粉煤灰对混合石膏基砂浆性能的影响

蒋婷 丁佩恒 宋旭艳 戴浩 陈家凡 童斌 郜志海

摘  要：将粉煤灰等质量取代重钙，研究粉煤灰对混合石膏基砂浆体系力学性能以及耐水性能的影响，进而采用X射线衍射分析（XRD）和扫描电镜分析（SEM）等现代测试方法对其水化性能进行追踪测定。结果表明，粉煤灰取代率在15%～20%之间时，砂浆中钙矾石（AFt）含量明显增多，其填充于水化相的空隙中，促使砂浆微观结构更加致密，砂浆强度增大、耐水性提高，砂浆软化系数达到了0.50。建议粉煤灰取代率为15%～20%，此时制备出的混合石膏基找平砂浆经济性高、性能优良。

关键词：粉煤灰  工业废石膏  耐水性  微观机理

中图分类号：TU578.1                      文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）05（b）-0057-04

Influence of Fly Ash on the Properties of Mixed Gypsum-Based Mortar

JIANG Ting1  DING Peiheng1  SONG Xuyan1*  DAI Hao2  CHEN Jiafan3  TONG Bin1  GAO Zhihai1

（1.School of Civil Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou， Jiangsu province， 215011 China;2.Suzhou Branch of Jiangsu Zhaojia Building Material Technology Co.， Ltd.， suzhou， jiangsu province， 215151 China;3.Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics（SINANO）， Chinese Academy of Sciences， suzhou， jiangsu proivince， 215123  China）

Abstract： The influence of fly ash on the mechanical properties and water resistance of gypsum based mortar was studied by replacing heavy calcium with fly ash. The hydration properties of gypsum based mortar were determined by XRD and SEM. The results show that when the replacement rate of fly ash is between 15% and 20%， the content of ettringite （AFT） in mortar increases obviously， which fills in the voids of hydration phase， makes the microstructure of mortar more compact， the strength and water resistance of mortar increase， and the softening coefficient of mortar reaches 0.50. It is suggested that the replacement rate of fly ash should be 15% ～ 20%. At this time， the prepared mixed gypsum based leveling mortar has high economy and excellent performance.

Key Words： Fly ash; Industrial waste gypsum; Water resistance; Microscopic mechanism

采用脫硫石膏、骨料、掺合料和外加剂等制备的石膏基砂浆，是地面填充的理想材料。而磷石膏是生产磷酸时产生的固废石膏，产量巨大，但其中含有未分解的杂质，杂质对制品性能产生不利影响，极大降低了利用率。为提高磷石膏利用率，本文在脱硫石膏基砂浆配比基础上制备混合石膏基砂浆，探究掺合料对砂浆力学性能和耐水性能的影响，并借助XRD和SEM对砂浆进行微观分析，旨在为混合石膏基应用提供试验依据。

1  实验

1.1 原材料

试验采用磷石膏和脱硫石膏为研究对象，两种石膏的XRD结果见图1。结合图1可知，原状磷石膏主要矿物成分为二水石膏，对其进行150℃热处理后，成分以半水石膏为主，因而试验对热处理磷石膏开展研究;脱硫石膏主要成分为半水石膏。水泥采用海螺牌P·O42.5。

1.2 配比设计

脱硫石膏基砂浆的基本性能如表1所示，满足规范要求。在此基础上，采用磷石膏取代脱硫石膏配制混合石膏砂浆。砂浆的基准配比如表2所示，其中减水剂、缓凝剂掺量为胶凝材料总量的百分比，消泡剂、保水剂为粉料总量的百分比，水胶比为0.62。为探究粉煤灰对混合石膏基砂浆性能的影响，采用粉煤灰取代重钙制备砂浆进行试验，粉煤灰取代率为重钙质量的0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%，分别用F0～F6表示。

1.3 试验方法

参照《石膏基自流平砂浆》（JCT 1023-2007）对强度进行测试。参照《建筑石膏力学性能的测定》（GBT 17669.3-1999）对耐水性能进行测试。参照《水泥胶砂干缩试验方法》（JC/T 603-2004）对干缩性能进行测试。通过XRD分析养护3d和28d时砂浆水化产物，所用仪器为D8-FOCUS型衍射仪，测试角度为5°～70°（2θ），使用SEM观察养护28d时砂浆微观形貌。

