石膏与矿渣粉对混凝土性能的影响研究

张玭

（中铁九局集团工程检测试验有限公司，沈阳 110025）

1 引言

矿渣粉与石膏作为常见的掺合料在混凝土中有十分广泛的应用，矿渣粉和石膏都能够改善混凝土拌合物的性能，提高混凝土的力学性能和耐久性，在工程建设中有十分重要的价值。矿渣粉和石膏的使用，可以降低混凝土的成本，改善混凝土性能，扩大混凝土的应用范围，具有极高的经济价值。论文通过混凝土坍落度、抗压强度、抗渗性能等方面，分析矿渣粉、石膏对混凝土的拌合物性能、力学性能及耐久性的影响，系统研究了石膏与矿渣粉在混凝土中的作用。

2 原材料和方案

2.1 原材料

矿渣粉产自辽宁矿渣微粉有限责任公司，用试验球磨机粉磨至比表面积为425m2/kg。石膏产自三钢集团，石膏主要成分包括三氧化硫、氧化钙、二氧化硅、氧化镁等。试验所用水泥选择辽宁银盛水泥集团有限公司P·O 42.5级水泥，水泥的比表面积为340m2/kg，标准稠度用水量为26.8%，初凝与终凝时间分别为164min和229min，28d 抗压强度为47.5MPa，抗折强度为7.8MPa。试验所选择的细骨料为河砂，细度模数2.8，表观密度为2630kg/m3，堆积密度为1560kg/m3，含泥量为1.6%。粗骨料为5～31.5mm三级配碎石。试验采用的减水剂为沈阳市众邦建筑材料有限公司ZB-J聚羧酸高性能减水剂（标准型）。

2.2 试验方案

设置两组试验，第一组将矿渣粉分别以10%、20%、30%、40%、50%的比例等质量取代水泥进行混凝土试验，另一组在掺加不同配比矿渣粉的基础上，掺加2%的石膏（配合比数据详见表1），按照混凝土配比要求，合理设计配合比。调整矿渣粉的掺量，制备混凝土，测量坍落度、混凝土立方体试块抗压强度以及渗水性能。

3 试验结果分析

3.1 石膏和矿渣粉掺量变化对混凝土拌合物性能的影响

表1 石膏和矿渣粉掺量变化对混凝土拌合物性能的影响

对比只掺加矿渣粉的混凝土和掺加石膏矿渣粉的混凝土材料来看，坍落度变化并不明显，不超过10mm，随着矿渣粉和石膏掺量的增加，混凝土坍落度有增加的趋势，但达到一定掺量后，坍落度值变化基本不变。

3.2 石膏和矿渣粉掺量变化对混凝土抗压强度的影响

通过试验结果可以看出，掺加石膏之后的矿渣粉混凝土与不掺石膏的矿渣混凝土相比，在七天后相应强度提高了约10%，一个月后抗压强度提高了约2%。掺加石膏的混凝土强度早期提升较快，28天龄期后强度趋于稳定，对后期影响较小[1]。

图1 矿渣粉掺量变化对混凝土抗压强度的影响

图2 石膏和矿渣粉掺量变化对混凝土抗压强度的影响

3.3 石膏和矿渣粉掺量变化对混凝土耐久性的影响

试验表明，随着矿粉掺量的增加，混凝土的渗水深度明显降低，抗渗等级由P6提升至P10，说明矿渣粉可以有效改善混凝土的抗渗性能。但达到一定值后，数值又趋于稳定。而在矿粉掺量递增的同时加2%的石膏后，抗渗等级可由P8提升至P12，混凝土的抗渗性能略有提升，但变化不大。

4 原因分析

4.1 作用机理

随着矿渣粉分别取代混凝土中水泥用量的10%、20%、30%、40%、50%对水泥水化的影响，掺入矿渣粉后混凝土的粘聚性和保水性都有不同程度的改善。矿渣粉具有一定的辅助减水作用，随着矿渣粉取代水泥量的增加，混凝土坍落度同时加大。

将掺加石膏和矿渣粉的水泥复合凝胶材料与只掺加矿渣粉的水泥复合胶凝材料相比，可以看出，胶凝材料在早期水化过程中会出现比较多的钙矾石AFt和氢氧化钙。这可以说明石膏能够在一定程度上促进AFt的生成，提高混凝土材料的早期强度。此外，石膏也可以促进水泥中硅酸三钙的水化，形成结构更加稳定的水化硅酸钙凝胶，钙矾石还可以与水化硅酸钙发生凝胶胶质反应，形成致密结构，提高混凝土的力学性能[2]。

混凝土的抗压强度测试结果表明，掺入石膏和矿渣粉之后抗压强度有一定程度的提高，在七天左右混凝土抗压强度提高达到最大。分析抗压强度结果显示，石膏加速了水泥和矿渣粉复合材料的水化速度，显著提高了混凝土的早期强度，促进混凝土内部钙矾石的形成，使得混凝土强度稳定进程加快。而且在掺加石膏之后，混凝土的抗渗性能有一定的提升，说明石膏的掺入提高了混凝土的耐久性能。分析水化产物，推测材料耐久性能提高是由于早期生成的钙矾石不仅能够提高强度，也可以吸附和结合水分子，引起体积膨胀，抵消水化进程中体积收缩效果，使得水化产物结构更稳定，从而提高混凝土的长期性能和耐久性能[4]。

4.2 水化热

石膏和矿渣粉也会对混凝土复合体系水化热产生影响，试验结果显示，随着矿渣粉含量的不断增加，复合混凝土体系的最高水化热和水化温度都会降低，掺加石膏之后，相应的胶凝材料的水化热和水化温度都会提高。水化热的分析表明，石膏的加入可以促进混凝土体系的水化反应，提高早期材料强度和水化速度，表现出石膏和矿渣粉的早期活性激发作用，保证混凝土的早期使用强度[3]。

5 结语

综上所述，石膏和矿渣粉可以有效改善混凝土拌合物的力学性能和耐久性能，从而保证混凝土的质量，并且掺加适量的石膏和矿渣粉可以降低混凝土的成本，具有较高的经济效益和社会价值。