均匀设计法优化普通硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥-二水石膏修补材料配合比及其性能试验研究

杨 光 方育柯 赵佳斌 殷颖迪 刘冰宇 麻文娜 芦白茹

（西安欧亚学院人居环境学院 西安 710065）

前言

普通硅酸盐水泥（OPC）、硫铝酸盐水泥（SAC）、石膏（CS）作为最常见的建筑材料，它们在工程建设中扮演着不可或缺的角色。普通硅酸盐水泥是一种由硅酸盐水泥熟料、5～20%的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。它一直以来源广泛、强度高、水化热大、抗碳化性较好著名，但它也因耐腐蚀性差、不耐高温为人诟病[1]。硫铝酸盐水泥抗腐蚀性很好，但后期强度会产生倒缩[2]。二者完全可以互补。石膏是单斜晶系矿物，是主要化学成分为硫酸钙（CaSO4）的水合物。它是一种用途广泛的工业材料和建筑材料。可用于水泥缓凝剂、石膏建筑制品、模型制作、医用食品添加剂、硫酸生产、纸张填料、油漆填料等。石膏可以做硅酸盐水泥的缓凝剂[3]，使得其凝结时间达到修补材料的要求，应用于各种工程建筑的修复、加固及翻新。

基于对新型修补材料的研究发现，在普通硅酸盐水泥中添加一些特种水泥例如硫铝酸盐水泥会显著提高水泥强度及其他性能。这是因为硫铝酸盐水泥消耗了CA（OH）2，加快了水化速度，于此同时，硫铝酸盐水泥中的无水硫铝酸钙快速与石膏反应，生成钙矾石（AFt），提高了水泥砂浆的强度。而且硫铝酸盐水泥水化产生的钙矾石具有微膨胀的特性[4～6]，在补偿收缩、修补加固及制备预应力水泥等方面，发挥重要作用[7]。

有鉴于此，本文主要将三种材料按均匀设计所得的比例进行复合实验，以强度、流动度、凝结时间为评判指标，得出最佳配合比，补充现有修补材料的空缺，为修补材料的实际应用提供一定依据。

1 试验

1.1 原材料

（1）普通硅酸盐水泥：陕西尧柏特种水泥有限公司，P.O 42.5水泥，具体见表1。

表1 普通硅酸盐水泥物理指标

（2）硫铝酸盐水泥：世利牌低碱度硫铝酸盐水泥L·SAC42.5级，具体见表2。

表2 硫铝酸盐水泥物理指标

（3）石英砂：市面所出售的砂子，其细度模数为2.3。

（4）市售二水石膏。

1.2 试验方法

（1）水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法依据GB/T1346-2011。

（2）成型、养护、强度测试方法参考《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T17671-1999）规定的试验方法。

（3）搅拌制度：先将胶凝材料（OPC、SAC）放进水泥胶砂搅拌机中慢搅60s，再放入石英砂继续慢搅60s，最后加入水慢搅60s，再快搅60s，共计4min，一次性把砂浆装入40mm×40mm×160mm三联模内，手动振荡20次后刮平，带模放入标养室，根据龄期要求进行拆模。

（4）流动度：流动度试验按GB50119-2003附录A进行。

表3 OPC，SAC，CS三元体系配合比

1.3 均匀设计配合比

拟定水灰比为0.5。由于试验水平较多，为减少试验次数，提高数据间的连续性，本文采用均设设计软件得到均匀设计配合比，然后将普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、二水石膏这三种材料进行混合，测定其强度、砂浆流动度、凝结时间，具体配合比见表3。

2 试验结果与分析

2.1 外观、强度、流动度及凝结时间

2.1.1 试块外观

图1 第9组28d

图2 第9组与第三组对比

2.1.2 试验结果

图3 第7组28d

图4 第5组28d

在上述试验配合比参数下进行砂浆的1d、3d及28d抗折及抗压强度试验，试验结果如图5和图6所示。流动度及凝结时间见图7和图8。

图5 抗折强度

图6 抗压强度

图7 凝结时间

图8 流动度

2.2 结果分析

2.2.1 试块外观

普遍接受的是，硫铝酸盐水泥水化产生的钙矾石是引起膨胀的主要原因。Julien Bizzozero发现硫铝酸盐水泥净浆试件膨胀率随石膏含量增加而增大，当膨胀率达到0.5%左右时试件出现可见裂缝而破坏，但没有给出试件强度与膨胀率之间的关系[3]。本文中第5组及第7、8、9、10组全部因膨胀过大而断裂，而导致没有强度，如图1、3所示。第5、7、9、10组石膏及硫铝酸盐水泥的掺量都很高，第8组硫铝酸盐水泥掺量很高，而且硫铝酸盐水泥及石膏掺量越多，膨胀现象越明显，如图3所示。综上，石膏的掺量严重影响了试块强度，印证了Julien Bizzozero的研究。

2.2.2 强度、流动度及凝结时间

（1）图5、6结果显示第4组的3d、28d抗折强度几乎达到峰值，SAC的含量在15%左右时抗折、抗压强度表现良好，且增幅较大。随着OPC掺量的减少即SAC、CS掺量的增加，后期强度会产生倒缩。然而第5、7、8、9、10组的28d强度为0是因为试块断裂，可能是由于SAC、CS掺量逐渐增加，SAC在水化过程中生成AFt，AFt的生成过程中会出现2～2.5倍的体积膨胀。而CS增加了SAC的膨胀率。综上，过量的SAC、CS导致28d试块断裂。

（2）图7显示第6组的初凝时间较短，在75min左右，且初凝时间与终凝时间间隔较短，大约5min。其次是第4组和第8组，凝结时间最长的是第1组，因为OPC的掺量是最多的。而且随着CS掺量的增加，凝结时间越来越长。

（3）从图8来看，第8组和第9组的砂浆流动度最大，而且这两组的CS含量是最多的，表明CS掺量对流动度有着很大影响。

（4）综上分析，从实验结果及工程实用性来看，第4组的强度合格，凝结时间在90min左右，符合修补材料的要求，而且流动度也在可接受范围内。各项指标基本符合要求，满足实际需求。