脫硫石膏基自流平砂漿耐水性改善及機理研究

随着低彈性模量的(de)薄飾面材料（PVC 地(dì / de)闆、橡膠地(dì / de)闆卷材等）應用越來(lái)越廣泛，地(dì / de)面自流平材料已逐漸成爲(wéi / wèi)大(dà)型超市、停車場、工廠車間、倉庫等地(dì / de)面鋪築的(de)首選材料。石膏基自流平材料力學性能發展快，施工簡單，硬化後體積穩定性好，具有保溫隔熱、隔音、調濕等功能，是(shì)現有市場的(de)主流産品。由于(yú)石膏屬于(yú)氣硬性膠凝材料，表面硬度低，耐水性和(hé / huò)耐磨性均較差是(shì)此類材料普遍存在(zài)的(de)問題。脫硫石膏（FGD）是(shì)将含硫燃料（煤、石油）燃燒後所産生的(de)煙氣經過相應脫硫淨化處理過程得到(dào)的(de)工業副産品，其煅燒後得到(dào)的(de)建築石膏（CaSO4·0.5H2O）在(zài)凝結特性、水化動力學和(hé / huò)物理力學性質等方面不(bù)比天然建築石膏差[3-4]。因此，采用脫硫石膏代替天然石膏生産自流平材料越來(lái)越受到(dào)重視[5-7]。與天然石膏不(bù)同，脫硫石膏是(shì)在(zài)漿液中快速沉澱形成，其粒度小，粒徑主要(yào / yāo)分布在(zài)40~60 μm，級配嚴重不(bù)合理，因此，脫硫石膏的(de)流變性能較差，配置的(de)砂漿漿體更容易發生離析、分層和(hé / huò)泌水現象。更重要(yào / yāo)的(de)是(shì)，脫硫石膏基砂漿硬化後孔隙率偏高，這(zhè)些孔隙爲(wéi / wèi)外界水分及其他(tā)離子(zǐ)提供了(le／liǎo)通道(dào)，嚴重影響其耐水性和(hé / huò)耐久性，縮短自流平材料的(de)服役壽命。本試驗考察将粉煤灰和(hé / huò)水泥等質量代替一(yī / yì ／yí)定的(de)脫硫石膏後自流平材料流動性、凝結時(shí)間及早期強度等性能的(de)變化規律，研究粉煤灰和(hé / huò)水泥對脫硫石膏自流平硬化試塊孔隙率及孔徑分布的(de)影響，孔隙率變化對耐水性的(de)影響規律與作用機理，爲(wéi / wèi)脫硫石膏基自流平砂漿的(de)耐水性改善提供科學有效的(de)技術方案。1 試驗部分1.1 原料石膏粉爲(wéi / wèi)河北唐山凱傑公司脫硫石膏粉，主要(yào / yāo)礦物組成爲(wéi / wèi)半水石膏，具體物理性能見表1。粉煤灰爲(wéi / wèi)Ⅱ級灰，礦物組成主要(yào / yāo)爲(wéi / wèi)莫來(lái)石和(hé / huò)石英，含少量石灰石；水泥爲(wéi / wèi)金隅 P·O42.5 水泥。原料化學組成，見表2。外加劑主要(yào / yāo)包括保水劑、羟丙基甲基纖維素HPMC、高效減水劑WR、消泡劑B-1、乙烯- 醋酸乙烯共聚物（EVA）可再分散乳膠粉S-05，均爲(wéi / wèi)市售産品。骨料爲(wéi / wèi)天然河砂經0.6 mm 篩網篩分後的(de)細砂。1.2　試驗方法　以(yǐ)脫硫石膏粉爲(wéi / wèi)主要(yào / yāo)膠凝材料，粉煤灰等質量代替比例爲(wéi / wèi)0、10%、20%、30%，水泥等質量代替比例爲(wéi / wèi)0、4%、8%、12%、16%，讨論二者摻量變化對脫硫石膏自流平砂漿拌合物的(de)流動性、凝結時(shí)間及早期力學性能的(de)影響規律；以(yǐ)抗壓軟化系數爲(wéi / wèi)主要(yào / yāo)指标考察耐水性的(de)變化，具體測試過程爲(wéi / wèi)：成型後帶模标準養護1 d，測試24 h 強度；标準養護1 d 後的(de)試塊，将其中一(yī / yì ／yí)組放入（20±2）℃水中養護1 d，測試水養強度，另一(yī / yì ／yí)組40 ℃烘至絕幹得到(dào)絕幹強度，抗壓軟化系數= 絕幹強度/ 水養強度。