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(xué)院人居環(huán)境學(xué)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(jiàn)的建筑材料，它們?cè)诠こ探ㄔO(shè)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(xì)制成的水硬性膠凝材料。它一直以來(lái)源廣泛、強(qiáng)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(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生倒縮[2]。二者完全可以互補(bǔ)。石膏是單斜晶系礦物，是主要化學(xué)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?？捎糜谒嗑從齽?、石膏建筑制品、模型制作、醫(yī)用食品添加劑、硫酸生產(chǎn)、紙張?zhí)盍?、油漆填料等。石膏可以做硅酸鹽水泥的緩凝劑[3]，使得其凝結(jié)時(shí)間達(dá)到修補(bǔ)材料的要求，應(yīng)用于各種工程建筑的修復(fù)、加固及翻新。

基于對(duì)新型修補(bǔ)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(huì)顯著提高水泥強(qiáng)度及其他性能。這是因?yàn)榱蜾X酸鹽水泥消耗了CA（OH）2，加快了水化速度，于此同時(shí)，硫鋁酸鹽水泥中的無(wú)水硫鋁酸鈣快速與石膏反應(yīng)，生成鈣礬石（AFt），提高了水泥砂漿的強(qiáng)度。而且硫鋁酸鹽水泥水化產(chǎn)生的鈣礬石具有微膨脹的特性[4～6]，在補(bǔ)償收縮、修補(bǔ)加固及制備預(yù)應(yīng)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(shè)計(jì)所得的比例進(jìn)行復(fù)合實(shí)驗(yàn)，以強(qiáng)度、流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間為評(píng)判指標(biāo)，得出最佳配合比，補(bǔ)充現(xiàn)有修補(bǔ)材料的空缺，為修補(bǔ)材料的實(shí)際應(yīng)用提供一定依據(jù)。

1 試驗(yàn)

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(jiàn)表1。

表1 普通硅酸鹽水泥物理指標(biāo)

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

表2 硫鋁酸鹽水泥物理指標(biāo)

（3）石英砂：市面所出售的砂子，其細(xì)度模數(shù)為2.3。

（4）市售二水石膏。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢測(cè)方法依據(jù)GB/T1346-2011。

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

（3）攪拌制度：先將膠凝材料（OPC、SAC）放進(jìn)水泥膠砂攪拌機(jī)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(jì)4min，一次性把砂漿裝入40mm×40mm×160mm三聯(lián)模內(nèi)，手動(dòng)振蕩20次后刮平，帶模放入標(biāo)養(yǎng)室，根據(jù)齡期要求進(jìn)行拆模。

（4）流動(dòng)度：流動(dòng)度試驗(yàn)按GB50119-2003附錄A進(jìn)行。

表3 OPC，SAC，CS三元體系配合比

1.3 均勻設(shè)計(jì)配合比

擬定水灰比為0.5。由于試驗(yàn)水平較多，為減少試驗(yàn)次數(shù)，提高數(shù)據(jù)間的連續(xù)性，本文采用均設(shè)設(shè)計(jì)軟件得到均勻設(shè)計(jì)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(jìn)行混合，測(cè)定其強(qiáng)度、砂漿流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間，具體配合比見(jiàn)表3。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 外觀、強(qiáng)度、流動(dòng)度及凝結(jié)時(shí)間

2.1.1 試塊外觀

圖1 第9組28d

圖2 第9組與第三組對(duì)比

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖3 第7組28d

圖4 第5組28d

在上述試驗(yàn)配合比參數(shù)下進(jìn)行砂漿的1d、3d及28d抗折及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。流動(dòng)度及凝結(jié)時(shí)間見(jiàn)圖7和圖8。

圖5 抗折強(qiáng)度

圖6 抗壓強(qiáng)度

圖7 凝結(jié)時(shí)間

圖8 流動(dòng)度

2.2 結(jié)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(chǎn)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(dāng)膨脹率達(dá)到0.5%左右時(shí)試件出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫而破壞，但沒(méi)有給出試件強(qiáng)度與膨脹率之間的關(guān)系[3]。本文中第5組及第7、8、9、10組全部因膨脹過(guò)大而斷裂，而導(dǎo)致沒(méi)有強(qiáng)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(yán)重影響了試塊強(qiáng)度，印證了Julien Bizzozero的研究。

2.2.2 強(qiáng)度、流動(dòng)度及凝結(jié)時(shí)間

（1）圖5、6結(jié)果顯示第4組的3d、28d抗折強(qiáng)度幾乎達(dá)到峰值，SAC的含量在15%左右時(shí)抗折、抗壓強(qiáng)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(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生倒縮。然而第5、7、8、9、10組的28d強(qiáng)度為0是因?yàn)樵噳K斷裂，可能是由于SAC、CS摻量逐漸增加，SAC在水化過(guò)程中生成AFt，AFt的生成過(guò)程中會(huì)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(guò)量的SAC、CS導(dǎo)致28d試塊斷裂。

（2）圖7顯示第6組的初凝時(shí)間較短，在75min左右，且初凝時(shí)間與終凝時(shí)間間隔較短，大約5min。其次是第4組和第8組，凝結(jié)時(shí)間最長(zhǎng)的是第1組，因?yàn)镺PC的摻量是最多的。而且隨著CS摻量的增加，凝結(jié)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。

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

（4）綜上分析，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果及工程實(shí)用性來(lái)看，第4組的強(qiáng)度合格，凝結(jié)時(shí)間在90min左右，符合修補(bǔ)材料的要求，而且流動(dòng)度也在可接受范圍內(nèi)。各項(xiàng)指標(biāo)基本符合要求，滿(mǎn)足實(shí)際需求。