均勻設計法優(yōu)化普通硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥-二水石膏修補材料配合比及其性能試驗研究

楊 光 方育柯 趙佳斌 殷穎迪 劉冰宇 麻文娜 蘆白茹

（西安歐亞學院人居環(huán)境學院 西安 710065）

前言

普通硅酸鹽水泥（OPC）、硫鋁酸鹽水泥（SAC）、石膏（CS）作為最常見的建筑材料，它們在工程建設中扮演著不可或缺的角色。普通硅酸鹽水泥是一種由硅酸鹽水泥熟料、5～20%的混合材料及適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料。它一直以來源廣泛、強度高、水化熱大、抗碳化性較好著名，但它也因耐腐蝕性差、不耐高溫為人詬病[1]。硫鋁酸鹽水泥抗腐蝕性很好，但后期強度會產生倒縮[2]。二者完全可以互補。石膏是單斜晶系礦物，是主要化學成分為硫酸鈣（CaSO4）的水合物。它是一種用途廣泛的工業(yè)材料和建筑材料。可用于水泥緩凝劑、石膏建筑制品、模型制作、醫(yī)用食品添加劑、硫酸生產、紙張?zhí)盍稀⒂推崽盍系?。石膏可以做硅酸鹽水泥的緩凝劑[3]，使得其凝結時間達到修補材料的要求，應用于各種工程建筑的修復、加固及翻新。

基于對新型修補材料的研究發(fā)現(xiàn)，在普通硅酸鹽水泥中添加一些特種水泥例如硫鋁酸鹽水泥會顯著提高水泥強度及其他性能。這是因為硫鋁酸鹽水泥消耗了CA（OH）2，加快了水化速度，于此同時，硫鋁酸鹽水泥中的無水硫鋁酸鈣快速與石膏反應，生成鈣礬石（AFt），提高了水泥砂漿的強度。而且硫鋁酸鹽水泥水化產生的鈣礬石具有微膨脹的特性[4～6]，在補償收縮、修補加固及制備預應力水泥等方面，發(fā)揮重要作用[7]。

有鑒于此，本文主要將三種材料按均勻設計所得的比例進行復合實驗，以強度、流動度、凝結時間為評判指標，得出最佳配合比，補充現(xiàn)有修補材料的空缺，為修補材料的實際應用提供一定依據(jù)。

1 試驗

1.1 原材料

（1）普通硅酸鹽水泥：陜西堯柏特種水泥有限公司，P.O 42.5水泥，具體見表1。

表1 普通硅酸鹽水泥物理指標

（2）硫鋁酸鹽水泥：世利牌低堿度硫鋁酸鹽水泥L·SAC42.5級，具體見表2。

表2 硫鋁酸鹽水泥物理指標

（3）石英砂：市面所出售的砂子，其細度模數(shù)為2.3。

（4）市售二水石膏。

1.2 試驗方法

（1）水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢測方法依據(jù)GB/T1346-2011。

（2）成型、養(yǎng)護、強度測試方法參考《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T17671-1999）規(guī)定的試驗方法。

（3）攪拌制度：先將膠凝材料（OPC、SAC）放進水泥膠砂攪拌機中慢攪60s，再放入石英砂繼續(xù)慢攪60s，最后加入水慢攪60s，再快攪60s，共計4min，一次性把砂漿裝入40mm×40mm×160mm三聯(lián)模內，手動振蕩20次后刮平，帶模放入標養(yǎng)室，根據(jù)齡期要求進行拆模。

（4）流動度：流動度試驗按GB50119-2003附錄A進行。

表3 OPC，SAC，CS三元體系配合比

1.3 均勻設計配合比

擬定水灰比為0.5。由于試驗水平較多，為減少試驗次數(shù)，提高數(shù)據(jù)間的連續(xù)性，本文采用均設設計軟件得到均勻設計配合比，然后將普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、二水石膏這三種材料進行混合，測定其強度、砂漿流動度、凝結時間，具體配合比見表3。

2 試驗結果與分析

2.1 外觀、強度、流動度及凝結時間

2.1.1 試塊外觀

圖1 第9組28d

圖2 第9組與第三組對比

2.1.2 試驗結果

圖3 第7組28d

圖4 第5組28d

在上述試驗配合比參數(shù)下進行砂漿的1d、3d及28d抗折及抗壓強度試驗，試驗結果如圖5和圖6所示。流動度及凝結時間見圖7和圖8。

圖5 抗折強度

圖6 抗壓強度

圖7 凝結時間

圖8 流動度

2.2 結果分析

2.2.1 試塊外觀

普遍接受的是，硫鋁酸鹽水泥水化產生的鈣礬石是引起膨脹的主要原因。Julien Bizzozero發(fā)現(xiàn)硫鋁酸鹽水泥凈漿試件膨脹率隨石膏含量增加而增大，當膨脹率達到0.5%左右時試件出現(xiàn)可見裂縫而破壞，但沒有給出試件強度與膨脹率之間的關系[3]。本文中第5組及第7、8、9、10組全部因膨脹過大而斷裂，而導致沒有強度，如圖1、3所示。第5、7、9、10組石膏及硫鋁酸鹽水泥的摻量都很高，第8組硫鋁酸鹽水泥摻量很高，而且硫鋁酸鹽水泥及石膏摻量越多，膨脹現(xiàn)象越明顯，如圖3所示。綜上，石膏的摻量嚴重影響了試塊強度，印證了Julien Bizzozero的研究。

2.2.2 強度、流動度及凝結時間

（1）圖5、6結果顯示第4組的3d、28d抗折強度幾乎達到峰值，SAC的含量在15%左右時抗折、抗壓強度表現(xiàn)良好，且增幅較大。隨著OPC摻量的減少即SAC、CS摻量的增加，后期強度會產生倒縮。然而第5、7、8、9、10組的28d強度為0是因為試塊斷裂，可能是由于SAC、CS摻量逐漸增加，SAC在水化過程中生成AFt，AFt的生成過程中會出現(xiàn)2～2.5倍的體積膨脹。而CS增加了SAC的膨脹率。綜上，過量的SAC、CS導致28d試塊斷裂。

（2）圖7顯示第6組的初凝時間較短，在75min左右，且初凝時間與終凝時間間隔較短，大約5min。其次是第4組和第8組，凝結時間最長的是第1組，因為OPC的摻量是最多的。而且隨著CS摻量的增加，凝結時間越來越長。

（3）從圖8來看，第8組和第9組的砂漿流動度最大，而且這兩組的CS含量是最多的，表明CS摻量對流動度有著很大影響。

（4）綜上分析，從實驗結果及工程實用性來看，第4組的強度合格，凝結時間在90min左右，符合修補材料的要求，而且流動度也在可接受范圍內。各項指標基本符合要求，滿足實際需求。