吸水率測試條件爲(wéi / wèi)：絕幹試塊，浸泡在(zài)（20±2）℃靜水中24 h 後的(de)質量變化。其中，脫硫石膏、砂與水的(de)質量比1∶0.5∶0.45，具體試驗方法按照GB/T 17669.3-1999《建築石膏力學性能的(de)測定》的(de)要(yào / yāo)求進行。壓汞測試選用空白樣，以(yǐ)及粉煤灰和(hé / huò)水泥摻量分别爲(wéi / wèi)20% 和(hé / huò)10% 的(de)絕幹試塊進行，所用儀器爲(wéi / wèi)美國(guó)麥克公司的(de)AutoPore IV9500 型壓汞儀。2　結果與讨論2.1　粉煤灰對砂漿基本性能的(de)影響　粉煤灰摻量對脫硫石膏基自流平砂漿基本性能的(de)影響，見圖1。從圖1 可看出(chū)，随着粉煤灰摻量的(de)增加，砂漿拌合物的(de)流動性大(dà)幅度改善，摻量爲(wéi / wèi)30% 時(shí)，流動度值增加37%，且30 min 經時(shí)損失不(bù)大(dà)；摻入粉煤灰延長了(le／liǎo)砂漿的(de)凝結時(shí)間，初凝與終凝時(shí)間間隔有增加趨勢，但均能滿足現場施工要(yào / yāo)求。粉煤灰摻入量較大(dà)時(shí)，會降低砂漿早期強度，但控制适宜的(de)摻量，可凸顯出(chū)粉煤灰對流動性的(de)改善作用。可見适量粉煤灰等質量代替脫硫石膏後，砂漿流動度顯著改善，這(zhè)爲(wéi / wèi)自流平砂漿降低單方用水量提供了(le／liǎo)條件，用水量降低不(bù)僅可彌補因摻加粉煤灰帶來(lái)的(de)力學性能下降，且對耐水性及耐久性有着重要(yào / yāo)影響。除了(le／liǎo)二水石膏晶體自身溶解度較大(dà)外，爲(wéi / wèi)保證施工性能，石膏基自流平砂漿的(de)用水量（60% 左右）遠大(dà)于(yú)其水化所需理論用水量（18.6%），較高的(de)孔隙率結構是(shì)其耐水性差的(de)原因。摻入粉煤灰降低石膏所占比例，優化脫硫石膏的(de)“微級配”，且粉煤灰球形顆粒具有一(yī / yì ／yí)定的(de)“滾珠效應”，可進一(yī / yì ／yí)步增加砂漿流動度，共同實現降低用水量的(de)目的(de)。微觀上(shàng)，砂漿中可水溶性水化産物二水石膏含量減小，孔隙率下降，孔徑分布得到(dào)優化，宏觀表現爲(wéi / wèi)耐水性和(hé / huò)耐久性提升。2.2　水泥對砂漿性能的(de)影響　摻入水泥對自流平砂漿基本性能的(de)影響，見圖2。從圖2 可看出(chū)，摻入水泥也(yě)可增加砂漿流動性，摻量大(dà)于(yú)8% 時(shí)，流動度經時(shí)損失有增加趨勢，初凝和(hé / huò)終凝時(shí)間均明顯縮短。摻入水泥未對早期強度産生明顯影響。摻入水泥對砂漿性能影響與粉煤灰有明顯不(bù)同，這(zhè)主要(yào / yāo)是(shì)因爲(wéi / wèi)水泥自身有很強的(de)水化反應活性，遇水後即可快速反應，加速脫硫石膏水化過程，從而(ér)對砂漿拌合物性能産生顯著影響。同時(shí)，本次測試均爲(wéi / wèi)1 d 齡期，水泥水化程度非常低，這(zhè)是(shì)力學性能變化不(bù)大(dà)的(de)主要(yào / yāo)原因，随着齡期延長，水泥持續水化對砂漿後期力學性能的(de)增長、細化孔徑及耐久性改善均會有很大(dà)幫助。