氟石膏對地坪墊層混凝土補償收縮性能的影響研究

劉文斌，周慧，董陽

（1.常州工程職業技術學院，江蘇 常州 213164；2.南京旭潔建筑科技有限公司，江蘇 南京 210067）

工業地坪指工業廠房和倉庫土基上的地面，其組成自下而上依次為地基土層、基層、墊層和面層[1]。隨著工業的發展，現代工業地坪承受的荷載不斷增加，對地坪的強度、抗裂性能及韌性都提出了更高的要求[2]。地坪中的墊層一般為半干性混凝土或砂漿，采用普通混凝土或者僅配置構造鋼筋的混凝土墊層，其韌性差、易出現裂縫[3-4]；部分工程采用鋼纖維或碳纖維摻入混凝土進行改性，對于地坪表面開裂有很好的抑制效果，但也存在不易混合均勻，施工工藝復雜等缺點[5-6]。本文采用補償收縮機理對墊層干硬性混凝土進行試驗，以期尋求性價比高的新材料與新技術，改善工業地坪墊層混凝土的工作性能，達到減小地坪墊層混凝土收縮的效果。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：江南小野田水泥有限公司P·O42.5水泥，標準稠度需水量27.3%，主要物理力學性能見表1；氟石膏：安徽宣城亨元化工科技有限公司，主要化學成分見表2，主要礦物組成為CaSO4（見圖1）；細骨料：江砂，細度模數2.5；粗骨料：5~15mm連續級配碎石；減水劑：山東萬山化工有限公司萘系高效減水劑，粉劑；減縮劑：德固賽Sitren PSR100高效粉體減縮劑；水：自來水。

表1 水泥的物理力學性能

表2 氟石膏的主要化學成分 %

圖1 氟石膏的XRD圖譜

1.2 配合比

試驗選取同一組固定的地坪墊層用混凝土配合比，進行不同氟石膏和減縮劑摻量試驗。表3為研究在滿足混凝土強度的條件下，氟石膏與膠凝材料水化反應生成鈣釩石，補償混凝土收縮所需的最佳摻量，表4為研究減縮劑對減少混凝土收縮的最佳摻量，并探究對混凝土孔結構的影響。

表3 不同氟石膏摻量地坪墊層混凝土的配合比 kg

表4 不同減縮劑摻量地坪墊層混凝土的配合比 kg

1.3 試驗方法

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行混凝土強度測試；采用補償性混凝土收縮膨脹測定儀（型號：BCL355）對地坪墊層混凝土進行收縮率測試；對混凝土進行XRD（型號：D/max 2500 PC）、SEM（型號：JEM-2100）和EDS（型號：INCA X-MAX）分析，尋找其補償收縮的水化產物，并進行物性測試；對混凝土進行取樣、制樣，采用混凝土孔結構分析儀（型號Rapid Air 457）測試其表面孔的分布范圍和數量，計算混凝土中氣孔含量。

2 試驗結果與討論

2.1 地坪墊層混凝土的強度（見表5）

表5 不同氟石膏摻量地坪墊層混凝土的強度

由表5可見，隨著氟石膏摻量的增加，地坪墊層混凝土的早期和后期抗折、抗壓強度都呈一定提高的趨勢，相比于未摻加氟石膏的混凝土（H1），3 d抗折強度均提高10%以上，最大增長率達48.2%；3 d抗壓強度均提高20%以上，最大增長率達59.8%。當氟石膏摻量不超過水泥用量的10%時，混凝土的28 d抗折、抗壓強度仍有一定的增長，未出現強度倒縮現象。早期和后期強度的提高說明氟石膏對混凝土的強度具有促進作用。分析原因為氟石膏中無水硫酸鈣和水泥水化產物中的鋁酸三鈣反應生成鈣釩石（AFt），促進強度的提高，但無水硫酸鈣相比二水硫酸鈣而言，反應生成AFt的速度慢、晶粒細小，故而在一定摻量內并未引起后期強度倒縮現象。

