石膏对混凝土性能的影响分析

章典典，姚晓阳，于飞宇，朱巧勇，曾贤华，熊浩男

（科之杰新材料集团浙江有限公司 浙江兰溪321100）

0 引言

石膏是水泥中一种重要的混合材料，其可以有效地减缓水泥水化进程，推迟水泥的凝结时间，进而减少水泥水化产物对减水剂的包裹和吞噬作用［1-2］。石膏对水泥凝结时间的影响随着其种类的不同而变化［3-6］；且不同种类的石膏对水泥与外加剂的相容性有较大的影响［7］，如脱硫石膏导致混凝土流动性差，二水石膏导致混凝土坍落度损失过快、凝结时间异常以及施工性能差，严重影响了混凝土的施工和后期性能，所以研究不同种类的石膏对聚羧酸减水剂的适应性具有一定的必要性［8］。

近年来，随着水泥的消耗量越来越大，国内外越来越多人研究石膏对水泥的影响。孙振平等人［9］研究了烟气脱硫石膏中亚硫酸钙成分对水泥水化过程及水泥-聚羧酸系减水剂体系的适应性影响，结果表明：脱硫石膏中适量的亚硫酸钙不会对水泥-聚羧酸系减水剂的适应性产生不利影响，而当亚硫酸钙含量一旦超出一定范围，就会显著影响聚羧酸系减水剂分散性能的发挥。赵拉等人［10］研究了改性磷石膏替代二水石膏对混凝土凝结时间和强度的影响，得到使用适当方法将磷石膏进行改性，对混凝土终凝时间能够有效延长，提高一定的强度的结论。但石膏种类、掺量对混凝土适应性问题的研究一直涉及较少，所以研究石膏的种类和掺量对混凝土的影响具有重要意义。

1 试验

1.1 试验原材料

所用熟料为自磨熟料，机制砂（S2）Mx=2.9～3.2；小石（G1）粒径为5～10 mm；大石（G2）粒径为10.0～31.5 mm。

外加剂选用浙江某公司生产的聚羧酸泵送剂（PCE）。

本实验选用了某公司生产的磷石膏（LS）、脱硫石膏（TS）、二水石膏（ES）、氟石膏（FS）和硬石膏（YS）等5种常用石膏进行试验。熟料与石膏的化学成分分析如表1所示。

表1 熟料与石膏化学成分Tab.1 Chemical Composition of Clinker and Gypsum（%）

1.2 水泥净浆测试方法

本试验中水泥净浆流动度试验按照《混凝土外加剂匀质性试验方法：GB/T 8077—2012》中的方法测试。

1.3 混凝土性能测试方法

本试验中混凝土坍落、凝结时间度按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准：GB/T 50080—2016》中的方法测试，混凝土抗压强度按照《普通混凝土力学性能实验方法：GB/T 50081—2019》中的方法测试。

1.4 混凝土试验方案

本次试验模拟实际混凝土生产应用，试验前，将一定量的石膏和熟料倒入标准振筛机中让粉料筛分均匀，再倒入到搅拌机中加入石子、机制砂、外加剂等，搅拌均匀，进行试验。

自制水泥配制：模拟水泥厂配制硫含量为1%～3%的水泥，根据所用的1 m3混凝土配合比的比例，将含硫量不同的石膏分别加入到3 个100 kg 的熟料中，搅拌均匀，配置成含硫量占水泥比分别为1%、2%、3%的水泥。5种石膏都以上述方法配置。

试验选用C30混凝土配合比，试验用混凝土配合比为C∶S∶G1∶G2∶W∶A=360∶870∶288∶672∶180∶7.92。

2 试验结果与讨论

2.1 石膏对水泥净浆流动性影响

将石膏掺入熟料中，控制水泥硫含量为2%，其中水泥成分如表2所示，外加剂为聚羧酸泵送剂（PCE），考察不同种类石膏对水泥净浆流动性的影响，如表2所示。

表2 不同种类石膏对水泥净浆流动度的影响Tab.2 The Influence of Different Types of Gypsum on the Fluidity of Cement Paste

由表2可知，掺入5种不同类型的石膏，与不掺入石膏（基准）相比，其中LS、FS、YS 这3 种石膏对水泥0 min 的净浆流动度及60 min 后的净浆流动度的影响均有增加，以FS 增加最为明显。而ES 和TS 对水泥的0 min 净浆流动度的影响有所减小，ES 对水泥60 min后的净浆流动度无明显变化，TS对水泥60 min后的净浆流动度仍有一定的增加。

2.2 石膏对混凝土性能的影响

2.2.1 石膏对坍落度的影响

将石膏掺入熟料中，控制水泥硫含量为0%、1%、2%和3%，其中水泥成分如表1 所示，外加剂为聚羧酸泵送剂（PCE），考察不同种类石膏对混凝土初始（0 min）坍落度的影响，如图1⒜所示。

由图1⒜可知，掺入5 种不同类型的石膏，与基准相比较，LS、FS、YS 这3 种石膏对混凝土0 min 坍落度的影响随着石膏含量的增加而增大，以FS 最为明显。而ES、TS 这2 种石膏对混凝土0 min 坍落度的影响随着石膏含量的增加反而减小。

