掺脱硫石膏砌筑砂浆配合比试验研究及设计方法

1、doi：/j.iss-掺脱硫石膏砌筑砂浆配合比试验研究及设计方法郝 彤，陈 晨（郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001）摘 要： 设计不同配合比脱硫石膏-水泥用量组成砂浆胶凝材料，通过加入外加剂改良砂浆性能，测定砂浆 28 d 抗压强度。研究结果表明，脱硫石膏掺量增加会降低砂浆保水性，砂浆强度随水泥用量增加呈线性增长，随脱硫石膏掺量增加呈线性降低。拟合出此砌 筑砂浆的配合比计算公式。关键词： 脱硫石膏；砌筑砂浆；配合比；设计方法中图分类号： TU528.062文献标志码： A文章编号： 1002-3550（2014）08-0122-05Experimental research on

2、 masonry mortar mix proportion w ithin desulfurization gypsum and design methodHAO Tong，CHEN Chen（Schoolf of Civil Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）Abstract: Design the slurry cementing material with different amount of gypsum and cement.By adding admixtures change the perfor-

3、mance of mortar，28 d compressive strength of the mortar was tested.The results showed that desulfurization gypsum dosage increased lead to reduce water retention.Mortar strength with cement dosage increase linearly growth，along with the desulfurization gypsum dosage in-crease linearly reduce.Given m

4、ix proportion formula of the mortar in two kind of admixture.Key w ords: desulfurization gypsum；masonry mortar；mix proportion；design method含水量为 5.83%；粉煤灰：密度 2.94 g/cm3，烧失量 1.49%，细度 3.84%；羟丙基甲基纤维素醚（HPMC）：黏度为 10 万 MPas； 可再分散乳胶粉：瓦克 5010N 型可再分散醋酸乙烯酯乙 烯共聚胶粉，固含量 99%。1.2试验方法砂浆制备按照 JG 2302007预拌砂浆执行，每锅一 次制备

5、3 kg 干混砂浆，胶凝材料质量 750 g，砂质量 2 250 kg，（胶砂比 13）。砂浆养护及性能测试参照 JGJ/T 702009建筑砂浆基本性能试验方法标准。1.3砂浆配合比设计试验砂浆配合比设计分两组，组加入 0.1%纤维素醚，组加入 0.1%纤维素醚和 2%可再分散乳胶粉3。两组的 胶凝材料配合比一致，胶凝材料由水泥、脱硫石膏、粉煤灰 组成。胶凝材料配合比主要目标研究脱硫石膏的掺量和水 泥用量变化对砂浆强度的影响。故设计了脱硫石膏 5 种掺量，水泥 4 种用量的配合比，而粉煤灰仅作为胶凝材料的 填充料。胶砂比 13，稠度控制在（8010）mm，保水性88%，密度1 800 kg/

6、 m3。具体配合比见表 1。0引言脱硫石膏是以石灰石 / 石灰-石膏法对燃煤烟气进行脱硫处理得到的工业副产物。我国火力发电厂废烟脱硫技术的广泛应用，脱硫石膏产量迅猛增加，然而消耗用量远 小于产量，脱硫石膏大量堆积二次分解，对当地大气、土壤 以及水源等造成严重的二次污染，所以需要加大脱硫石膏 的利用力度。人们在利用脱硫石膏作建筑石膏石膏板材、石 膏砌块以及水泥缓凝剂等方面进行了大量的研究，但对于 在砌筑砂浆中掺入脱硫石膏的关注研究较少。本项研究尝 试将脱硫石膏应用于砌筑砂浆中，实现废物利用的同时，充 分发挥石膏保温性能好自重轻等优点，真正实现工业废渣 资源化利用1-4。通过不同的脱硫石膏-水泥掺

7、量，研究脱硫石膏对砂 浆强度以及各项性能的影响，根据试验结果分析，给出了 一种砂浆配合比计算公式设计的方法，并得出此掺脱硫石 膏砌筑砂浆的配合比建议计算式。1试验设计1.1原材料水泥：复合硅酸盐水泥 PC 32.5 级；细骨料：河砂，细度 模数 2.4。堆积密度 1 428 kg/m3；脱硫石膏：密度 2.15 g/cm3，2试验结果分析砂浆制备根据稠度（8010）mm 来确定用水量。用水收稿日期：2014-01-20122表 1 砂浆配合比设计说明脱硫石膏的增加会降低砂浆的保水性。从图中的第组数据可以看出，可再分散乳胶粉同样具有优良的保水作 用，在与纤维素醚共同作用下5-6，砂浆的保水性很高

