氟石膏對地坪墊層混凝土補償收縮性能的影響研究

劉文斌，周慧，董陽

（1.常州工程職業(yè)技術學院，江蘇 常州 213164；2.南京旭潔建筑科技有限公司，江蘇 南京 210067）

工業(yè)地坪指工業(yè)廠房和倉庫土基上的地面，其組成自下而上依次為地基土層、基層、墊層和面層[1]。隨著工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)地坪承受的荷載不斷增加，對地坪的強度、抗裂性能及韌性都提出了更高的要求[2]。地坪中的墊層一般為半干性混凝土或砂漿，采用普通混凝土或者僅配置構(gòu)造鋼筋的混凝土墊層，其韌性差、易出現(xiàn)裂縫[3-4]；部分工程采用鋼纖維或碳纖維摻入混凝土進行改性，對于地坪表面開裂有很好的抑制效果，但也存在不易混合均勻，施工工藝復雜等缺點[5-6]。本文采用補償收縮機理對墊層干硬性混凝土進行試驗，以期尋求性價比高的新材料與新技術，改善工業(yè)地坪墊層混凝土的工作性能，達到減小地坪墊層混凝土收縮的效果。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：江南小野田水泥有限公司P·O42.5水泥，標準稠度需水量27.3%，主要物理力學性能見表1；氟石膏：安徽宣城亨元化工科技有限公司，主要化學成分見表2，主要礦物組成為CaSO4（見圖1）；細骨料：江砂，細度模數(shù)2.5；粗骨料：5~15mm連續(xù)級配碎石；減水劑：山東萬山化工有限公司萘系高效減水劑，粉劑；減縮劑：德固賽Sitren PSR100高效粉體減縮劑；水：自來水。

表1 水泥的物理力學性能

表2 氟石膏的主要化學成分 %

圖1 氟石膏的XRD圖譜

1.2 配合比

試驗選取同一組固定的地坪墊層用混凝土配合比，進行不同氟石膏和減縮劑摻量試驗。表3為研究在滿足混凝土強度的條件下，氟石膏與膠凝材料水化反應生成鈣釩石，補償混凝土收縮所需的最佳摻量，表4為研究減縮劑對減少混凝土收縮的最佳摻量，并探究對混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響。

表3 不同氟石膏摻量地坪墊層混凝土的配合比 kg

表4 不同減縮劑摻量地坪墊層混凝土的配合比 kg

1.3 試驗方法

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行混凝土強度測試；采用補償性混凝土收縮膨脹測定儀（型號：BCL355）對地坪墊層混凝土進行收縮率測試；對混凝土進行XRD（型號：D/max 2500 PC）、SEM（型號：JEM-2100）和EDS（型號：INCA X-MAX）分析，尋找其補償收縮的水化產(chǎn)物，并進行物性測試；對混凝土進行取樣、制樣，采用混凝土孔結(jié)構(gòu)分析儀（型號Rapid Air 457）測試其表面孔的分布范圍和數(shù)量，計算混凝土中氣孔含量。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 地坪墊層混凝土的強度（見表5）

表5 不同氟石膏摻量地坪墊層混凝土的強度

由表5可見，隨著氟石膏摻量的增加，地坪墊層混凝土的早期和后期抗折、抗壓強度都呈一定提高的趨勢，相比于未摻加氟石膏的混凝土（H1），3 d抗折強度均提高10%以上，最大增長率達48.2%；3 d抗壓強度均提高20%以上，最大增長率達59.8%。當氟石膏摻量不超過水泥用量的10%時，混凝土的28 d抗折、抗壓強度仍有一定的增長，未出現(xiàn)強度倒縮現(xiàn)象。早期和后期強度的提高說明氟石膏對混凝土的強度具有促進作用。分析原因為氟石膏中無水硫酸鈣和水泥水化產(chǎn)物中的鋁酸三鈣反應生成鈣釩石（AFt），促進強度的提高，但無水硫酸鈣相比二水硫酸鈣而言，反應生成AFt的速度慢、晶粒細小，故而在一定摻量內(nèi)并未引起后期強度倒縮現(xiàn)象。

