普通硅酸盐水泥对石膏基自流平砂浆性能的影响

黄天勇,章银祥,张文才，陈旭峰，阎培渝

(1.固废资源化利用与节能建材国家重点实验室，北京 100041；2.北京市预拌砂浆工程技术研究中心，北京 100041；3.清华大学，北京 100084)



普通硅酸盐水泥对石膏基自流平砂浆性能的影响

黄天勇1,2,3,章银祥1,2,张文才1,2，陈旭峰1,2，阎培渝3

(1.固废资源化利用与节能建材国家重点实验室，北京 100041；2.北京市预拌砂浆工程技术研究中心，北京 100041；3.清华大学，北京 100084)

通过向高强石膏基自流平砂浆和脱硫石膏基自流平砂浆中掺入5%的普通硅酸盐水泥，研究普通硅酸盐水泥对两种石膏基自流平砂浆工作性能、力学性能、耐水性能、收缩性能和微观性能的影响。结果表明掺入5%的普通硅酸盐水泥能够显著提高石膏基自流平砂浆的流动度，同时普通硅酸盐水泥缩短了高强石膏基自流平砂浆的凝结时间，延长了脱硫石膏基自流平砂浆的凝结时间。掺入5%的普通硅酸盐水泥能够提高石膏基自流平砂浆的抗折强度、抗压强度、拉伸粘结强度和耐水性能，但是普通硅酸盐水泥会降低石膏基自流平砂浆的膨胀率。最后通过SEM、XRD、TG/DTA微观测试手段发现普通硅酸盐水泥的掺入使得石膏基自流平砂浆形成以二水石膏为主体，并伴有水化硅酸钙及细集料的硬化体。

石膏自流平砂浆； 普通硅酸盐水泥； 软化系数； 微结构分析

1 引 言

石膏基自流平砂浆主要是以α半水石膏、β半水石膏、天然无水石膏或Ⅱ型无水石膏等为基材，河砂、石英砂等细骨料为骨架，再掺加粉煤灰、矿渣等矿物掺合料以及减水剂、缓凝剂、保水剂、激发剂、消泡剂等外加剂配制而成[1,2]。石膏基自流平砂浆具有良好的流动性、早期及后期强度较高、微膨胀不会产生收缩裂缝、与基底黏结力强等优点[3,4]，因此能够应用于室内地面建筑，但是石膏基自流平砂浆凝结硬化体的耐水性差，呈中性或酸性，对铁件有腐蚀作用[4]的性能缺陷也限制了石膏基自流平砂浆的应用。

目前石膏基自流平砂浆的研究大部分集中在不同种类石膏制备自流平砂浆的配合比和力学性能两方面[5-7]，对于石膏基自流平砂浆收缩性能、耐水性能及其微观性能的研究则相对较少。沈荣熹教授[8]对杜克力石膏基自流平砂浆的组成进行分析，发现石膏基自流平砂浆中掺加有少于15%的波特兰水泥，并提出波特兰水泥的掺入提高了自流平砂浆流动度、强度、密实度和软化系数。因此本文选择高强石膏和脱硫石膏两种石膏来制备自流平砂浆，研究掺入5%普通硅酸盐水泥对石膏基自流平砂浆的工作性能、力学性能、收缩性能、耐水性能、水化产物及微观性能的影响，这对石膏基自流平砂浆进一步的优化及应用推广具有现实意义。

2 试 验

2.1 原材料

高强石膏(HG)和脱硫石膏(TG)分别来自山东金盾石膏厂和河北唐山脱硫石膏厂，两种石膏的基本性能指标见表1，化学组成见表2，X射线衍射结果见图1。普通硅酸盐水泥(OPC)选用北京金隅通用42.5级普通硅酸盐水泥，其物理性能指标见表1，化学组成见表2，3 d抗折强度和抗压强度分别为6.7 MPa和28.9 MPa，28 d抗折强度和抗压强度分别为9.3 MPa和51.2 MPa。河砂：粒径分别为40～70目和70～140目。化学外加剂主要包括聚羧酸减水剂，缓凝剂，甲基纤维素醚，EVA可分散乳胶粉，消泡剂等。

