0 引言

目前我國的建筑產(chǎn)業(yè)化處于起步階段，建筑構件的生產(chǎn)、模板的周轉時間與國外相比時間較長，其主要的原因是混凝土構件的早期強度較低，達不到拆模的標準，從而影響了生產(chǎn)效率。為了提高預制混凝土構件工廠化生產(chǎn)的效率，比較多的預制混凝土構件通常在生產(chǎn)的時候會采用如蒸汽養(yǎng)護工藝等以傳熱方式活化反應物的技術手段。但是這類蒸汽養(yǎng)護也會帶來延遲鈣礬石、混凝土早期強度快速發(fā)展帶來的內(nèi)部微缺陷增多等問題。因此，影響構件生產(chǎn)效率提高的關鍵因素就是預制構件早期強度不足的問題。要解決這一問題，便要重點考慮如何選用合理的減水劑以及提高早期強度的早強劑，以便能夠加快模具的周轉，并能保證混凝土質量，進一步推動建筑產(chǎn)業(yè)化的進程。

1 石膏的機理

1.1 石膏的相

在自然界中，天然石膏通常以無水石膏（CaSO）和二水石膏（CaSO·1/2 HO）的形式存在的。正常條件下，二水石膏是穩(wěn)定的，而石膏水化和凝結的前提是脫水，所以二水石膏在高溫高壓條件下能夠全部或部分脫水，不同的處理條件，石膏的分子結構和性能也會有所差異。當在濕度較小的干燥環(huán)境中，當二水石膏加熱到107℃到170℃時，就會脫水形成β型-半水石膏，普通建筑石膏主要就是這種成分；當在飽和蒸汽壓的條件下或酸、鹽的水溶液中，加熱到在120℃到140℃時，便會脫水形成α型-半水石膏，這是高強建筑石膏的主要成分。目前，石膏中一般有5種形態(tài)，7種變種。在一般狀況下，只有Ⅱ型、Ⅲ型無水石膏、半水石膏（含α型和β型）和二水石膏4種狀態(tài)能獨立存在。目前建材行業(yè)基本上用的是半水石膏。

1.2 建筑石膏的機理

建筑石膏加入水進行翻攪后，開始溶于水的速度比較快，之后便會趨于穩(wěn)定，達到飽和。當溫度約為20℃時，建筑石膏的溶解度大致為8.0g/L左右，二水石膏的溶解度就下降不少，約為2.0g/L左右，因此建筑石膏相對二水石膏而言，溶解度是過飽和的，因此，二水石膏會析出晶體，這種現(xiàn)象會破壞溶液中建筑石膏溶解度的平衡狀態(tài)，而這個時候建筑石膏會繼續(xù)溶解，補償建筑石膏因析晶而出現(xiàn)的硫酸鈣減少問題。所以二水石膏不斷地析晶，建筑石膏不斷地溶解，形成一個連續(xù)且重復的過程，直到建筑石膏完全水化。此時活性摻合料在二水石膏和堿共同作用下水化形成硅酸鈣和鈣礬石。

2 石膏對水泥性能的影響

當在水泥中加入石膏后，石膏可以放緩水泥的水化進程，延遲水泥的凝結時間。在水泥的生產(chǎn)過程中，通常會摻入無水石膏（CaSO）、半水石膏（CaSO·1/2 HO）、二水石膏（CaSO·2HO）。常溫條件下，這三種石膏的溶解速度和溶解度不同，因此水泥漿體溶液中SO離子的濃度差異比較大。在水化初期，石膏與鋁酸三鈣（CA）反應生成鈣礬石，覆蓋在水泥顆粒表面，CA早期的水化速度大大降低，水化溶液中硫酸根離子濃度與水泥中鋁酸三鈣含量的比例關系會直接影響減水劑與水泥相容性的好壞。由于石膏對水泥起著調(diào)凝作用，因而會減少水泥水化產(chǎn)物對減水劑的吞噬和包裹作用，改善了減水劑與水泥的相容性，減少漿體流動度經(jīng)時損失，提高了減水劑的作用效果，進而提高混凝土早期強度。

當摻入適量石膏后，水泥熟料中鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣等含鋁鐵礦物水化速度會快速下降，水泥的水化時間也大幅延長，較長時間的可塑性更有利于水泥強度的發(fā)展。水泥水化后的鈣礬石的穩(wěn)定性主要取決于水泥石孔隙中的鈣離子、硫酸根離子、氫氧根離子及鋁酸根離子的含量。其中SO含量對鈣礬石的形成影響很大，所以配置預制混凝土時石膏的摻量比例要確定好。另外無水石膏相對于二水石膏而言，溶解速度慢，早期水化漿體溶液中SO離子濃度偏低，鈣礬石的生成量不多并且生成的時間比較遲，抑制鋁酸三鈣水化的能力不如建筑石膏和二水石膏。因此，本文最終選用建筑石膏來配置預制混凝土。CA水化后，無論是形成鈣礬石（AFt）還是水化鋁酸鈣和單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm），化合水的生成量取決于CA的反應量。該體系具有兩面性，當石膏摻量較少時，CA水化速度較快，進而形成比較多的水化鋁酸鈣和AFm，此時雖然鈣礬石晶體數(shù)量能夠增加強度，但會導致水化后產(chǎn)物中的化學結合水含量增多。對于普通硅酸鹽水泥，主要靠C-SH凝膠提供化學結合水，摻入適量的石膏，能夠使硅酸三鈣（CS）的水化速度加快，產(chǎn)生較多的水化產(chǎn)物。

