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脱硫石膏基自流平砂浆耐水性改善及机理研究

2019-4-8 14:10| 发布者:admin| 查看:228| 评论:0

摘要:随着低弹性模量的薄饰面材料(PVC 地板、橡胶地板卷材等)应用越来越广泛,地面自流平材料已逐渐成为大型超市、停车场、工厂车间、仓库等地面铺筑的首选材料。石膏基自流平材料力学性能发展快,施工简单,硬化后体积 ...

随着低弹性模量的薄饰面材料(PVC 地板、橡胶地板卷材等)应用越来越广泛,地面自流平材料已逐渐成为大型超市、停车场、工厂车间、仓库等地面铺筑的首选材料。石膏基自流平材料力学性能发展快,施工简单,硬化后体积稳定性好,具有保温隔热、隔音、调湿等功能,是现有市场的主流产品。由于石膏属于气硬性胶凝材料,表面硬度低,耐水性和耐磨性均较差是此类材料普遍存在的问题。



脱硫石膏(FGD)是将含硫燃料(煤、石油)燃烧后所产生的烟气经过相应脱硫净化处理过程得到的工业副产品,其煅烧后得到的建筑石膏(CaSO4·0.5H2O)在凝结特性、水化动力学和物理力学性质等方面不比天然建筑石膏差[3-4]。因此,采用脱硫石膏代替天然石膏生产自流平材料越来越受到重视[5-7]。与天然石膏不同,脱硫石膏是在浆液中快速沉淀形成,其粒度小,粒径主要分布在40~60 μm,级配严重不合理,因此,脱硫石膏的流变性能较差,配置的砂浆浆体更容易发生离析、分层和泌水现象。更重要的是,脱硫石膏基砂浆硬化后孔隙率偏高,这些孔隙为外界水分及其他离子提供了通道,严重影响其耐水性和耐久性,缩短自流平材料的服役寿命。

本试验考察将粉煤灰和水泥等质量代替一定的脱硫石膏后自流平材料流动性、凝结时间及早期强度等性能的变化规律,研究粉煤灰和水泥对脱硫石膏自流平硬化试块孔隙率及孔径分布的影响,孔隙率变化对耐水性的影响规律与作用机理,为脱硫石膏基自流平砂浆的耐水性改善提供科学有效的技术方案。

1 试验部分

1.1 原料

石膏粉为河北唐山凯杰公司脱硫石膏粉,主要矿物组成为半水石膏,具体物理性能见表1。

粉煤灰为Ⅱ级灰,矿物组成主要为莫来石和石英,含少量石灰石;水泥为金隅 P·O42.5 水泥。原料化学组成,见表2。外加剂主要包括保水剂、羟丙基甲基纤维素HPMC、高效减水剂WR、消泡剂B-1、乙烯- 醋酸乙烯共聚物(EVA)可再分散乳胶粉S-05,均为市售产品。骨料为天然河砂经0.6 mm 筛网筛分后的细砂。

脱硫石膏基自流平砂浆耐水性改善及机理研究

1.2 试验方法

以脱硫石膏粉为主要胶凝材料,粉煤灰等质量代替比例为0、10%、20%、30%,水泥等质量代替比例为0、4%、8%、12%、16%,讨论二者掺量变化对脱硫石膏自流平砂浆拌合物的流动性、凝结时间及早期力学性能的影响规律;以抗压软化系数为主要指标考察耐水性的变化,具体测试过程为:成型后带模标准养护1 d,测试24 h 强度;标准养护1 d 后的试块,将其中一组放入(20±2)℃水中养护1 d,测试水养强度,另一组40 ℃烘至绝干得到绝干强度,抗压软化系数= 绝干强度/ 水养强度。吸水率测试条件为:绝干试块,浸泡在(20±2)℃静水中24 h 后的质量变化。其中,脱硫石膏、砂与水的质量比1∶0.5∶0.45,具体试验方法按照GB/T 17669.3-1999《建筑石膏力学性能的测定》的要求进行。压汞测试选用空白样,以及粉煤灰和水泥掺量分别为20% 和10% 的绝干试块进行,所用仪器为美国麦克公司的AutoPore IV9500 型压汞仪。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰对砂浆基本性能的影响

粉煤灰掺量对脱硫石膏基自流平砂浆基本性能的影响,见图1。从图1 可看出,随着粉煤灰掺量的增加,砂浆拌合物的流动性大幅度改善,掺量为30% 时,流动度值增加37%,且30 min 经时损失不大;掺入粉煤灰延长了砂浆的凝结时间,初凝与终凝时间间隔有增加趋势,但均能满足现场施工要求。粉煤灰掺入量较大时,会降低砂浆早期强度,但控制适宜的掺量,可凸显出粉煤灰对流动性的改善作用。可见适量粉煤灰等质量代替脱硫石膏后,砂浆流动度显著改善,这为自流平砂浆降低单方用水量提供了条件,用水量降低不仅可弥补因掺加粉煤灰带来的力学性能下降,且对耐水性及耐久性有着重要影响。