图1 石膏的X射线衍射图谱Fig.1 X-ray diffraction pattern of gypsum

表1 石膏的基本性能Tab.1 Properties of gypsum

表2 石膏的化学组成Tab.2 Chemical composition of gypsum /%

由表1可以看出脱硫石膏1 d的抗折、抗压强度低于高强石膏1 d的抗折、抗压强度，但是脱硫石膏的标准稠度用水量却高于高强石膏粉的标准稠度用水量。由表2可以看出，高强石膏粉与脱硫石膏的化学组分也有区别，高强石膏SO3和CaO含量均高于脱硫石膏中SO3和CaO的含量。从图1两种石膏的XRD图可以看出脱硫石膏中除了有半水石膏的衍射峰还有碳酸盐类矿物的衍射峰存在，这表明脱硫石膏中还含有杂质。

2.2 试验方法

本试验中石膏基自流平砂浆的流动度、凝结时间以及各龄期的抗折、抗压强度、拉伸粘结强度均依据JC/T1023-2007《石膏基自流平砂浆》标准中的相关规定进行。石膏基自流平砂浆SEM、XRD、TG/DTA测试样均是不掺加河砂的石膏净浆，待试样达到龄期后进行测试。

石膏基自流平砂浆收缩性能测试选用德国生产的Schleibinger Shrinkage Drain，见图2所示，其尺寸为60 mm×40 mm ×1000 mm。石膏基自流平砂浆浇筑到收缩测定仪中，待石膏基自流平砂浆达到终凝后进行收缩测定。

图2 收缩测定仪Fig.2 Schleibinger Shrinkage Drain

石膏基自流平砂浆的耐水性主要是测定其软化系数，软化系数的测定方法参照JC/T698-2010《石膏砌块》中石膏砌块的软化系数测定方法。首先成型两组40 mm×40 mm×160 mm的石膏基自流平砂浆，24 h拆模后将两组试块放置于温度为(40±2) ℃的烘箱至恒重，一组测试其绝干抗压强度R1，另外一组放置在温度为(20±3) ℃的水中48 h，用湿毛巾擦干试件表面，测试其饱水后的抗压强度R2，按照式(1)计算其软化系数。

(1)

式中：f-软化系数；R1-试件绝干后的抗压强度，单位为兆帕(MPa)；R2-试件饱水后的抗压强度，单位为兆帕(MPa)。

3 结果与讨论

3.1 石膏基自流平砂浆工作性能研究

石膏基自流平砂浆中石膏、普通硅酸盐水泥、减水剂、缓凝剂及用水量的配合以及石膏基自流平砂浆的流动度及凝结时间的测试结果如表3所示。由表3可以看出石膏基自流平砂浆中石膏种类和是否掺入普通硅酸盐水泥对于自流平砂浆流动度和凝结时间均有较大的影响。掺加脱硫石膏的自流平砂浆减水剂用量、用水量和缓凝剂用量均高于掺加高强石膏的自流平砂浆，这主要是由脱硫石膏自身高需水量和凝结时间快的原因造成。在石膏基自流平砂浆中掺入5%普通硅酸盐水泥后，石膏基自流平砂浆的流动度显著增大。在高强石膏基自流平砂浆中，掺加普通硅酸盐水泥后石膏基自流平砂浆的初凝时间和终凝时间均被缩短了，而在脱硫石膏基自流平砂浆中，掺加普通硅酸盐水泥后石膏基自流平砂浆的初凝时间和终凝时间却被延长了。

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

3.2 石膏基自流平砂浆力学性能研究

石膏基自流平砂浆1 d、绝干抗折强度和抗压强度以及绝干拉伸粘结强度测试结果如表4所示。由表4可以看出石膏基自流平砂浆中石膏种类和是否掺入普通硅酸盐水泥对于自流平砂浆1 d和绝干抗折强度、抗压强度以及绝干拉伸粘结强度均有较大的影响。高强石膏基自流平砂浆1 d、绝干抗折强度和抗压强度以及绝干拉伸粘结强度均高于脱硫石膏基自流平砂浆1 d、绝干抗折强度和抗压强度以及绝干拉伸粘结强度，这主要是由于脱硫石膏属于β石膏，本身1 d、绝干抗折强度和抗压强度以及绝干拉伸粘结强度就比较低。同时石膏基自流平砂浆中掺入5%普通硅酸盐水泥后，石膏基自流平砂浆1 d、绝干抗折强度和抗压强度以及绝干拉伸粘结强度均得到了提高，其中将5%普通硅酸盐水泥掺加到高强石膏基自流平砂浆中，绝干抗压强度提高了5 MPa，绝干拉伸粘结强度提高了0.3 MPa。这主要是由于普通硅酸盐水泥中含有的铝酸三钙与石膏反应生成钙矾石，硅酸三钙与硅酸二钙则水化成硅酸钙凝胶，最终形成以二水石膏为主体，并伴有钙矾石与硅酸钙及细集料等的硬化体[8]。

