石膏-水泥二元胶凝体系对石膏基砂浆性能的影响

周 文

（福建省建设工程质量安全总站，福建 福州 350008）

0 引言

传统抹灰砂浆以水泥砂浆或水泥石灰砂浆为主，存在粘结力低、干缩大、易开裂、空鼓、后期修补困难等缺点，因此研究新型抹灰砂浆势在必行。石膏基抹灰砂浆是一种适用于室内抹灰的新型绿色环保材料，具有绿色环保、施工性能好、粘结力强等优点，解决传统抹灰砂浆存在的易开裂、空鼓、脱落等质量通病，可作为传统水泥抹灰砂浆的替代品[1]。

目前，国内学者对石膏基砂浆组成材料对其性能的影响进行了较为系统的研究。琚诚兰等[2]研究发现，随着硅酸盐水泥掺量的增加，石膏基自流平砂浆的初始流动度增加、凝结时间缩短、力学性能呈先增加后降低的趋势。王存等[3]研究发现，掺入纤维素醚和可再分散乳胶粉这两种有机聚合物对石膏基砂浆的流动度、拉伸粘结强度均有提升；随着纤维素醚掺量的提高，石膏基砂浆的抗压、抗折强度总体呈现先上升后下降的趋势；可再分散乳胶粉对抗折强度有小幅度提升，而抗压强度呈持续下降的趋势。杨奇玮等[4]研究了不同种类细骨料对石膏基自流平砂浆性能的影响，研究结果表明，掺入石英砂的砂浆流动性和力学性能均优于掺碳酸钙的砂浆。李亚梅等[5]研究了聚丙烯纤维对抗裂砂浆性能的影响，当聚丙烯纤维掺入的长度为6mm 时，能有效提高砂浆的抗拉强度及抗渗性，减少微裂纹的产生。在此基础上，本试验通过采用石膏作为主要胶凝材料，辅以普通硅酸盐水泥，再以石英砂为骨料，选用两种有机聚合物可分散胶粉及羟丙基甲基纤维醚，并掺加聚丙烯抗裂纤维来制备性能优异的石膏基抹灰砂浆。

1 试验

1.1 原材料

（1）石膏：主要化学成分为CaSO4·2H2O，经120℃温度烘干后大多以茁型半水石膏（茁-CaSO4·1/2H2O）形式存在，加热至128℃，继续转变至熟石膏（CaSO4·H2O），163℃以上变成无水石膏（CaSO4·）[6]。其物理性能见表1。

（2）水泥：采用炼石水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥，型号为P·O42.5，物理力学性能指标见表2。

表1 天然石膏粉的物理性能指标

表2 水泥物理力学性能指标

（3）细骨料：石英砂，颗粒粒径在0.1～0.3mm 之间。

（4）可分散胶粉：采用欧莱斯（天津）化工有限公司生产的可分散胶粉，为白色固体粉末。

（5）羟丙基甲基纤维醚（HPMC）：采用河南美凯精细化工有限公司生产的羟丙基甲基纤维醚（HPMC）。

（6）聚丙烯抗裂纤维：采用山东腾鑫新材料有限公司生产的聚丙烯抗裂纤维，长度为6mm。

1.2 试验设计

天然石膏粉末需在试验前经热处理，使主要成分二水石膏转变成具有良好胶凝性能的半水石膏。水泥和石膏总的胶凝材料用量不变，水胶比固定为0.45，石英砂∶胶凝材料=1.3∶1（质量比），可分散胶粉、羟丙基甲基纤维醚和聚丙烯抗裂纤维均采用外掺，用量分别为胶凝材料总量的3.6%、1.2%和1.2%。设定水泥的掺量分别为0%、15%、30%、45%，石膏基砂浆胶凝材料体系配比如表3 所示。石膏基砂浆的凝结时间试验参照标准GB/T 17669.4-1999《建筑石膏净浆物理性能的测定》进行；抗折强度、抗压强度试验参照标准GB/T 17669.3-1999《建筑石膏力学性能的测定》进行；拉伸粘结强度试验参照标准JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》进行；保水率试验参照标准GB/T 28627-2012《抹灰石膏》进行；导热系数试验参照标准GB/T 10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》进行。

