高耐水石膏復(fù)合膠凝材料安定穩(wěn)定性和長期性能研究★

錢 耀 麗

(上海市建筑科學(xué)研究院(集團)有限公司，上海 201108)

1 概述

傳統(tǒng)的石膏膠凝材料(以半水石膏或Ⅱ性無水石膏單獨或兩者混合，水化產(chǎn)物主要為二水硫酸鈣)制備的石膏建材耐水性能差，隨濕度的增加，石膏建材強度急劇降低、蠕變性增大，其使用受到限制[1]。通過在其中摻入礦粉等水硬性摻合料對其改性，提高其密實度，從而提高其耐水性[2]。課題組在參考大量文獻資料以及前期探索性試驗工作基礎(chǔ)上，利用脫硫石膏、氟石膏、干法脫硫灰、礦粉開發(fā)了高耐水石膏復(fù)合膠凝材料體系，初步確定其比例為干法脫硫灰30%、脫硫石膏30%、氟石膏20%、礦粉20%。該材料不同于水泥和石膏這兩大無機膠凝材料，兼具水硬性和氣硬性兩種特性。因干法脫硫灰、脫硫石膏、氟石膏等均屬于工業(yè)固廢，化學(xué)組分波動明顯，存在潛在的不穩(wěn)定因素。因此，本研究深入研究干法脫硫灰中f-CaO對石膏復(fù)合膠凝材料安定性的影響，并開展石膏復(fù)合膠凝材料的化學(xué)成分和強度穩(wěn)定性、長期強度與長期耐水性等長期性能研究，為石膏復(fù)合膠凝材料的配制及應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 石膏復(fù)合膠凝材料安定性研究

表1 石膏復(fù)合膠凝材料中f-CaO含量和安定性測試結(jié)果

干法脫硫灰中含有較高含量的f-CaO，用其配制的石膏復(fù)合膠凝材料可能存在安定性不良的問題，因此采用GB 176—2008水泥化學(xué)分析方法中游離氧化鈣測定之甘油酒精法，對石膏復(fù)合膠凝材料的f-CaO開展多批次測試；并依據(jù)GB/T 1346水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法開展雷氏夾安定性試驗，結(jié)果見表1。試驗結(jié)果表明，石膏復(fù)合膠凝材料的雷氏夾值與f-CaO含量有直接關(guān)系，盡管所測試數(shù)據(jù)表明材料的安定性良好，但是考慮到不同批次材料化學(xué)成分有些波動，建議石膏復(fù)合膠凝材料的f-CaO含量控制在5%以內(nèi)。

3 石膏復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定性研究

配制石膏復(fù)合膠凝材料的固體廢棄物存在很多潛在的不穩(wěn)定性因素，從不同批次石膏復(fù)合膠凝材料化學(xué)成分的穩(wěn)定性和基本力學(xué)性能(抗折強度和抗壓強度)的穩(wěn)定性開展研究。不同批次原料配制的石膏復(fù)合膠凝材料化學(xué)分析和基本力學(xué)性能結(jié)果如表2所示，不同批次石膏復(fù)合膠凝材料游離氧化鈣含量在4%～6.0%之間，Al2O3含量在4%～5%之間，其化學(xué)組成穩(wěn)定性良好；不同批次石膏復(fù)合膠凝材料強度較穩(wěn)定，7 d抗折強度約5 MPa～6 MPa，7 d抗壓強度約26 MPa～28 MPa，28 d抗折強度9 MPa～10 MPa，28 d抗壓強度40 MPa左右。

表2 石膏復(fù)合膠凝材料化學(xué)分析和基本力學(xué)性能

4 石膏復(fù)合膠凝材料長期性能研究

4.1 石膏復(fù)合膠凝材料長期強度研究

石膏復(fù)合膠凝材料兼具氣硬性膠凝材料及水硬性膠凝材料的性能，研究不同養(yǎng)護條件——恒溫恒濕養(yǎng)護((20±2)℃，65%濕度)和標(biāo)養(yǎng)((20±2)℃，95%以上濕度)對其長齡期性能的影響響，結(jié)果見表3。

表3 石膏復(fù)合膠凝材料不同齡期強度 MPa

從表3可知，隨著齡期的增加，兩種養(yǎng)護條件下石膏復(fù)合膠凝材料的抗折強度和抗壓強度隨齡期基本呈增長趨勢，而且恒溫恒濕條件下試件強度增長較快。標(biāo)養(yǎng)條件下，試件7 d抗折強度和28 d抗折強度分別僅為恒溫恒濕條件下的76%和61%；試件7 d抗壓強度、28 d抗壓強度和90 d抗壓強度分別為恒溫恒濕條件下的84%,76%和75%。主要是因為石膏復(fù)合膠凝材料中水化生成的二水石膏是氣硬性膠凝材料，在95%濕度的高濕度條件下，其所生成的晶格易溶析，對強度的生成具有一定的阻礙作用[3]，因此標(biāo)養(yǎng)條件下試件強度低于恒溫恒濕條件下的試件。

