钢渣粉-脱硫石膏对饰面砂浆性能的影响及机理初探

胡婷，丁益民，赖榕永，陆文雄

（上海大学理学院化学系，上海 200444）

饰面砂浆是近年来逐渐兴起的一种新型装饰材料，由于其热力学性能与外墙保温系统中的抹面砂浆相近，故与外保温系统有良好的匹配性和相容性[1]。饰面砂浆的饰层厚度仅为1～3 mm，质量轻，在外墙装饰使用时更具有安全性。另外，其自身还具有良好的柔韧性、耐候性、耐沾污及施工方法多样化等一系列优点，因此，饰面砂浆具有广泛的应用前景。

目前，国内市场上饰面砂浆主要是水泥基饰面砂浆，其中最常用到的水泥是硅酸盐水泥，其水化过程中会产生Ca（OH）2，Ca（OH）2易溶于水形成游离的Ca2+，Ca2+通过砂浆自身的毛细孔迁移至表面，与空气中的CO2反应，在砂浆表面生成CaCO3沉淀，进而产生色差和泛碱，影响产品的整体美观[2-4]。因此，相关研究者针对泛碱问题已进行了大量的研究，其中通过掺入填料来代替水泥的研究最多[5-7]，但钢渣粉和脱硫石膏对饰面砂浆性能的影响及机理探讨的研究尚未见涉及。本文将钢渣粉和脱硫石膏作为S95矿粉的改性剂，激发S95矿粉的活性，从而改善砂浆的泛碱性能。并对钢渣粉和脱硫石膏对砂浆泛白的影响机理作了初步探讨。

1 试验

1.1 原材料

水泥：42.5级普通硅酸盐水泥，安徽海螺水泥厂生产；矿渣粉：S95级，上海海笠工贸有限公司生产，其主要性能指标见表1；钢渣粉：粒径为30 μm，中冶宝钢技术服务有限公司生产，其化学成分见表2；脱硫石膏：燃煤电厂烟气脱硫产生的废弃物——脱硫石膏，经烘干、煅烧而制备成β型半水石膏，其中β-CaSO4·1/2H2O≥85%，华能上海石洞口第二电厂生产，其化学成分见表3；钢渣砂：粒径为35～80目，f-CaO含量＜1%，金属铁含量＜1%，含水率＜0.2%，中冶宝钢技术服务有限公司产；可再分散乳胶粉：8034H憎水型，广州龙湖科技股份有限公司生产；羟丙基甲基纤维素醚：黏度为40000 mPa·s，山东迈瑞克新材料有限公司生产；颜料：氧化铁红，南京一品颜料化工有限公司生产；水：自来水。

表1 S95级矿渣粉的主要性能指标

表2 钢渣粉的化学成分 %

表3 脱硫石膏的化学成分 %

1.2 饰面砂浆的试验配合比

试验中胶砂比为3∶7，加水量为干粉料的14%，矿粉等量取代水泥质量的40%，钢渣粉和脱硫石膏复掺等量取代水泥质量的10%，乳胶粉占总干粉料质量的2%，纤维素醚为总干粉料质量的0.1%，颜料为0.5%。试验配合比见表4。

表4 饰面砂浆的试验配合比

1.3 试验方法

（1）泛白实验：在100 mm×100 mm×5 mm的水泥板（涂刷苯丙乳液）表面上刮涂配制好的饰面砂浆，厚度约为2～3 mm。①在温度为（20±2）℃、相对湿度为50%的条件下养护1 d，然后将砂浆试样完全浸水8 h后取出晾干，测试砂浆试样的泛碱情况，用于模拟测试砂浆的初次泛碱；②在温度为（20±2）℃、相对湿度为50%的条件下养护7 d，然后将砂浆试样完全浸水24 h后取出晾干，测试砂浆试样的泛碱情况，用于模拟测试砂浆的2次泛碱[8]。

砂浆泛碱程度评价方法：用数码相机将待测试样表面拍摄下来，利用图像处理软件Image-Pro Plus6.0对其表面产生的泛碱面积进行测量，并计算出泛碱面积占饰面砂浆总面积的百分比。

（2）抗压、抗折强度：参照 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行测试，测试龄期为28 d。

（3）拉伸粘结强度和吸水量：参照JC/T 1024—2007《墙体饰面砂浆》标准进行测试。

（4）硬化体积密度：将尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的饰面砂浆试样养护7、28 d后脱模，称量并计算硬化体积密度ρ，取3组试件的算术平均值作为测试结果。

（5）X射线衍射（XRD）分析：试块养护至规定的龄期后，去除表面碳化层，用铁锤将样品砸成5～10 mm左右的小块，随意选取试样中细小颗粒，立即用无水乙醇终止水化，取出后在60℃烘箱内烘至恒重，研磨成粉并过200目筛，送样检测。

（6）扫描电镜微观形貌（SEM）分析：试块养护至规定的龄期后，去除表面碳化层，用铁锤将样品砸成5～10 mm的小块，随意选取试样中表面平整的试块，立即用无水乙醇终止水化，取出后在60℃烘箱内烘至恒重，送样喷金，观察SEM图像。