另外，建筑石膏的最佳摻量及對水泥水化的影響，受CA含量和水泥堿性氧化物含量等因素的制約。（堿性氧化物屬于水泥熟料中的次要成分，一般情況下含量低于2%）。目前，堿性氧化物含量對水泥的影響主要有以下幾種情況：

①使水泥漿體環(huán)境的堿度增加，有利于材料活性的提高，從而使水泥的水化速度加快，早期呈現(xiàn)出較高的強度。②當水泥熟料中的堿性氧化物含量比較高時，首先堿與石膏發(fā)生反應，產(chǎn)生可溶性的硫酸鹽，使水泥的凝結速度大大提升。③堿性氧化物與水泥中的二氧化硅、碳酸鹽礦物等活性骨料發(fā)生堿骨料反應，在骨料表面生成堿-硅酸凝膠，吸水后會體積膨脹，導致脹裂進而降低水泥強度。

所以，石膏的摻入量與堿的含量有著十分密切的關系。一般情況下，水泥中堿摻量與石膏摻量呈正相關關系。

3 石膏對預制混凝土性能的影響

本試驗利用建筑石膏來配置C40預制混凝土。

3.1 試驗方案設計

本方案考慮建筑石膏、PCE1、早強劑（亞硫酸鈉）、激發(fā)劑（氫氧化鈉）、水膠比這5個因素，且以建筑石膏8%和10%的摻入量為基準確定2水平，然后進行8組試驗和1組基準試驗，分析研究C40預制混凝土配合比問題（如表1所示），以便確定建筑石膏的最優(yōu)摻入量。

表1 方案設計

在每組中我們需要拌制10L混凝土，本次試驗采用的砂率為45%，所以每組混凝土中：砂子用量為8.18kg、石子用量為9.61kg、水泥用量為=4.5kg-Σ膠凝材料。每組三個試塊，分別分析研究1d、3d、28d混凝土的抗壓強度其試驗方案（如表2所示）。

表2 試驗方案

3.2 混凝土抗壓強度試驗結果分析

根據(jù)1d的抗壓強度（如表3所示）試驗結果研究可知，基準組為4.07MPa，只有試驗組1的強度低于基準組，其余7個試驗組均超過了基準組，且強度相對比較高。由此可以推測出建筑石膏對預制混凝土的早期強度有著較大的影響，可以用于預制構件的制作和生產(chǎn)。

表3 1d試驗結果

根據(jù)3d的抗壓強度（如表4所示）試驗結果研究可知，基準組為14.94MPa，試驗組1為9.14MPa，仍然低于基準組，其余的7個試驗組同樣均超過了基準組且強度高（如圖1所示），尤其是試驗7組和試驗8組，強度均為30MPa以上，達到標準強度的75%以上，滿足了拆模的條件，使構件的生產(chǎn)周期明顯縮短，生產(chǎn)效率得到有效的提升。

圖1 混凝土3d抗壓強度

表4 3d試驗結果

根據(jù)28d的抗壓強度（如表5所示）試驗結果研究可知，強度變化和早期有所不同，但是每個試驗組的強度都滿足了C40混凝土的要求（如圖2所示）。試驗組1在早期1d、3d均低于基準組，但后期強度發(fā)展比較好；試驗組5、6的后期強度相對較低一些，尤其是試驗組6，后期強度竟低于基準組；試驗組7、8依舊狀態(tài)較好，無論早期還是后期，強度都是比較高，滿足預制混凝土相關要求。

圖2 混凝土28d抗壓強度

表5 28d試驗結果

3.3 混凝土坍落度試驗結果分析

根據(jù)試驗結果分析，基準組的坍落度為210mm，試驗組1為220mm，試驗組2為230mm，試驗組3為205mm，試驗組4為225mm，試驗組5為200mm，試驗組6為225mm，試驗組7為225mm，試驗組8為230mm。（如圖3所示）可以看出試驗組2、4、6、7、8的坍落度比較高，并且8個試驗組中，試驗組7摻入0.2%的早強型聚羧酸減水劑，其余試驗組摻入量為0.25%，由此也能看出，PCE1摻入量多，坍落度也就越大。經(jīng)過綜合分析這8個試驗組，得出試驗7組和試驗8組無論是在早期強度、后期強度、坍落度方面都比較理想，這兩組的配合比作為最佳配比，為構件工業(yè)化生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

圖3 混凝土坍落度

4 小結

根據(jù)上述試驗，通過試塊強度對比得知，對于摻入建筑石膏的試塊強度要高一些，并且對早期強度有較大的影響，因此可以判斷建筑石膏能夠在預制混凝土和預制構件生產(chǎn)中使用。其中試驗組7和試驗組8的3d強度就超過了標準強度的75%，完全滿足拆模條件，且坍落度也較好。綜合分析之后，取這兩個試驗組配合比為最佳配比。所以說摻入適量建筑石膏能有效地改善混凝土早強性能，縮短構件生產(chǎn)周期，加快了模具周轉，大幅度提高了構件生產(chǎn)效率。