮性能即石膏基自流平砂漿平膨脹性能結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出石膏基自流平砂漿發(fā)生了略微的膨脹，特別是石膏基自流平砂漿終凝后膨脹率在很短的時間內(nèi)急速增長，后期膨脹率僅有少量的增長。最終摻加500 g/kg高強石膏的自流平砂漿的膨脹率約為0.7%，摻加450 g/kg高強石膏粉和50 g/kg普通硅酸鹽水泥的自流平砂漿的膨脹率約為0.6%，摻加50 g/kg脫硫石膏和50 g/kg普通硅酸鹽水泥的自流平砂漿的膨脹率約為0.1%。這表明高強石膏基自流平砂漿的膨脹率高于脫硫石膏基自流平砂漿的膨脹率，摻加5%的普通硅酸鹽水泥后降低了石膏基自流平砂漿的膨脹率。

圖4 石膏基自流平砂漿膨脹率Fig.4 Expansion of gypsum -based self-leveling mortar

3.5 石膏基自流平砂漿微觀性能研究

石膏基自流平砂漿微觀性能測試主要有SEM、XRD和TG/DTA，其中SEM測試結(jié)果見圖5，XRD測試結(jié)果見圖6，TG/DTA測試結(jié)果見圖7和圖8。

圖5 石膏基自流平砂漿的SEM照片(a)HG500;(b)HG450;(c)TG500;(d)TG450Fig.5 SEM photographs of gypsum-based self-leveling mortar

圖6 石膏基自流平砂漿絕干狀態(tài)下的X射線衍射圖譜Fig.6 XRD patterns of gypsum -based self-levelingmortar at oven-dry state

圖7 石膏基自流平砂漿的TG-DTA圖譜Fig.7 TG-DTA patterns of gypsum -based self-leveling mortar

圖8 石膏基自流平砂漿的TG圖譜Fig.8 TG patterns of gypsum -based self-leveling mortar

從圖5中石膏基自流平砂漿的SEM圖可以清晰地看出高強石膏基自流平砂漿的水化產(chǎn)物晶形多為板狀或柱狀,自形程度很高，極少見無定形膠凝狀物質(zhì)，板狀或柱狀晶體交織在一起，形成了較為致密的水化產(chǎn)物硬化體。脫硫石膏基自流平砂漿水化后的形貌特征與高強石膏水化后的產(chǎn)物不同，二水石膏晶體多以長板狀結(jié)晶，且板狀薄，晶體的生長以放射狀簇晶較多，呈現(xiàn)菊花狀結(jié)晶形態(tài)，同時水化產(chǎn)物中孔隙比高強石膏水化產(chǎn)物明顯增多，致水化產(chǎn)物硬化體結(jié)構(gòu)疏松，這也正是脫硫石膏比高強石膏強度低的根本原因[9]。石膏基自流平砂漿中摻入普通硅酸鹽水泥后，石膏基自流平砂漿的孔隙減少，這主要是由于普通硅酸鹽水泥水化生成的水化硅酸鈣凝膠以及普通硅酸鹽水泥中含有的鋁酸三鈣與石膏反應(yīng)生成鈣礬石[8]，會填充石膏基自流平砂漿孔隙，使得石膏基自流平砂漿更為密實，從而提高石膏基自流平砂漿的強度。

從圖6石膏基自流平砂漿的XRD圖譜看出，無論是高強石膏還是脫硫石膏絕干狀態(tài)時大量的二水石膏晶體出現(xiàn)，但是在摻加普通硅酸鹽水泥的石膏基自流平砂漿中并沒有出現(xiàn)Ca(OH)2和鈣礬石特征峰相，分析認為這主要是由于摻加的普通硅酸鹽水泥摻量極低的原因造成。