2  结果与分析

2.1 粉煤灰对混合石膏基找平砂浆力学性能的影响

地面找平砂浆需要拥有高强度，以达到承人载物的要求，研究表明粉煤灰可以改善砂浆强度[1-3]。史琛[4]研究水泥-石膏混合砂浆的流变性能及力学性能，发现当粉煤灰掺量在20%时，材料强度大于基准样。粉煤灰中活性矿物成分会影响砂浆水化，促使更多水化产物生成，提升力学性能[5]。因此，本节研究粉煤灰对砂浆强度的影响，结果如图2所示。

由图2可知，砂浆强度均大于粉煤灰取代率为0%的基准样，说明粉煤灰提升浆体力学性能。随着粉煤灰取代率从10%增加到20%，强度逐渐提高，水化生成的二水石膏为早期强度的形成提供了基本骨架[6]，同时粉煤灰中活性成分在硫酸盐环境下被激发，水化生成AFt，提高砂浆强度;继续增加掺合料至30%，强度有所减小，可能是过量粉煤灰未得到完全激发，形成的结晶网状结构减少，对提高强度有所不利。

2.2 粉煤灰对混合石膏基找平砂浆耐水性能的影响

石膏基找平砂浆材料耐水性差，此缺陷导致石膏得不到大范围应用，而粉煤灰火山灰效果和微集料作用会使浆体孔结构得到改善，促进砂浆获得较好的锁水效果[7]。因此本节研究粉煤灰对砂浆绝干强度和湿强度的影响，而软化系数可以评价耐水性能，软化系数越大说明耐水性能越好[8，9]，结果如表3所示。

从表3可知，粉煤灰可以增强耐水性能。粉煤灰取代率从0%增加至15%时，软化系数增大，耐水性能不断增强，这是因为粉煤灰中具有活性的SiO2和Al2O3与砂浆中氢氧化钙和水发生二次反应，生成大量AFt，产物填充于孔隙中，增强砂浆密实度，提高耐水性。随取代率继续增大至30%，砂浆软化系數将降低，因此取代率在10%～20%时耐水性能更优。

2.3 粉煤灰对混合石膏基找平砂浆微观性能的影响

通过SEM和XRD分析粉煤灰对砂浆微观性能影响，以探讨砂浆硬化过程中矿物组成、微观结构、力学强度性能关系。本节研究粉煤灰取代率为0%、10%、20%、30%时砂浆微观结构，其中XRD图谱如图3所示，SEM形貌如图4所示。

由图3可知，砂浆硬化体系水化产物有AFt。3d龄期时粉煤灰取代率从10%增加至20%，AFt的衍射峰有所增强，生成大量AFt，砂浆强度和耐水性能有较大提升，同时由2.1节力学性能和2.2节软化系数结果可知，在此范围内，砂浆力学性能和耐水性能得到提高。而取代率30%时，AFt衍射峰有所减弱，砂浆强度降低。28d龄期时AFt的衍射峰明显增多。

图4为硬化体系水化28d的SEM形貌图。由图4（a）可知，水化产物有针状AFt，它们相互交叉搭接，但存在部分空隙。观察图4（b），粉煤灰取代10%时出现明显针状AFt，产物相互搭接构成浆体骨架，形成网状结构，而未水化的粉煤灰微小颗粒填充于石膏晶体间。由图4（c）可知，水化产物中针状AFt明显增多，产物包裹着板状石膏晶体，使得水化相中的空隙被填充，网状结构更为致密，这将很大程度上增强砂浆的强度和耐水性能。由图4（d）可见，粉煤灰取代30%时，水化产物中柱状的晶体、AFt明显减少，未水化的粉煤灰颗粒散落在产物之间，结构疏松且存在较多空隙，导致砂强度和耐水性能均有所降低，这与2.1节强度结果和2.2节耐水性能结果建立起紧密的联系。

3  结语

（1）粉煤灰对砂浆各龄期的强度有所增强，当粉煤灰取代率15%时砂浆的软化系数较优，耐水性能好。粉煤灰取代率15%～20%时砂浆体系中AFt含量较多，水化相中的空隙被填充，微观结构相对致密，显著改善了砂浆的力学性能和耐水性能。

（2）综合考虑砂浆基本性能和耐久性等方面的要求，建议粉煤灰取代率15%～20%，此时制备出的混合石膏基砂浆经济性高、性能优良。

参考文献

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[8] 戴浩，张超，王辉.石膏-水泥-碱-矿渣复合胶凝体系对石膏基自流平砂浆性能的影响[J].中国建材科技，2020，29（6）：40-43.

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