复合硅酸盐水泥改善石膏材料耐水性能研究_张付奇

第39卷第2期 非金属矿 Vol.39 No.22016年3月 Non-Metallic Mines March, 2016

复合硅酸盐水泥改善石膏材料耐水性能研究

张付奇 李 刚* 李 洁 马玉薇 汤 骅 张建鹏 刘 乐

（石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000）

采用复合硅酸盐水泥作为无机改性剂，研究复合硅酸盐水泥及其掺量对石膏表观密度、强度、吸水率、软摘 要 以改善石膏耐水性为目的，

化系数的影响。结果表明，适量复合硅酸盐水泥的掺入可以改善石膏的强度、软化系数及吸水率；水泥的最佳掺量应为20%，此时石膏干抗压强度、干抗折强度、湿抗压强度、湿抗折强度、抗压软化系数、抗折软化系数分别为22.82 MPa、6.95 MPa、10.73 MPa、4.22 MPa 、0.47、0.61，相较于未掺入分别提高18.85%、14.12%、46.79%、31.06%、23.68%、15.09%。

复合硅酸盐水泥；强度；软化系数关键词 石膏；

TQ177.3+2 文献标识码：A 文章编号：1000-8098(2016)02-0017-03中图分类号：

The Study on Composite Portland Cement Improve Water Resistance of Gypsum Material

Zhang Fuqi Li Gang* Li Jie Ma Yuwei Tang Hua Zhang Jianpeng Liu Le(College of Water Conservancy and Architecture, Shihezi University, Shihezi, Xinjiang 832000)

Abstract For improving the water resistance of gypsum, composite portland cement was used as additive, the effect of the amount on apparent density, strength, water absorption, softening coeffi cient of gypsum was studied. The results showed that: The strength, softening coeffi cient and water absorption of gypsum could be improved by an appropriate amount of composite portland cement; when composite Portland cement was added to 20%, the dry compressive strength, the dry fl exural strength, the water absorption compressive strength, the water fl exural absorption strength, compression softening coeffi cient, fl exural softening coeffi cient was 22.82 MPa, 6.95 MPa, 10.73 MPa, 4.22 MPa, 0.47, 0.61 respectively, compared to unmodifi ed, increased 18.85%, 14.12%, 46.79%, 31.06%, 23.68% and 15.09%.

Key words gypsum; composite portland cement; strength; softening coeffi cient

石膏制品具有节能、环保、舒适、安全、轻质、导热系数小、隔音性好、生产施工方便等优点[1-3]，这些优点使其具备了成为优质墙体材料的潜能。但是，石膏属于气硬性胶凝材料，遇水后强度损失较为严重，仅为干燥状态下的30%左右[4]。由于耐水性较差，其在墙体材料乃至建筑行业的应用范围及前景受到极大限制。目前，国内外学者常采用有机和无机两种改性方式提高建筑石膏的耐水性能。有机改性是指在石膏浆体中掺入高分子聚合物，主要以聚合物乳液、水溶性聚合物、聚合物浸渍和单体与催化剂为主[5]。王东[5]通过试验研究了不同有机硅憎水剂在提高石膏耐水性方面的效果，发现有机硅憎水剂可以有效降低石膏吸水率，改善石膏耐水性。王坚[6]研究表明，在石膏浆体中掺入防水剂、促进剂、交联剂可以有效降低石膏的吸水率，提高软化系数。但有机改性在提高石膏耐水性的同时会使石膏强度受到损失；破坏石膏优良的“呼吸”特性，降低以石膏为建筑材料的房屋的居住舒适性[4]；同时提高材料生产成本，降低性价比。此外，有机掺合料存在易老化的缺点，会降低石

收稿日期：2016-01-29

基金项目：新疆生产建设兵团科技攻关项目(2014BA017)。*

通讯作者，E-mail: [email protected]；Tel: [1**********]。

膏的耐久性。与有机材料相比，无机材料具有量大价廉、绿色、耐久性好的优势，可维持石膏本身绿色环保和居住舒适以及耐久的性能，提高石膏的强度；同时，还可以利用部分工业废料。

基于提高石膏耐水性的目的，采取在石膏中掺入复合硅酸盐水泥，对石膏进行无机改性，通过试验研究分析复合硅酸盐水泥及其掺量对石膏性能的影响，以提高石膏的耐水性。

1 实验部分

1.1 原料 建筑石膏粉为新疆库尔勒市生产的浩轩牌石膏粉，初凝时间为15 min；复合硅酸盐水泥为新疆天业水泥厂产P·C 32.5水泥；水采用实验室自来水。强度等测试参照《建1.2 试验方案设计 石膏成型、筑石膏力学性能的测定》(GB/T 17669.3-1999)。先将称量好的石膏粉和复合硅酸盐水泥混合，干拌均匀，倒入称量好的水中，在搅拌机上搅拌均匀，装模、振动、拆模后，放入实验室自然养护。每组试验做两联试模，共6条试样，试验所用模具尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。