表3 石膏基砂浆胶凝材料体系配比 %

2 试验结果及分析

2.1 普通硅酸盐水泥对石膏基砂浆拌合物性能的影响

普通硅酸盐水泥对石膏基砂浆拌合物性能的影响结果见表4和图1、图2。

表4 普通硅酸盐水泥对石膏基砂浆拌合物性能的影响

图1 不同水泥掺量石膏基砂浆凝结时间

图2 不同水泥掺量石膏基砂浆保水率

由表4 和图1 结果可知，随着二元胶凝体系中水泥掺量的提高，石膏基砂浆的凝结时间缩短。其原因分析如下：水泥的比表面积远小于石膏，水泥等量替代石膏后，水泥和石膏组成的胶凝材料总的比表面积下降，标准稠度用水量降低，石膏基砂浆的需水量减少，需水量的减少使二水石膏溶液过饱和度增加，其成核与析晶速率加快，从而使凝结时间缩短。

由表4 和图2 结果可知，随着二元胶凝体系中水泥掺量的提高，石膏基砂浆的保水率增加，保水性能提高。其原因分析如下：普通硅酸盐水泥遇水后会迅速生成氢氧化钙，氢氧化钙会覆盖在石膏浆体表面，避免了水分直接进入石膏晶体内部，从而大大减小水对石膏的溶解作用，提高石膏基砂浆的保水性。

2.2 普通硅酸盐水泥对石膏基砂浆力学性能的影响

普通硅酸盐水泥对石膏基砂浆力学性能的影响结果见表5 和图3。

表5 普通硅酸盐水泥对石膏基砂浆力学性能的影响

图3 不同水泥掺量石膏基砂浆强度

由表5 和图3 结果可知，随着水泥掺量的提高，石膏基砂浆的抗折强度、抗压强度和拉伸粘结强度先增加后降低，水泥掺量为30%时，石膏基砂浆力学性能最好。其原因分析如下：纯石膏砂浆在硬化后，主要成分是二水石膏（CaSO4·2H2O）。由于二水石膏主要为单一的棒状或条状晶体，且尺寸较大，无法形成相互交错的网络结构，结构疏松，存在着大量孔隙[7]。水泥的掺加对石膏基砂浆强度的提升有一定作用，取决于水泥-石膏二元胶凝材料体系的水化产物C-S-H 凝胶和钙矾石的共同作用[8]。针状钙矾石晶体与棒条状的二水石膏晶体相互搭接，C-S-H 凝胶填充在硬化体内部结构中[9]，使得石膏基砂浆浆体的内部孔隙率更低，晶体结构更密实，稳定性更强，从而提高了强度性能。当水泥含量进一步扩大后，由于石膏基砂浆组成中的水泥比重增大，导致钙矾石过量生成，该物质有一定的体积膨胀性，在大量的钙矾石填充下，基体内部会产生极大的内应力，破坏内部结构，使强度降低，甚至产生裂纹。

2.3 普通硅酸盐水泥对石膏基砂浆导热系数的影响

普通硅酸盐水泥对石膏基砂浆导热系数的影响结果见表6 和图4。

表6 普通硅酸盐水泥对石膏基砂浆导热系数的影响

图4 不同水泥掺量石膏基砂浆导热系数

由表6 和图4 结果可知，导热系数与普通硅酸盐水泥掺量呈正比关系。主要原因在于组成石膏基砂浆的主要胶凝材料是石膏，石膏砂浆为多孔材料，导热系数低，掺入水泥后，石膏基砂浆中水泥的水化产物不断填充着晶体孔隙，造成石膏基砂浆结构孔隙随着水泥掺量的增加而降低，引起导热系数增长。因此在石膏基抹灰砂浆中需严格控制水泥用量，以免造成保温性能太差，影响产品使用效果。

3 结束语

（1）随着水泥掺量的增加，石膏基砂浆凝结时间逐渐缩短、保水性能提高，抗折强度、抗压强度和拉伸粘结强度先增加后降低。水泥掺量低于30%时，水泥对石膏基砂浆力学性能有一定的提升作用；水泥掺量高于30%时，石膏基砂浆力学性能降低，但拉伸粘结强度降低幅度较小。

（2）水泥的掺加对石膏基砂浆的导热性能产生不利影响，实际工程应用中应严格控制石膏—水泥二元胶凝体系中水泥的掺量。

（3）综合考虑石膏基砂浆的各项性能，在石膏—水泥二元胶凝体系中，水泥的最优掺量为30%。