脱硫石膏基自流平砂浆耐水性改善及机理研究

除了二水石膏晶体自身溶解度较大外,为保证施工性能,石膏基自流平砂浆的用水量(60% 左右)远大于其水化所需理论用水量(18.6%),较高的孔隙率结构是其耐水性差的原因。掺入粉煤灰降低石膏所占比例,优化脱硫石膏的“微级配”,且粉煤灰球形颗粒具有一定的“滚珠效应”,可进一步增加砂浆流动度,共同实现降低用水量的目的。微观上,砂浆中可水溶性水化产物二水石膏含量减小,孔隙率下降,孔径分布得到优化,宏观表现为耐水性和耐久性提升。

2.2 水泥对砂浆性能的影响

掺入水泥对自流平砂浆基本性能的影响,见图2。

脱硫石膏基自流平砂浆耐水性改善及机理研究

从图2 可看出,掺入水泥也可增加砂浆流动性,掺量大于8% 时,流动度经时损失有增加趋势,初凝和终凝时间均明显缩短。掺入水泥未对早期强度产生明显影响。掺入水泥对砂浆性能影响与粉煤灰有明显不同,这主要是因为水泥自身有很强的水化反应活性,遇水后即可快速反应,加速脱硫石膏水化过程,从而对砂浆拌合物性能产生显著影响。同时,本次测试均为1 d 龄期,水泥水化程度非常低,这是力学性能变化不大的主要原因,随着龄期延长,水泥持续水化对砂浆后期力学性能的增长、细化孔径及耐久性改善均会有很大帮助。

综合考虑砂浆材料施工性能与力学性能,粉煤灰和水泥替代比例应分别控制在20% 和10% 以内。

2.3 耐水性和软化系数

粉煤灰和水泥掺量对砂浆吸水率和软化系数的影响,见图3。选取粉煤灰掺量20%,水泥掺量8% 和空白样,对应的编号为FDG80-FA20,FDG92-C8 和FDG100,测试分析了绝干试样的孔隙率与孔径分布,结果见表3。

脱硫石膏基自流平砂浆耐水性改善及机理研究

由图3 可知,掺入粉煤灰和水泥均可提高砂浆软化系数,后者效果更明显,这主要是二者水化反应活性差异造成,吸水率变化与软化系数有一定相关性,但不是线性相关。粉煤灰等质量替代脱硫石膏后,由于其自身基本无水化活性,仅能发挥“微集料”和“滚珠效应”的物理作用,故其掺量大于30% 后,力学性能显著下降,孔径粗化,吸水率增加,最终影响砂浆耐水性。水泥水化活性较高,当重新浸泡在水中后,未水化的水泥继续水化,产生更多水化硅酸钙(C-S-H)凝胶及钙矾石(AFt)等低溶解度水化产物,细化孔径,降低吸水率,明显增强脱硫石膏砂浆耐水侵蚀性能。

脱硫石膏基自流平砂浆耐水性改善及机理研究

由表3 可看出,脱硫石膏基自流平材料的孔径集中在100~10 000 nm 范围内,合计在95% 以上,远远大于普通混凝土材料的粒径分布区间,这符合孔隙率与强度之间的一般对应关系;粉煤灰和水泥掺入对砂浆均有显著填充密实作用,且对粗(3 000~10 000nm)、中(1 000~3 000 nm)、细(100~1 000 nm)3 个孔径区间的孔径分布产生重大影响。由于水泥自身具有较强的水化反应活性,故其孔径细化效果更加明显,相较空白样而言,粗孔径区间占比下降90% 以上。

孔径细化特别是粗孔数量大幅减少,不仅有利于力学性能发挥,而且降低了外界与砂浆内部水、气及腐蚀性介质的交换概率和程度,对石膏基自流平砂浆的耐水性及耐久性意义重大。

3 结论

1. 粉煤灰和水泥等质量替代脱硫石膏后,对砂浆拌合物流动性和凝结时间有不同程度影响,对砂浆硬化体早期力学性能作用不明显。综合考虑施工性能与力学性能,脱硫石膏基自流平砂浆材料中,粉煤灰和水泥替代比例应分别控制在20% 和10% 以内。

2. 粉煤灰和水泥均可提高砂浆的耐水性,但二者作用机理不同,粉煤灰主要通过“微集料”和“滚珠效应”,以物理作用方式实现;水泥通过自身水化及对脱硫石膏的激发作用,对砂浆力学性能和耐久性改善效果更优。

3. 压汞测试结果表明,适量粉煤灰和水泥的掺入对降低砂浆孔隙率效果显著,这是耐水性改善的主要原因,水泥对孔径分布影响更大,因为水泥具有较高的水化反应活性。


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