2.2 地坪墊層混凝土的收縮率（見圖2）

不同氟石膏及減縮劑摻量地坪墊層混凝土的收縮率分別見圖2、圖3。

圖2 不同氟石膏摻量地坪墊層混凝土的收縮率

圖3 不同減縮劑摻量地坪墊層混凝土的收縮率

由圖2可見，氟石膏的摻入對地坪墊層混凝土具有補償收縮作用，未摻氟石膏時，28 d收縮率達564×10-6；氟石膏摻量為5%時，28 d收縮率為214×10-6，收縮率減小了60%，說明氟石膏摻入可以抑制地坪墊層混凝土的收縮。隨著氟石膏摻量繼續增加，收縮率減小并不明顯。由圖3可見，減縮劑未明顯起到減小地坪墊層混凝土收縮的作用，混凝土自收縮主要發生在外部環境不產生水分交換的情況下，體系內部的水分由于參與到水泥的水化進程中不斷消耗，為了補償收縮水泥漿體，內部產生了大量微細孔，毛細孔中的水逐漸發展為不飽和狀態，降低了水泥石內的相對濕度，在自干燥作用下，毛細孔內形成彎月面，增大了毛細孔壓力，周圍的水泥石產生真空向內拉緊力，從而使得混凝土收縮[7-8]。干硬性混凝土內部密實，大量連通孔被堵塞，毛細孔中水分較少，故而減縮劑對毛細孔中水的表面張力影響不明顯。

2.3 XRD與SEM分析

H7試樣水化產物的XRD圖譜見圖4，水化3 d、28 d的SEM照片見圖5，水化3 d的EDS圖譜及元素分析見圖6、表6。

圖4 H7試樣水化產物的XRD圖譜

圖5 H7試樣水化3 d、28 d的SEM照片

圖6 H7試樣水化3 d的EDS圖譜

表6 水化產物的元素分析

由圖4~圖6以及表6可知，摻入氟石膏后，地坪墊層混凝土中明顯出現水化產物AFt，說明氟石膏的加入影響了水泥的水化進程，進而對水化產物也產生一定的影響，3 d的XRD圖譜中無明顯的Ca（OH）2生成，說明水化初期是以AFt和水化硫鋁酸鈣膠凝材料為主，C-S-H凝膠相對偏少。水化3 d時水化產物中可見大量的針狀鈣釩石晶體生成，主要為Ca-Al-Si-O的膠凝材料（氫原子在能譜中無法顯示），說明水化產物中也有水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣的存在。28 d齡期時，水化產物中有C-S-H膠凝材料的出現，同時仍存在鈣釩石。

2.4 孔隙率分析

對H7試樣進行孔隙率結構分析，結果見圖7。不同氟石膏及減縮劑摻量地坪墊層混凝土的氣孔含量分別見表7、表8。

圖7 H7試樣的孔徑分布

表7 不同氟石膏摻量混凝土的氣孔含量

表8 不同減縮劑摻量混凝土的氣孔含量

由圖7以及表7、表8可見，地坪墊層混凝土的孔以微孔為主，但在成型過程中會留有部分大孔。H7試樣中的孔主要以0.05 mm以下的微孔為主。氟石膏的摻入會使得地坪墊層混凝土中1.0 mm以下的氣孔含量減少，有助于減小混凝土的收縮率；減縮劑的摻入并沒使得孔含量減少，對于是否導致孔結構變形，從而引起收縮率的變化，后期將做進一步研究。

3 工程應用

無錫某大型商業綜合體，一層地面工地（約3000 m2）采用非粘結式地面墊層砂漿、上鋪1 cm水磨石施工工藝，采用試驗中H7配方進行配合比設計，以每8 m進行伸縮縫切割，并鑲嵌銅條，施工后28 d對鑲嵌的銅條部位進行觀察，未出現明顯收縮縫（見圖8）。

圖8 地坪墊層混凝土應用施工照片

4 結論

（1）氟石膏的摻入對地坪墊層混凝土強度有促進作用，氟石膏摻量在10%以內時，3 d抗壓強度均提高20%以上，最大增長率達59%；28 d抗折抗壓強度仍有一定的提高，未出現強度倒縮現象。

（2）氟石膏的摻入對于地坪墊層混凝土收縮有抑制作用，氟石膏摻量為水泥質量的5%時，28 d收縮率為214×10-6，收縮率較未摻氟石膏時降低了60%。減縮劑對抑制地坪墊層混凝土收縮率效果不明顯。

（3）XRD和SEM分析顯示，水化產物中有大量鈣釩石生成，這也是摻入氟石膏對地坪墊層混凝土補償收縮的原因。

（4）孔結構分析顯示，摻氟石膏的地坪墊層混凝土中主要以0.05 mm以下的微孔為主，摻減縮劑對地坪墊層混凝土孔含量影響不明顯。