綜合考慮砂漿材料施工性能與力學性能，粉煤灰和(hé / huò)水泥替代比例應分别控制在(zài)20% 和(hé / huò)10% 以(yǐ)内。2.3　耐水性和(hé / huò)軟化系數　粉煤灰和(hé / huò)水泥摻量對砂漿吸水率和(hé / huò)軟化系數的(de)影響，見圖3。選取粉煤灰摻量20%，水泥摻量8% 和(hé / huò)空白樣，對應的(de)編号爲(wéi / wèi)FDG80-FA20，FDG92-C8 和(hé / huò)FDG100，測試分析了(le／liǎo)絕幹試樣的(de)孔隙率與孔徑分布，結果見表3。由圖3 可知，摻入粉煤灰和(hé / huò)水泥均可提高砂漿軟化系數，後者效果更明顯，這(zhè)主要(yào / yāo)是(shì)二者水化反應活性差異造成，吸水率變化與軟化系數有一(yī / yì ／yí)定相關性，但不(bù)是(shì)線性相關。粉煤灰等質量替代脫硫石膏後，由于(yú)其自身基本無水化活性，僅能發揮“微集料”和(hé / huò)“滾珠效應”的(de)物理作用，故其摻量大(dà)于(yú)30% 後，力學性能顯著下降，孔徑粗化，吸水率增加，最終影響砂漿耐水性。水泥水化活性較高，當重新浸泡在(zài)水中後，未水化的(de)水泥繼續水化，産生更多水化矽酸鈣（C-S-H）凝膠及鈣礬石（AFt）等低溶解度水化産物，細化孔徑，降低吸水率，明顯增強脫硫石膏砂漿耐水侵蝕性能。由表3 可看出(chū)，脫硫石膏基自流平材料的(de)孔徑集中在(zài)100~10 000 nm 範圍内，合計在(zài)95% 以(yǐ)上(shàng)，遠遠大(dà)于(yú)普通混凝土材料的(de)粒徑分布區間，這(zhè)符合孔隙率與強度之(zhī)間的(de)一(yī / yì ／yí)般對應關系；粉煤灰和(hé / huò)水泥摻入對砂漿均有顯著填充密實作用，且對粗（3 000~10 000nm）、中（1 000~3 000 nm）、細（100~1 000 nm）3 個(gè)孔徑區間的(de)孔徑分布産生重大(dà)影響。由于(yú)水泥自身具有較強的(de)水化反應活性，故其孔徑細化效果更加明顯，相較空白樣而(ér)言，粗孔徑區間占比下降90% 以(yǐ)上(shàng)。孔徑細化特别是(shì)粗孔數量大(dà)幅減少，不(bù)僅有利于(yú)力學性能發揮，而(ér)且降低了(le／liǎo)外界與砂漿内部水、氣及腐蝕性介質的(de)交換概率和(hé / huò)程度，對石膏基自流平砂漿的(de)耐水性及耐久性意義重大(dà)。3 結論1. 粉煤灰和(hé / huò)水泥等質量替代脫硫石膏後，對砂漿拌合物流動性和(hé / huò)凝結時(shí)間有不(bù)同程度影響，對砂漿硬化體早期力學性能作用不(bù)明顯。綜合考慮施工性能與力學性能，脫硫石膏基自流平砂漿材料中，粉煤灰和(hé / huò)水泥替代比例應分别控制在(zài)20% 和(hé / huò)10% 以(yǐ)内。2. 粉煤灰和(hé / huò)水泥均可提高砂漿的(de)耐水性，但二者作用機理不(bù)同，粉煤灰主要(yào / yāo)通過“微集料”和(hé / huò)“滾珠效應”，以(yǐ)物理作用方式實現；水泥通過自身水化及對脫硫石膏的(de)激發作用，對砂漿力學性能和(hé / huò)耐久性改善效果更優。3. 壓汞測試結果表明，适量粉煤灰和(hé / huò)水泥的(de)摻入對降低砂漿孔隙率效果顯著，這(zhè)是(shì)耐水性改善的(de)主要(yào / yāo)原因，水泥對孔徑分布影響更大(dà)，因爲(wéi / wèi)水泥具有較高的(de)水化反應活性。