考察不同种类石膏对混凝土60 min 后坍落度的影响，如图1⒝所示。

从图1⒝可知，掺入5 种不同类型的石膏，与基准相比较，LS、FS、ES、TS、YS这5种石膏对混凝土60 min后的坍落度具有一定的保持作用，其主要原因为石膏具有一定的调凝作用，可延缓水泥水化，同时降低混凝土经时损失。其中LS、FS、YS 这3 种石膏对混凝土60 min 后坍落度的保持作用随着石膏含量的增加而增大。而ES、TS这2种石膏对混凝土60 min后的坍落度的保持作用随着石膏含量的增加反而减小。

图1 石膏掺量对混凝土坍落度的影响Fig.1 The Influence of Gypsum Content on Concrete Slump

2.2.2 石膏对抗压强度的影响

将石膏掺入熟料中，控制水泥硫含量为0%、1%、2%和3%，其中水泥成分如表1 所示，外加剂为聚羧酸泵送剂（PCE），考察不同种类石膏对混凝土3 d 混凝土抗压强度的影响，如图2所示。

图2 不同石膏对混凝土3 d抗压强度的影响Fig.2 The Influence of Different Gypsum on the 3 d Compressive Strength of Concrete

由图2可知，掺入5种不同类型的石膏，与基准相比较，LS、FS、ES、TS、YS 这5 种石膏对混凝土3 d 强度具有明显的贡献，主要原因为加入的石膏可以促进早期钙矾石的生成，提高早期强度。其中LS、FS、ES、YS这4 种石膏对混凝土3 d 抗压强度随着石膏含量的增加而增大，以ES最为明显，原因是掺入ES使混凝土最为致密，使其对混凝土早期强度提高最多。而TS对混凝土3 d抗压强度随着石膏含量增加先增大后减小，在水泥硫含量达到2%时，对混凝土3 d抗压强度贡献最佳。

混凝土抗压强度的增大与石膏的加入、种类及添加量都有着重要关系，比较不同种类和掺量的石膏对混凝土抗压强度增加量（3～28 d）的影响，如图3所示。

由图3可知，掺入5种不同类型的石膏，与基准相比较，抗压强度增加量较少，LS、FS、ES 这3 种石膏对混凝土后期抗压强度的增加量随着石膏含量的增加先减小后增大，以LS增大最多，原因是LS凝结时间最长，延长凝结时间让C-S-H 生成更大的纤维，提高后期强度。而TS、YS这2种石膏对混凝土后期抗压强度的增加量随着石膏含量的增加反而减小。

图3 不同石膏对混凝土抗压强度增加量（3～28 d）的影响Fig.3 Influence of Different Gypsum on the Increase in Compressive Strength of Concrete（3～28 d）

2.2.3 石膏对凝结时间的影响

将石膏掺入熟料中，控制水泥硫含量为0%、1%、2%和3%，其中水泥成分如表1 所示，外加剂为聚羧酸泵送剂（PCE），考察不同石膏类型对混凝土初凝时间的影响，如图4⒜所示。

由图4⒜可知，掺入5 种不同类型的石膏均能够调节混凝土的凝结时间。与不掺入石膏相比，LS、FS、ES、TS、YS 这5 种石膏对混凝土的初凝时间随着石膏含量的增加而增长，以LS最为明显。

考察不同石膏类型对混凝土终凝时间的影响，如图4⒝所示，由图4⒝可知，掺入5 种不同类型的石膏，与基准相比较，LS、FS、ES、TS、YS 这5 种石膏对混凝土的终凝时间随着石膏含量的增加而增长，属LS 最为明显，原因是影响混凝土凝结时间的SO3、P2O5及其他微量元素随着LS 的增加而增多，延长了混凝土的凝结时间，而P2O5和其他水溶性杂质含量过多，大幅度影响混凝土的凝结时间。

图4 不同石膏对混凝土初凝及终凝时间的影响Fig.4 The Influence of Different Gypsum on the Initial Setting and Final Time of Concrete

3 结论

本文研究了不同种类的石膏对混凝土（掺聚羧酸减水剂）的流动性、经时损失、抗压强度及凝结时间的影响，从以上研究结果，可以得出以下结论：

⑴掺入石膏能够改善水泥的适应性，其中水泥硫含量在1%～3%时，LS 和YS 对外加剂的适应性最好，经时损失最小；水泥硫含量在3%时ES 对混凝土的经时损失大。

⑵掺入石膏能够改善水泥物理性能，随着水泥硫含量的增加，ES 早期抗压强度提高最多，水泥硫含量在3%时3 d抗压强度比基准提高36%，LS后期抗压强度提高最多，TS后期抗压强度提高最少。

⑶掺入石膏能够延长混凝土的凝结时间，随着水泥硫含量的增加，混凝土的凝结时间逐渐延长，其中LS 凝结时间延长最多，水泥硫含量在3%时初凝比TS长3.0 h，终凝比YS长2.5 h。

⑷LS 虽然对混凝土减水率、经时损失和混凝土抗压强度有所提升，但对混凝土凝结时间延长较长；ES 对混凝土减水率、经时损失提升小，但是对抗压强度提高多，凝结时间较短。