2 结果与分析

2.1 泛白现象

掺钢渣粉与脱硫石膏前后饰面砂浆表面的泛白情况见图1。

图1 饰面砂浆表面泛白情况

由图1可以看出，不掺钢渣粉与脱硫石膏的1#基准饰面砂浆养护1 d、7 d后，经浸水试验表面均明显泛白，泛白区域分别为试件总面积的23.5%、62.5%，泛白面积随着龄期延长逐渐增大；而掺钢渣粉与脱硫石膏的2#饰面砂浆仅在1 d时出现泛白，且泛白区域约为试件总面积的14.3%，7 d后基本不出现泛白。这说明掺钢渣粉与脱硫石膏的饰面砂浆可以有效地抑制饰面砂浆的初次泛碱，同时也有效地阻止了砂浆二次泛碱的发生。

2.2 钢渣粉与脱硫石膏对砂浆强度的影响（见表5）

表5 掺与未掺钢渣粉与脱硫石膏对饰面砂浆性能的影响

由表5可见，与1＃基准饰面砂浆相比，复掺钢渣粉-脱硫石膏的2＃饰面砂浆养护28 d的抗折、抗压与拉伸粘接强度分别提高41%、55%、6.5%。也进一步说明钢渣粉和脱硫石膏作为S95矿粉的改性剂，激发了S95矿粉的活性，促进了水泥的水化进程，提高了水泥的水化程度。

2.3 钢渣粉与脱硫石膏对砂浆硬化体积密度的影响

由表5可见，当龄期由7 d延长至28 d时，基准饰面砂浆和掺钢渣粉-脱硫石膏饰面砂浆的硬化体积密度分别由2.18、2.15 g/cm3增大至 2.24、2.19 g/cm3，分别增长了 2.8%、1.9%。与基准饰面砂浆相比，掺钢渣粉-脱硫石膏的饰面砂浆硬化体积密度有所增大。可见，钢渣粉-脱硫石膏的加入，细化了孔结构，提高了砂浆的密实度[9]。

2.4 钢渣粉与脱硫石膏对砂浆吸水量的影响

由表5可见，钢渣粉-脱硫石膏的加入增大了饰面砂浆的吸水率，30 min、240 min的吸水量分别由0.34 g、0.67 g增至0.55 g、0.71 g，但吸水量的增幅不明显，均优于JC/T 1024—2007《墙体饰面砂浆》标准要求（30 min小于2.00 g，240 min小于5.00 g）。可见，在砂浆中掺入钢渣粉-脱硫石膏对其吸水量影响不大。

2.5 饰面砂浆水化产物的XRD分析

1＃基准饰面砂浆和复掺钢渣粉-脱硫石膏的2＃饰面砂浆水化7 d的X射线衍射分析见图2。

图2 1＃与2＃饰面砂浆水化7 d的XRD图谱

由图 2可见，1＃、2＃饰面砂浆主要的结晶产物是 Ca（OH）2、钙矾石和由部分游离的Ca（OH）2碳化而产生的CaCO3，此外还有部分未水化的水泥熟料矿物C2S、C3S。在7 d水化龄期，与基准砂浆相比，掺钢渣粉-脱硫石膏的饰面砂浆水化产物Ca（OH）2的特征峰峰值明显降低，这说明未掺钢渣粉-脱硫石膏的砂浆中Ca（OH）2含量较多。由此推断，钢渣粉-脱硫石膏的加入，激发了S95矿粉的活性，消耗了一部分的Ca（OH）2，使Ca（OH）2结晶程度变小；而CaCO3、钙矾石的衍射峰相对较高。这说明钢渣粉-脱硫石膏促进了水泥的水化过程，水化程度较高，同时，也很好证明了掺钢渣粉-脱硫石膏的饰面砂浆相同龄期的强度要高于未掺者。

2.6 饰面砂浆的SEM分析

1＃、2＃饰面砂浆水化28 d试样的扫描电镜照片见图3。

图3 1＃与2＃饰面砂浆水化28 d的SEM照片

由图3可以看出，未掺钢渣粉-脱硫石膏的1＃饰面砂浆水化28 d生成了较多的六角板状的氢氧化钙晶体，砂浆的结构较为疏松，颗粒易长大，并且内部分布着许多大大小小的孔隙。掺钢渣粉-脱硫石膏的2＃饰面砂浆硬化浆体中生长着更多的AFt和絮状的C－S－H凝胶，这些水化产物相互构架成空间网状结构，同时大量针状AFt被凝胶包裹，水化产物层明显增厚，六角板状的氢氧化钙晶体明显减少，空隙较少，结构更为致密。所以，随着龄期的延长，水泥基饰面砂浆强度提高的主要原因应是水泥水化产物对砂浆空隙的填充作用和粘接作用。由此说明，钢渣粉可以发生火山灰反应，消耗水泥熟料的水化产物Ca（OH）2，同时促进了水泥的水化进程；脱硫石膏可与Ca（OH）2、矿粉或钢渣粉中的活性氧化铝或二氧化硅反应，生成更多的钙矾石以及水化硅酸钙凝胶，细化了孔结构，使砂浆的结构更为密实[10]。

3 结论

（1）在饰面砂浆中复掺S95矿粉、钢渣粉和脱硫石膏，可有效地抑制饰面砂浆的初次泛碱，也可有效阻止砂浆二次泛碱的发生；既提高了砂浆的强度，也增大了砂浆的硬化体积密度，同时对砂浆的吸水率影响不大，优于JC/T 1024—2007标准要求（30min小于2.00g，240min小于5.00g）。

（2）钢渣粉-脱硫石膏的掺入，激发了S95矿粉的活性，可消耗水泥熟料的水化产物Ca（OH）2，同时促进水泥的水化进程，细化孔结构，使砂浆的结构更为密实。

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