一种高强耐水型石膏基自流平砂浆的研制

企业 2024-09-29 14:19 天津

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一种高强耐水型石膏基自流平砂浆的研制

谢建海；李荣；蔡晓亮；赵健；雷航州

尧柏特种水泥技术研发有限公司

摘要：脱硫石膏通过合适的煅烧和粉磨工艺后得到性能优良的建筑石膏（β-半水石膏），以该脱硫建筑石膏为主要材料，加入适量矿渣粉及少量水泥，再配入一定比例的减水剂、缓凝剂、纤维素醚、消泡剂等外加剂，控制pH值在8~9范围内。通过不同配比试验研究，得到一种性能优良的自流平材料，微观分析结果表明，材料水化产物主要为C-S-H凝胶和部分纤维状三硫型水化硫铝酸钙（AFt）、针状硬硅钙石［Ca6Si6(OH)17］，养护 28d 抗压强度达到 44.6MPa,软化系数 0.82，达到了石膏基自流平砂浆高强耐水的目标。

关键词：脱硫石膏；自流平；配比；性能；强度；耐水性

引言

脱硫石膏主要来源于火电厂的副产品，随着国家碳达峰、碳中和[1]节能环保政策的实施推进，火力发电厂更加注重烟气脱硫设施的完善，脱硫石膏的产量和质量都有所提高，因此脱硫石膏的资源化利用显得更为重要[2]。脱硫石膏受其品位和氯离子含量的影响，当前主要用于水泥缓凝剂[3]、土壤改良剂、石膏砌块、石膏墙板等[4]。脱硫石膏与天然石膏相比具有粒径细，品位高、强度高等优点，国家相关权威机构检测结果表明：脱硫石膏重金属含量和放射性指标分别满足 GB18582-2020《建筑用墙面涂料中有害物质限量》和 GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》标准要求，是一种极具发展潜力的新型建筑材料。

国内石膏基自流平研究起步较晚，相关文献研究表明[5，6]，以工业副产脱硫石膏制成的石膏基自流平砂浆与水泥基自流平砂浆相比，存在强度低、耐水性差等不足，满足不了地下车库、卫生间等对强度和耐水性能要求较高的施工场所。

石膏基自流平砂浆具有质轻、收缩率低、施工厚度可控、平整度高等优点，本文利用脱硫建筑石膏(β半水石膏)作为主要原材料，通过掺加活性矿物掺合料，配以适当的外加剂配制石膏基自流平砂浆，重在提高材料的后期强度和耐水性，提升石膏基自流平砂浆产品的性能，扩大石膏自流平砂浆的应用范围。

2 原材料和试验方法

2.1 主要原材料

脱硫石膏来自大唐陕西蒲城电厂，平均粒径为36.8μm，比表面积 259m2/kg，品位 93%，通过煅烧和粉磨后得到建筑石膏（β-半水石膏），比表面积358m2/kg，2h抗折强度4.0MPa。表1为脱硫二水石膏的化学成分组成，表 2 为脱硫建筑石膏的物理力学性能，图 1 为脱硫二水石膏的粒径分布图，Dv(50)=36.8μm，图2为脱硫建筑石膏粉磨后的粒径分布图，Dv(50)=11.1μm。

水泥选用蒲城尧柏 P·O 42.5 级水泥，水泥主要为石膏胶凝材料水化提供碱性激发环境[7]。矿渣粉选用市售工业级产品，S95 级，比面积400m2/kg，矿渣粉可以提高水化产物结构的密实度和材料水化的后期强度。

减水剂选用聚羧酸类减水剂，缓凝剂选用 H17 碱性缓凝剂，纤维素醚选用羟丙基甲基纤维素，粘度为100000mPa.s，消泡剂选用FLUPO DF65消泡剂，均为市售石膏产品专用外加剂，性能满足试验要求。

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2.2 试验方法

以脱硫建筑石膏粉为主要胶凝材料，掺加适量矿渣粉和少量水泥，再加入减水剂、纤维素醚、缓凝剂和消泡剂混合均匀，加水后快速搅拌 2min，静置 3min，再快速搅拌 2min，将搅拌好的料浆倒入 40mm×40mm×160mm三联模内成型，按照石膏基自流平砂浆标准JC/T 1023-2021 中的要求对相关性能指标进行测定。抗压强度测试方法按GB/T 17669.3-1999中进行测定，计算结果精确到 0.1MPa。粘结强度测试方法按照 JC/T547-2017《陶瓷砖粘结剂》标准规定进行测试。软化系数测试方法按照 JC/ T 698-2010《石膏砌块》标准规定进行测试。pH值测试采用数字型pH计进行测试。

3 试验结果分析及验证

3.1 试验配比的优化

通过试验确定主要材料基本配比为：建筑石膏76%，矿渣粉18%，水泥6%，减水剂、纤维素醚、消泡剂、缓凝剂四种外加剂掺量采用正交试验，确定外加剂对产品性能的不同影响，得出最佳的配比方案。设计正交试验如下：