表4 石膏基自流平砂浆的力学性能和耐水性能Tab.4 Mechanical properties and water-resisting property of gypsum-based self-leveling mortar

3.3 石膏基自流平砂浆耐水性能研究

石膏基自流平砂浆耐水性能主要是通过测试其软化系数，结果见表4所示，图3为石膏及自流平砂浆浸水后不同时间的重量增长率。首先从图3石膏基自流平砂浆浸水后质量增长率可以看出石膏基自流平砂浆一接触到水后其质量就迅速增长，石膏基自流平砂浆浸水18 h后其质量趋于稳定，随着时间的增长，石膏基自流平砂浆的质量变化不大，在1 h以前，高强石膏基自流平砂浆的质量增长速率比脱硫石膏基自流平砂浆的质量增长速率大，超过1 h后，脱硫石膏基自流平砂浆的质量增长率大于高强石膏基自流平砂浆的质量增长率。浸水48 h后，脱硫石膏基自流平砂浆质量约增长了14%，而高强石膏基自流平砂浆质量约增长了12%。由表4可以看出石膏基自流平砂浆经过水浸泡后，其抗折强度和抗压强度均大幅度降低，其中没有掺加普通硅酸盐水泥的高强石膏基自流平砂浆和脱硫石膏基自流平砂浆抗压强度降低了11.2 MPa和8.2 MPa，而掺加普通硅酸盐水泥的高强石膏基自流平砂浆和脱硫石膏基自流平砂浆抗压强度降低了12.9 MPa和9.4 MPa，掺加普通硅酸盐水泥后，两种石膏基自流平砂浆抗压强度降低更多，但是掺加普通硅酸盐水泥后石膏基自流平砂浆的软化系数却提高了，其中高强石膏基自流平砂浆的软化系数提高了0.06%，而脱硫石膏基自流平砂浆的软化系数提高了0.01%。

图3 石膏基自流平砂浆浸水后质量增长率Fig.3 Weight growth of after soaking

3.4 石膏基自流平砂浆收缩性能研究

石膏基自流平砂浆收缩性能即石膏基自流平砂浆平膨胀性能结果如图4所示。由图4可以看出石膏基自流平砂浆发生了略微的膨胀，特别是石膏基自流平砂浆终凝后膨胀率在很短的时间内急速增长，后期膨胀率仅有少量的增长。最终掺加500 g/kg高强石膏的自流平砂浆的膨胀率约为0.7%，掺加450 g/kg高强石膏粉和50 g/kg普通硅酸盐水泥的自流平砂浆的膨胀率约为0.6%，掺加50 g/kg脱硫石膏和50 g/kg普通硅酸盐水泥的自流平砂浆的膨胀率约为0.1%。这表明高强石膏基自流平砂浆的膨胀率高于脱硫石膏基自流平砂浆的膨胀率，掺加5%的普通硅酸盐水泥后降低了石膏基自流平砂浆的膨胀率。

图4 石膏基自流平砂浆膨胀率Fig.4 Expansion of gypsum -based self-leveling mortar

3.5 石膏基自流平砂浆微观性能研究

石膏基自流平砂浆微观性能测试主要有SEM、XRD和TG/DTA，其中SEM测试结果见图5，XRD测试结果见图6，TG/DTA测试结果见图7和图8。

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

图6 石膏基自流平砂浆绝干状态下的X射线衍射图谱Fig.6 XRD patterns of gypsum -based self-levelingmortar at oven-dry state