试样制备好之后，在实验室环境中自然养护7 d。将每组试验中的3块试样放入温度为(40±2) ℃的烘箱中，烘干至恒重，进行性能测试。另外3块试样放入水- 17 -

第39卷第2期 非金属矿 2016年3月

中24 h吸水饱和，取出后用拧干水的湿毛巾擦干试样表面水分，然后测试其性能。试验原料配比见表1。

表1 试验原料配合比

组号1234567

物料配比/%石膏[**************]

P·C[1**********]0

0.60水胶比

石膏

用量/g950902.5855807.5760712.5665

P·C用量/g047.595142.5190237.5285

570用水量/g

量的增加而增大。由图2可见，当水泥掺量为20%时，石膏吸水率有最大值33.19%，说明此时试样中未完全水化的水泥再次水化的程度较高；当掺量大于20%时，试样内部因水泥掺量较高产生了大量的水化硅酸钙凝胶等水化产物，这些水化产物堆积在水泥颗粒的表面以及填充以石膏为内部结构的孔隙中，使水分难以渗入到水泥颗粒内部，降低了石膏的吸水率，所以石膏吸水率减小。

2 结果与讨论

2.1 表观密度 复合硅酸盐水泥掺量对石膏干表观

密度的影响，见图1。复合硅酸盐水泥的掺入会使材料内部存在水泥的水化产物成分，这些水化产物填充在以石膏为内部结构的孔隙中，提高材料内部的密实度，使其内部结构更加致密，从而使石膏表观密度增加；且随着水泥掺量的增大，材料内部水泥水化产物的产量越大，材料内部的结构致密程度越高，最终表现为石膏在干燥状态下的表观密度（干表观密度）随着水泥掺量的增加而增大。由图1可知，随着水泥掺量的增加，石膏的干表观密度由1229.41 kg/m3增大到1252.79 kg/m3，增大的幅度较小，约为1.9%。

图2 复合硅酸盐水泥掺量对吸水率的影响

2.3 抗压强度 复合硅酸盐水泥掺量对石膏抗压强度的影响，见图3。从图3可看出，石膏在干燥状态下的抗压强度（干抗压强度）随着复合硅酸盐水泥掺量的增加呈现先增大后减小再增大的趋势，极大值和极小值分别出现在水泥掺量为5%和25%时，其值分别为25.59 MPa和20.46 MPa。当水泥掺量小于5%时，水泥的水化产物以及石膏与水泥间的水化产物（钙矾石和水化硅酸钙凝胶）填充在以石膏晶体为基础框架的内部结构体系中，起到交叉共存增强结构整体性能的作用，提高石膏干抗压强度[7]；当水泥掺量大于5%时，内部结构体系中过多水化产物不但起不到增强的作用，反而会对已经形成的以石膏晶体为基础的内部框架起到轻微的破坏作用，降低石膏的抗压强度；随着水泥掺量的进一步增加（大于25%），水泥的水化产

图1 复合硅酸盐水泥掺量对干表观密度的影响

2.2 吸水率 复合硅酸盐水泥掺量对石膏吸水率的影响，见图2。石膏快速凝结硬化的特点使刚成型试样中的水分因水化和蒸发而被迅速消耗，无法为水泥完全水化提供足量的水分，随着水泥掺量的增加未完全水化的水泥量越多，未完全水化的水泥以非完全胶体状态填充在石膏的内部框架中，当试样在长时间浸水吸水饱和的过程中，未完全水化的水泥遇水继续水化，以胶体形式填充在石膏的内部框架中。当水泥掺量较小时，未完全水化的水泥水化过程吸收大量的游离态的水，加之材料内部的水泥水化产物的量较少，不足以完全填充材料内部的孔隙和包裹未完全水化的水泥石，外部的水分很容易就渗入到试样内部，从而增大石膏的吸水率，因此石膏吸水率会随着水泥掺

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物会对已经破坏的内部结构体系起到修复的作用，进而恢复石膏的干抗压强度。

从图3还可看出，随着水泥掺量的增加，石膏在吸水饱和状态下的抗压强度（湿抗压强度）呈现先增大后减小的趋势，当水泥掺量为20%时，湿抗压强度有最大值10.73 MPa。当水泥掺量小于5%时，石膏内部难溶物质钙矾石和水化硅酸钙凝胶的生成提高了石膏湿抗压强度；掺量大于5%时，虽然石膏在干燥状态下的内部结构遭到了水化产物的轻微破坏，但是当石膏浸水后，内部未完全水化的石膏和水泥会进一步水化，对破坏的内部结构起到修复作用，湿抗压强度会进一步增大；未水化的石膏和水泥的水化产物过多时会对已修复的结构起二次破坏的不良效应，降