按初始流动度要求控制水料比（水料比 0.38~0.40），分别测定pH值、30min流动度、凝结时间、抗折强度、抗压强度、粘结强度、收缩率等控制指标，测定结果见表3。

3.2 试验结果分析

通过表3、图3、图4数据分析得出，选用A2B2C3D1配比方案最佳。试验结果表明，脱硫石膏基自流平砂浆性能与外加剂的掺量有明显的相关性，外加剂相互间也会产生一定的影响，通过试验可得出最佳的掺量比例，达到兼顾质量和成本的目的。

减水剂掺量[8]对水胶比有明显的影响，同时减水剂掺量能有效改善流动度损失。随着减水剂掺量增加，水胶比减小，掺量达到一定量后，水胶比减小不明显。适量减水剂有助于大幅度降低水料比，提高龄期强度，试验结果表明最佳掺量为0.26%。缓凝剂掺量增加，凝结时间明显延长，有利于保证施工操作时间，但对流动度损失和强度指标有一定负面影响，因此，缓凝剂的掺量控制要准确，试验结果表明缓凝剂最佳掺量为0.10%。

纤维素醚[9]掺量增加可改善砂浆的保水性，有助于提高材料与基底的粘结力，但掺量提高会降低材料的耐磨性，试验结果表明纤维素醚的最佳掺量为0.08%。消泡剂掺量增加，对料浆搅拌中产生的气泡消泡效果比较明显，提高消泡剂掺量会制约材料后期强度的提高，试验结果表明消泡剂最佳掺量为0.07%。

3.3 试验结果验证

由上述试验确定的脱硫石膏基自流平砂浆的最终配比为：建筑石膏 76%、矿渣粉 18%、水泥 6%、减水剂0.26%、纤维素醚 0.08%、消泡剂 0.07%、缓凝剂 0.1%。（其中前三项为基本材料配比，之和为100%，外加剂掺量是在基本配比上所占的百分比数）。按此配方测定的石膏基自流平砂浆物理性能见表4。

按照最终确定的配比进行现场模拟施工试验，施工前刷涂好界面剂，施工后用消泡滚筒辅助消除起泡。脱硫石膏基自流平砂浆施工中流动性好，无沉淀，施工完毕后表面平整光滑，无裂纹、无气孔现象，硬化后表面密实。

3.4 自流平砂浆水化机理分析

石膏自流平砂浆水化过程中，建筑石膏（CaSO4·0.5H2O）首先迅速溶解水化成二水石膏（CaSO4·2H2O），在水泥碱性激发作用下二水石膏表面生成盐类水化产物（盐.mCaSO4·nH2O）形成早期强度。二水石膏及活性掺合料矿渣粉与 C3S 水化形成的 Ca(OH)2继续水化反应[10]，生成 C-S-H 凝胶和部分纤维状三硫型水化硫铝酸钙（AFt）、针状硬硅钙石［Ca6Si6(OH)17］。由图 5 可以看出，水化完成后二水石膏和钙矾石组成稳定的骨架结构与水化硅酸钙凝胶组成结构致密的硬化体，这也是材料后期强度高，耐水性好的原因所在。

脱硫石膏基自流平砂浆养护 28d 后分别放大 2500倍和5000倍的SEM照片如图5所示。

4 结语

（1）脱硫石膏经过煅烧和粉磨后得到建筑石膏，强度等级达到 4.0MPa 且粒径分布合理，有利于提高石膏自流平砂浆早期（24h）强度，并为后期强度形成奠定基础。

（2）通过正交试验可得到最佳的外加剂掺量比例，确定脱硫石膏基自流平砂浆的最佳配比为：脱硫建筑石膏76%、矿渣粉18%、水泥6%、减水剂0.26%、纤维素醚0.08%、消泡剂0.07%、缓凝剂0.1%，在保证质量最优条件下兼顾降低材料成本。

（3）在合适的碱性激发条件下，石膏-水泥-矿粉水化产物生成C-S-H凝胶和部分纤维状三硫型水化硫铝酸钙（AFt）、针状硬硅钙石［Ca6Si6(OH)17］，提高了水化结果的密实性和力学性能。

（4）采用试验所得配方配制的脱硫石膏基自流平砂浆28d抗压强度可达到44.6MPa，软化系数0.82，基本可以满足各种施工场所对石膏自流平材料的要求。

（5）通过材料复配技术，挖掘脱硫石膏复合材料的性能潜质，优化水化产物组成，提高脱硫石膏基自流平砂浆耐久性有待于做深一步的研究。

标准参编征集：

《石膏基砂浆用界面剂》

《砂浆触变剂》

《石膏缓凝剂应用配合比设计标准》

《夏热冬冷地区集成保温外墙板应用技术规范》

《涂料用玉石粉》

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