图7 石膏基自流平砂浆的TG-DTA图谱Fig.7 TG-DTA patterns of gypsum -based self-leveling mortar

图8 石膏基自流平砂浆的TG图谱Fig.8 TG patterns of gypsum -based self-leveling mortar

从图5中石膏基自流平砂浆的SEM图可以清晰地看出高强石膏基自流平砂浆的水化产物晶形多为板状或柱状,自形程度很高，极少见无定形胶凝状物质，板状或柱状晶体交织在一起，形成了较为致密的水化产物硬化体。脱硫石膏基自流平砂浆水化后的形貌特征与高强石膏水化后的产物不同，二水石膏晶体多以长板状结晶，且板状薄，晶体的生长以放射状簇晶较多，呈现菊花状结晶形态，同时水化产物中孔隙比高强石膏水化产物明显增多，致水化产物硬化体结构疏松，这也正是脱硫石膏比高强石膏强度低的根本原因[9]。石膏基自流平砂浆中掺入普通硅酸盐水泥后，石膏基自流平砂浆的孔隙减少，这主要是由于普通硅酸盐水泥水化生成的水化硅酸钙凝胶以及普通硅酸盐水泥中含有的铝酸三钙与石膏反应生成钙矾石[8]，会填充石膏基自流平砂浆孔隙，使得石膏基自流平砂浆更为密实，从而提高石膏基自流平砂浆的强度。

从图6石膏基自流平砂浆的XRD图谱看出，无论是高强石膏还是脱硫石膏绝干状态时大量的二水石膏晶体出现，但是在掺加普通硅酸盐水泥的石膏基自流平砂浆中并没有出现Ca(OH)2和钙矾石特征峰相，分析认为这主要是由于掺加的普通硅酸盐水泥掺量极低的原因造成。

由图7石膏基自流平砂浆的TG-DTA图谱可以看出石膏基自流平砂浆一共出现了三个放热峰，分别在127 ℃、755 ℃和861 ℃阶段，分析认为在127 ℃阶段的放热峰主要是由于二水石膏脱水变为α-半水石膏或β-半水石膏阶段；755 ℃阶段的放热峰主要是各种化学外加剂及普通硅酸盐水化产物水化硅酸钙的分解；861 ℃阶段的放热峰可能主要是部分无水石膏开始分解为CaO、SO2和O2[10]。由图8石膏基自流平砂浆的TG图谱可以看出，石膏基自流平砂浆在三个放热峰阶段有明显的失重，脱硫石膏基自流平砂浆在127 ℃放热阶段失重率大于高强石膏基自流平砂浆的失重率，从而导致脱硫石膏基自流平砂浆总的失重率也大于高强石膏自流平砂浆总的失重率；在755 ℃放热阶段掺加普通硅酸盐水泥后的石膏基自流平砂浆的失重均大于未掺加普通硅酸盐水泥的石膏基自流平砂浆的失重率，这主要是由于普通硅酸盐水泥发生了水化，并生成了水化硅酸钙。

4 结 论

(1)普通硅酸盐水泥的掺入显著提高了石膏基自流平砂浆的流动度，同时普通硅酸盐水泥的掺入缩短了高强石膏基自流平砂浆的凝结时间，延长了脱硫石膏基自流平砂浆的凝结时间;

(2)普通硅酸盐水泥的掺入能够提高石膏基自流平砂浆的1 d、绝干的抗折强度和抗压强度以及绝干拉伸粘结强度，普通硅酸盐水泥还能够提高石膏基自流平砂浆的软化系数;

(3)脱硫石膏基自流平砂浆膨胀率明显低于高强石膏基自流平砂浆，普通硅酸盐水泥的掺入会略微降低高强石膏基自流平砂浆的膨胀率，但膨胀率仍然达到0.6%;

(4)高强石膏基自流平砂浆水化产物结晶度高，成板状或柱状，而脱硫石膏基自流平砂浆以长板状结晶,且板状薄，掺入普通硅酸盐水泥后使得石膏基自流平砂浆形成以二水石膏为主体，并伴有水化硅酸钙及细集料的硬化体。

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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

北京市科技计划项目(Z161100002716019);北京市博士后工作经费资助项目(2015-ZZ-123)

黄天勇(1985-)，男，博士.主要从事混凝土、砂浆及固废综合利用的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)10-3106-06