由圖7石膏基自流平砂漿的TG-DTA圖譜可以看出石膏基自流平砂漿一共出現(xiàn)了三個放熱峰，分別在127 ℃、755 ℃和861 ℃階段，分析認為在127 ℃階段的放熱峰主要是由于二水石膏脫水變?yōu)棣?半水石膏或β-半水石膏階段；755 ℃階段的放熱峰主要是各種化學(xué)外加劑及普通硅酸鹽水化產(chǎn)物水化硅酸鈣的分解；861 ℃階段的放熱峰可能主要是部分無水石膏開始分解為CaO、SO2和O2[10]。由圖8石膏基自流平砂漿的TG圖譜可以看出，石膏基自流平砂漿在三個放熱峰階段有明顯的失重，脫硫石膏基自流平砂漿在127 ℃放熱階段失重率大于高強石膏基自流平砂漿的失重率，從而導(dǎo)致脫硫石膏基自流平砂漿總的失重率也大于高強石膏自流平砂漿總的失重率；在755 ℃放熱階段摻加普通硅酸鹽水泥后的石膏基自流平砂漿的失重均大于未摻加普通硅酸鹽水泥的石膏基自流平砂漿的失重率，這主要是由于普通硅酸鹽水泥發(fā)生了水化，并生成了水化硅酸鈣。

4 結(jié) 論

(1)普通硅酸鹽水泥的摻入顯著提高了石膏基自流平砂漿的流動度，同時普通硅酸鹽水泥的摻入縮短了高強石膏基自流平砂漿的凝結(jié)時間，延長了脫硫石膏基自流平砂漿的凝結(jié)時間;

(2)普通硅酸鹽水泥的摻入能夠提高石膏基自流平砂漿的1 d、絕干的抗折強度和抗壓強度以及絕干拉伸粘結(jié)強度，普通硅酸鹽水泥還能夠提高石膏基自流平砂漿的軟化系數(shù);

(3)脫硫石膏基自流平砂漿膨脹率明顯低于高強石膏基自流平砂漿，普通硅酸鹽水泥的摻入會略微降低高強石膏基自流平砂漿的膨脹率，但膨脹率仍然達到0.6%;

(4)高強石膏基自流平砂漿水化產(chǎn)物結(jié)晶度高，成板狀或柱狀，而脫硫石膏基自流平砂漿以長板狀結(jié)晶,且板狀薄，摻入普通硅酸鹽水泥后使得石膏基自流平砂漿形成以二水石膏為主體，并伴有水化硅酸鈣及細集料的硬化體。

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Influence of Ordinary Portland Cement on Performance of Gypsum-based Self-leveling Mortar

HUANGTian-yong1,2,3,ZHANGYin-xiang1,2,ZHANGWen-cai1,2,CHENXu-feng1,2,YANPei-yu3

(1.State Key Laboratory of Solid Waste Reuse for Building Materials,Beijing 100041,China;2.Beijing Engineering and Technology Research Center of Dry-mixed Mortar,Beijing 100041,China;3.Tsinghua University,Beijing 100084,China)

The high-strength gypsum-based self-leveling mortar and desulfurization gypsum-based self-leveling mortar are prepared by adding 5% ordinary Portland cement. Effects of ordinary Portland cement on working performance, mechanical properties, water resistance, shrinkage and micro properties of gypsum-based self-leveling mortar are studied. The results show that 5% ordinary Portland cement can significantly improve the fluidity of gypsum-based self-leveling mortar shorten the setting time of high-strength gypsum-based self-leveling mortar but extend the setting time of desulfurization gypsum-based self-leveling mortar. The addition of 5% ordinary Portland cement can improve the flexural strength, compressive strength, tensile adhesive strength and water resistance of gypsum-based self-leveling mortar, but the addition of 5% ordinary Portland cement can reduce the expansion of gypsum-based self-leveling mortar. Finally the hardened body of gypsum-based self-leveling mortar which are formed with gypsum as the main body and are accompanied hydrated calcium silicate and fine aggregate because of 5% ordinary Portland cement are found by SEM、XRD、TG/DTA test method.

gypsum-based self-leveling mortar;ordinary Portland cement;softening coefficient;microstructure analysis

北京市科技計劃項目(Z161100002716019);北京市博士后工作經(jīng)費資助項目(2015-ZZ-123)

黃天勇(1985-)，男，博士.主要從事混凝土、砂漿及固廢綜合利用的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)10-3106-06