8、且变 化幅度较小，保水率平均值高达 97.3%。JG 2302007预拌砂浆规定干混砌筑砂浆密度不 宜小于 1 800 kg/ m3。从图 3 可以看出，两组砂浆的密度值 差异明显。加有可再分散乳胶粉的一组密度降低，证明了 乳胶粉具有引气作用，引入大量的均匀细小气泡在砂浆中 起到滚珠效应，使砂浆的流动性提高，增强了可施工性。但是同时也使得砂浆密度降低，削弱了砂浆的密实度，从而直接影响砂浆强度。水泥/%脱硫石膏/%粉煤灰/%外加剂（分两组）分组12345678910111213141516171819201010101010202020202030303030304040404040203040

9、50602030405060203040506020304050607060504030605040302050403020104030201000.1%HPMC0.1%HPMC+2%乳胶粉（R）图 3 砂浆湿密度值从图 4 可以看出，第组的强度普遍低于第组，但 是在水泥为 10%的时候，第组抗压强度全部略高于第一 组。分析原因是加入的乳胶粉引入微小气泡，降低了砂浆 的密度，致使强度降低，但是在水泥含量为 10%时，第组 强度略高，可能的原因是水泥的量过低，无法使钙矾石生 长连结成整体，强度很低甚至使砂浆无法成型（如图 5），此 时强度更多来自于外加剂的作用。可再分散乳胶粉溶于水 后，胶粉颗粒

10、均匀分散入砂浆，并且迅速成膜，随着胶凝材 料水化反应消耗水，胶粉可以逐渐靠近形成连续的高分子 薄膜，砂浆中的无机胶凝材料和有机高分子膜构成了砂浆 的主要黏聚物质。当无机胶凝材料过少无法大量连结构成 脆性骨架时，强度提升主要就依靠高分子膜聚合物构成的 柔性骨架4。注：百分数为各种材料占胶凝材料总质量百分数。量与稠度之比值如图 1，可以看出第二组砂浆曲线低于第 一组，说明达到同样的稠度时，第二组砂浆的用水量减少。 说明可再分散乳胶粉具有减水增稠的作用。这是因为可再 分散乳胶粉本身具有引起作用，还可以稳定砂浆中引入的 均匀细小气泡，改变砂浆的流动性，使砂浆和易性提高。图 1 砂浆用水量与稠度比按 J

11、G 2302007预拌砂浆要求，干混砌筑砂浆保水 性88%。从图 2 可以看出，两组砂浆的保水性全都大于88%。第组的保水性变化幅度比较大，而且在水泥用量相同的时候，砂浆保水性随着脱硫石膏掺量的增加而降低。图 4 各组砂浆抗折、抗压强度值图 5 为第五组砂浆试块养护 28 d 照片。（a） 无外加剂 的试块强度过低，几乎无法成型；（b）上面三块为第组， 已经产生裂缝，下面三块为第组，外观较完整无可见裂 缝。说明外加剂对砂浆的改性效果明显，可再分散乳胶粉 具有较好的聚合性。123图 2 砂浆保水性方米砂用量为砂堆积密度。本试验用砂堆积密度为 1 428 kg/m3，胶砂比为 13，所以胶凝材料质

12、量为 476 kg。为水泥占胶凝 材料质量百分比，因此，每立方米水泥用量质量 Qc：Qc =476同理，每立方米脱硫石膏掺量质量 Q1：Q1=476由式（2）、（3）可得：fm， =476（3.03fce）/1 000+（-15.09）（3）（4）（5）图 5 第 5 组配合比试块通过上述对砂浆的试验结果和分析，作为专用砌筑砂 浆有良好的保水性，密度合格，施工性能良好。砂浆强度随 水泥用量增加呈线性增长，随脱硫石膏掺量增加呈线性降 低，建议不宜掺入过多脱硫石膏。可再分散乳胶粉的加入， 对砂浆抗压强度影响较大，对抗折强度的提升不明显，保水 性过高，综合成本和收效考虑建议不添加可再分散乳胶粉。式中

13、：fm， 水泥用量 变化时的强度计算值。fce=32.5 MPa。在 =0.1 时，Qc =47.6，得 fm， =-10.4。此时 为不同值 时，对应的实测砂浆强度记为 fm，（ 已知见表 4）。设 Ac， =fm， /fm， 具体 Ac， 与脱硫石膏掺量变化如图 7。分析图 7 中函数斜率变化过大原因在于式（5）中的常数 项-15.09。将此常数项舍去，得到如下式：fm， =476（3.03fce）/1 000表 3 组脱硫石膏掺量 -Ac， 表（6）3砂浆配合比计算式设计砂浆强度配合比计算式设计方法：先确定水泥用量（），试验值 f/MPa水泥（）/%脱硫石膏（）/%计算值 fm，m，Ac