2.2 地坪墊層混凝土的收縮率（見圖2）

不同氟石膏及減縮劑摻量地坪墊層混凝土的收縮率分別見圖2、圖3。

圖2 不同氟石膏摻量地坪墊層混凝土的收縮率

圖3 不同減縮劑摻量地坪墊層混凝土的收縮率

由圖2可見，氟石膏的摻入對地坪墊層混凝土具有補償收縮作用，未摻氟石膏時，28 d收縮率達564×10-6；氟石膏摻量為5%時，28 d收縮率為214×10-6，收縮率減小了60%，說明氟石膏摻入可以抑制地坪墊層混凝土的收縮。隨著氟石膏摻量繼續(xù)增加，收縮率減小并不明顯。由圖3可見，減縮劑未明顯起到減小地坪墊層混凝土收縮的作用，混凝土自收縮主要發(fā)生在外部環(huán)境不產(chǎn)生水分交換的情況下，體系內(nèi)部的水分由于參與到水泥的水化進程中不斷消耗，為了補償收縮水泥漿體，內(nèi)部產(chǎn)生了大量微細孔，毛細孔中的水逐漸發(fā)展為不飽和狀態(tài)，降低了水泥石內(nèi)的相對濕度，在自干燥作用下，毛細孔內(nèi)形成彎月面，增大了毛細孔壓力，周圍的水泥石產(chǎn)生真空向內(nèi)拉緊力，從而使得混凝土收縮[7-8]。干硬性混凝土內(nèi)部密實，大量連通孔被堵塞，毛細孔中水分較少，故而減縮劑對毛細孔中水的表面張力影響不明顯。

2.3 XRD與SEM分析

H7試樣水化產(chǎn)物的XRD圖譜見圖4，水化3 d、28 d的SEM照片見圖5，水化3 d的EDS圖譜及元素分析見圖6、表6。

圖4 H7試樣水化產(chǎn)物的XRD圖譜

圖5 H7試樣水化3 d、28 d的SEM照片

圖6 H7試樣水化3 d的EDS圖譜

表6 水化產(chǎn)物的元素分析

由圖4~圖6以及表6可知，摻入氟石膏后，地坪墊層混凝土中明顯出現(xiàn)水化產(chǎn)物AFt，說明氟石膏的加入影響了水泥的水化進程，進而對水化產(chǎn)物也產(chǎn)生一定的影響，3 d的XRD圖譜中無明顯的Ca（OH）2生成，說明水化初期是以AFt和水化硫鋁酸鈣膠凝材料為主，C-S-H凝膠相對偏少。水化3 d時水化產(chǎn)物中可見大量的針狀鈣釩石晶體生成，主要為Ca-Al-Si-O的膠凝材料（氫原子在能譜中無法顯示），說明水化產(chǎn)物中也有水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣的存在。28 d齡期時，水化產(chǎn)物中有C-S-H膠凝材料的出現(xiàn)，同時仍存在鈣釩石。

2.4 孔隙率分析

對H7試樣進行孔隙率結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果見圖7。不同氟石膏及減縮劑摻量地坪墊層混凝土的氣孔含量分別見表7、表8。

圖7 H7試樣的孔徑分布

表7 不同氟石膏摻量混凝土的氣孔含量

表8 不同減縮劑摻量混凝土的氣孔含量

由圖7以及表7、表8可見，地坪墊層混凝土的孔以微孔為主，但在成型過程中會留有部分大孔。H7試樣中的孔主要以0.05 mm以下的微孔為主。氟石膏的摻入會使得地坪墊層混凝土中1.0 mm以下的氣孔含量減少，有助于減小混凝土的收縮率；減縮劑的摻入并沒使得孔含量減少，對于是否導致孔結(jié)構(gòu)變形，從而引起收縮率的變化，后期將做進一步研究。

3 工程應用

無錫某大型商業(yè)綜合體，一層地面工地（約3000 m2）采用非粘結(jié)式地面墊層砂漿、上鋪1 cm水磨石施工工藝，采用試驗中H7配方進行配合比設計，以每8 m進行伸縮縫切割，并鑲嵌銅條，施工后28 d對鑲嵌的銅條部位進行觀察，未出現(xiàn)明顯收縮縫（見圖8）。

圖8 地坪墊層混凝土應用施工照片

4 結(jié)論

（1）氟石膏的摻入對地坪墊層混凝土強度有促進作用，氟石膏摻量在10%以內(nèi)時，3 d抗壓強度均提高20%以上，最大增長率達59%；28 d抗折抗壓強度仍有一定的提高，未出現(xiàn)強度倒縮現(xiàn)象。

（2）氟石膏的摻入對于地坪墊層混凝土收縮有抑制作用，氟石膏摻量為水泥質(zhì)量的5%時，28 d收縮率為214×10-6，收縮率較未摻氟石膏時降低了60%。減縮劑對抑制地坪墊層混凝土收縮率效果不明顯。

（3）XRD和SEM分析顯示，水化產(chǎn)物中有大量鈣釩石生成，這也是摻入氟石膏對地坪墊層混凝土補償收縮的原因。

（4）孔結(jié)構(gòu)分析顯示，摻氟石膏的地坪墊層混凝土中主要以0.05 mm以下的微孔為主，摻減縮劑對地坪墊層混凝土孔含量影響不明顯。