恒溫恒濕條件下，養(yǎng)護齡期從7 d延長到28 d，試件抗折強度提高了52%，抗壓強度提高了44%；但當(dāng)齡期增加到90 d時，抗折強度發(fā)生倒縮現(xiàn)象，有所下降，抗壓強度呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，主要是由于石膏復(fù)合膠凝材料中引入的礦粉與二水石膏結(jié)合生成的鈣礬石(AFt)具有水硬性膠凝材料的部分特點，恒溫恒濕條件下，因濕度不足，材料早期水化生成的鈣礬石相對較少，隨著齡期的延長，鈣礬石不斷增多，結(jié)構(gòu)密實，強度提高；但是材料水化后期產(chǎn)生的鈣礬石會引起膨脹，破壞漿體已形成的結(jié)構(gòu)，宏觀表現(xiàn)為試件抗折強度下降，嚴(yán)重的甚至?xí)鹪嚰臄嗔裑3]。而標(biāo)養(yǎng)條件下濕度較大，鈣礬石的量從水化早期到水化后期處于緩慢均勻增長的狀態(tài)(宏觀表現(xiàn)為試件強度穩(wěn)定發(fā)展)，因整個體系是以二水石膏為主，鈣礬石總量不高，水化產(chǎn)物穩(wěn)定[3]，因此標(biāo)養(yǎng)條件下該石膏復(fù)合膠凝材料性能較穩(wěn)定。綜上盡管恒溫恒濕條件下試件抗折、抗壓強度普遍高于標(biāo)養(yǎng)條件下的試件，但是恒溫恒濕條件下試件可能出現(xiàn)強度倒縮，性能不穩(wěn)定，因此石膏復(fù)合膠凝材料的養(yǎng)護條件宜選擇高濕度的養(yǎng)護條件(標(biāo)養(yǎng))。

4.2 石膏復(fù)合膠凝材料耐水性研究

選用不同批次石膏復(fù)合膠凝材料進行吸水率、軟化系數(shù)的研究，結(jié)果如表4所示。試驗方法：將石膏復(fù)合膠凝材料養(yǎng)護至28 d，取三塊試件烘干，測其質(zhì)量、抗折及抗壓強度；其余試件浸入(20±2)℃自來水中，測試試件浸泡48 h或其他規(guī)定浸泡時間的質(zhì)量、抗折、抗壓強度，經(jīng)計算求得吸水率與軟化系數(shù)。

從表4可以看出，隨著浸水時間的增加，石膏復(fù)合膠凝材料吸水率逐漸增高，其軟化系數(shù)也呈上升趨勢。而且不同批次的石膏復(fù)合膠凝材料耐水性良好且較穩(wěn)定，軟化系數(shù)均在0.8以上，吸水率在15%左右。

以樣品3為研究對象，從圖1中可以看出，石膏復(fù)合膠凝材料浸水初期吸水較多，浸水48 h吸水率達到11%，隨著浸水時間的延長，吸水率雖然逐漸上升，但是吸水幅度變小，浸水28 d相對于浸水48 h而言，吸水幅度僅增加了2.0%，而浸水3個月的吸水率也僅為15.5%，不足普通脫硫建筑石膏24 h吸水率的50%。雖然石膏復(fù)合膠凝材料的吸水率隨浸水時間增加而升高，但是其軟化系數(shù)卻并未隨之降低，反而呈上升趨勢；且其浸水三個月強度高于烘干原強度，軟化系數(shù)達到1.0以上，主要是因為：養(yǎng)護28 d，石膏復(fù)合膠凝材料未完全水化，浸水后，部分水分通過試件中的微小孔洞進入試件，參與試件的進一步水化反應(yīng)，宏觀上表現(xiàn)為質(zhì)量及吸水率的增加；但是水化反應(yīng)使石膏復(fù)合膠凝材料的結(jié)構(gòu)更為致密，宏觀上表現(xiàn)為強度升高及軟化系數(shù)的增大。

表4 石膏復(fù)合膠凝材料耐水性研究

5 結(jié)語

1)石膏復(fù)合膠凝材料安定性量化，但考慮到不同批次材料化學(xué)成分有波動，建議其f-CaO含量控制在5%以內(nèi)。

2)石膏復(fù)合膠凝材料兼具水硬性膠凝材料和氣硬性膠凝材料的特征；在恒溫恒濕(濕度65%)條件下試件抗折、抗壓強度普遍高于標(biāo)養(yǎng)(濕度95%)條件下的試件，但是恒溫恒濕條件下試件可能出現(xiàn)強度倒縮、性能不穩(wěn)定，標(biāo)養(yǎng)條件下試件長期強度發(fā)展穩(wěn)定，其養(yǎng)護條件宜選擇標(biāo)養(yǎng)。

3)不同批次的石膏復(fù)合膠凝材料具有良好且穩(wěn)定的耐水性能，長期浸水軟化系數(shù)在0.8以上，浸水3個月吸水率在15%左右。