14、，随脱硫石膏掺量（）变化，拟合出计算式（数据如表 2）。表 2 脱硫石膏掺量 为变量抗压强度/MPa203040506020304050602030405060203040501.361.421.011.090.845.013.833.462.901.837.156.474.213.792.5910.677.346.614.800.291 0060.302 6720.215 7370.232 8040.180 0030.534 6770.409 0080.368 8070.309 6060.194 7820.508 7510.459 7870.299 0720.269 7830.183 870

15、0.569 0110.391 4740.352 3400.255 838水泥（）/%脱硫石膏（）/%组抗压 fm，/MPa组抗压 fm，/MPa104.687 4120304050602030405060203040506020304050601.361.421.011.090.845.013.833.462.901.837.156.474.213.792.5910.677.346.614.804.441.371.521.231.170.904.543.542.802.121.736.535.673.882.982.598.375.784.543.983.7110209.374 8220301

16、4.062 23304018.749 64 60 4.44 0.236 671 40JGJ 982010砌筑砂浆配合比设计规程中采用下式计算砂浆每立方米水泥用量：Qc =1 000（fm，0-）（/ fce）式中：Qc每立方米水泥用量，精确至 1 kg；fm，0 砂浆适配强度，精确值 0.1MPa；fce 水泥实测强度，可取水泥强度等级；=3.03，=-15.09。由式（1）变换可得下式：fm，0=Q（c 3.03fce）/1 000+（-15.09）（1）图 6 组脱硫石膏掺量 -Ac， 图用式（6）与 Ac，=fm， /fm， 重新拟合数据如表 5，如图 8。（2）JGJ 982010砌筑

17、砂浆配合比设计规程规定砂浆每立124由图 8 可见，除了 =10%时拟合的趋势线函数偏离过大，其他三个函数符合度较高。由此，考虑将 20%、30%、40%， 与对应数值一同拟合。如图 9。拟合 Ac， 函数为：式（12）记为组总计算式，当外加剂为组时，=1；当外加剂为组时，=0.86。计算式计算值与实测值对比如图 11。Ac， =-0.806 4+0.678 8（7）图 7 修改公式后 -Ac， 图图 8 组脱硫石膏掺量 -Ac，由 Ac，=fm， /fm， 与式（7），可得：fm， = fm，（ 0.68-0.81） 结合（6）可得下式：fm， = 476（3.03fce）（0.68-0.8

18、1）/1 000（8）（9）至此第组外加剂下的配合比公式已总结，同样方法分析第组外加剂，现象一致。总结出第组 Ac， 函数如下：Ac，=-0.699 1+0.580 8组 Ac， 函数如图 10。（10）图 9 组脱硫石膏掺量 -Ac， 图设 1=0.699 1/0.806 4=0.866 9， 2=0.580 8/0.678 8=0.855 6， =（1+2）/2=0.861 2840.86 为组计算式变换为组公式的系数。式（10）可以改写为式（7）乘以 ，即：Ac，=（-0.806 4+0.678 8）fm，=476（3.03fce）（0.68-0.81）/1 000图 10 计算式计算值

19、与实测值对比可以看出图中各计算值与实测值总体上符合较好。由 图（a）、（b）发现，当水泥用量 =10%的时候，实测值和计算 值符合不好。因此，笔者建议计算式使用时，取值 10%。 由图（c）、（d）可以看出，先确定脱硫石膏掺量 ，再确 定水泥用量 ，计算式同样能用，得到的计算值与实测值符125（11）（12）合较好，但是与图（a）、（b）对比，如此计算比先确定水泥用量 的计算方法的变异系数 稍大。因此，笔者建议计算 式计算时，先确定水泥用量 值。4结论（1）本试验中掺入了 2%可再分散乳胶粉，对于砂浆的 影响：能引入微小气泡，具有减水增稠、提高保水性、提高 砂浆黏聚性、改善和易性的作用，同时降低了砂浆湿密度 和抗压强度，对砂浆抗折强度提升不大。（2）砂浆强度提高主要影响因素是水泥的用量。相同 水泥用量下，脱硫石膏的增加会降低砂浆的保水性。（3）砂浆强度随水泥用量增加呈线性增长，随脱硫石 膏掺量增加呈线性降低。（4）分析拟合出砂浆配合比计算式：fm，=476（3.03fce）（0.68-0.81）/1 000当外加剂为组时，=1；当外加剂为组时，=0.86。建议计算式计算时先确定 ，