低石膏的湿抗压强度。

张付奇，李 刚，李

洁，等复合硅酸盐水泥改善石膏材料耐水性能研究

图3 复合硅酸盐水泥掺量对抗压强度的影响2.4 抗折强度 复合硅酸盐水泥掺量对石膏抗折强度的影响，见图4。石膏抗压和抗折强度的破坏形式是断裂破坏，由图3中石膏干抗压强度的变化趋势可以看出，随着水泥掺量的增加，材料的弹性模量呈现与干抗压强度相同的变化趋势（先增大后减小再增大）。当试样在进行抗折试验时，在跨中挠度相同的情况下，试样跨中的集中力与材料的弹性模量成反比，所以图4中石膏在干燥状态下的抗折强度（干抗折强度）随水泥掺量的变化趋势与干抗压强度的变化趋势相反，即先减小后增大再减小，当水泥掺量为25%时，干抗折强度有最大值7.39 MPa。复合硅酸盐水泥的掺入使石膏内部结构中有钙矾石和水化硅酸钙凝胶生成，它们的存在提高了石膏的耐水性能，但大量钙矾石的生成又会对材料的内部结构产生破坏作用，故图4石膏在吸水饱和状态下的抗折强度（湿抗折强度）随着水泥掺量的增加呈现先增大后减小的趋势，当掺量为20%时，湿抗折强度有最大值4.22 MPa。

图5 复合硅酸盐水泥掺量对软化系数的影响

2.6 改性机理 对石膏样品的微观形貌进行SEM分析，结果见图6。从图6可看出，未改性的石膏内部结构以长柱状、交错排列的石膏晶体为主，并包含少量的短柱状和片状晶体，晶体之间存在较大孔隙，且晶体较为散乱，接触点较少（图6a），导致了石膏吸水率较大，耐水性较差；而在加入复合硅酸盐水泥改性之后，内部的孔隙被水泥的水化产物（钙矾石和水化硅酸钙凝胶）所填充，使柱状石膏之间的接触范围增多（图6b），提高了石膏的耐水性能。

图6 石膏改性前(a)后(b)SEM对比

3 结论

复合硅酸盐水泥的掺入会使石膏内部结构中产生水硬性成分，提高石膏强度及耐水性。综合考虑，复合硅酸盐水泥的最佳掺量为20%，此时石膏干抗压强度、干抗折强度、湿抗压强度、湿抗折强度分别为22.82 MPa、6.95 MPa、10.73 MPa、4.22 MPa，相较未掺入时的19.20MPa、6.09MPa、7.31MPa、3.22 MPa分别提高18.85%、14.12%、46.79%、31.06%；抗压、抗折软化

相较于未掺入时的0.38和系数分别为0.47和0.61，

0.53分别提高23.68%和15.09%。参考文献：

[1] 关淑君. 耐水建筑石膏的试验研究[J]. 新型建筑材料，2005(2)：1-3.[2] 李兵兵. 磷石膏新型墙体材料研究[D]. 昆明：昆明理工大学，2012.[3] 李国昌，王萍. 无机纤维对纤维石膏保温板某些性能的影响[J]. 非金属矿，1999，22(4)：7-9.

[4] 刘青. 适合于高原环境的高强耐水复合石膏的试验研究[D]. 南昌：南昌大学，2010.

[5] 王东. 不同有机硅憎水剂对建筑石膏性能的影响[J]. 新型建筑材料，2014(2)：68-70，89.

[6]王坚.提高石膏制品防水性能的措施[J]. 科技情报开发与经济，2015(5)：70-71.

[7] 赵建敏. 石膏基复合胶凝材料试验研究[D].西安：长安大学，

2013.

图4 复合硅酸盐水泥掺量对抗折强度的影响

2.5 软化系数 复合硅酸盐水泥掺量对石膏软化系数的影响曲线，见图5。从图5可看出，随着复合硅酸盐水泥掺量的增加，材料的抗压软化系数先增大后减小。当掺量为25% 时，抗压软化系数达到最大值0.52，约提高36.84%；材料的抗折软化系数先增大后减小再增大，当掺量为10%时，抗折软化系数出现最大值0.67，约提高28.85%。说明水泥掺入产生的水硬性成分改善了石膏的耐水性，但是过多水硬性成分又会对材料的内部结构产生破坏作用。综上可以看出：水泥的最优掺量应为20%，此时材料的抗压软化系数、抗折软化系数分别为0.47和0.61。

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