鋼渣粉-脫硫石膏對飾面砂漿性能的影響及機理初探

胡婷，丁益民，賴榕永，陸文雄

（上海大學理學院化學系，上海 200444）

飾面砂漿是近年來逐漸興起的一種新型裝飾材料，由于其熱力學性能與外墻保溫系統中的抹面砂漿相近，故與外保溫系統有良好的匹配性和相容性[1]。飾面砂漿的飾層厚度僅為1～3 mm，質量輕，在外墻裝飾使用時更具有安全性。另外，其自身還具有良好的柔韌性、耐候性、耐沾污及施工方法多樣化等一系列優點，因此，飾面砂漿具有廣泛的應用前景。

目前，國內市場上飾面砂漿主要是水泥基飾面砂漿，其中最常用到的水泥是硅酸鹽水泥，其水化過程中會產生Ca（OH）2，Ca（OH）2易溶于水形成游離的Ca2+，Ca2+通過砂漿自身的毛細孔遷移至表面，與空氣中的CO2反應，在砂漿表面生成CaCO3沉淀，進而產生色差和泛堿，影響產品的整體美觀[2-4]。因此，相關研究者針對泛堿問題已進行了大量的研究，其中通過摻入填料來代替水泥的研究最多[5-7]，但鋼渣粉和脫硫石膏對飾面砂漿性能的影響及機理探討的研究尚未見涉及。本文將鋼渣粉和脫硫石膏作為S95礦粉的改性劑，激發S95礦粉的活性，從而改善砂漿的泛堿性能。并對鋼渣粉和脫硫石膏對砂漿泛白的影響機理作了初步探討。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：42.5級普通硅酸鹽水泥，安徽海螺水泥廠生產；礦渣粉：S95級，上海海笠工貿有限公司生產，其主要性能指標見表1；鋼渣粉：粒徑為30 μm，中冶寶鋼技術服務有限公司生產，其化學成分見表2；脫硫石膏：燃煤電廠煙氣脫硫產生的廢棄物——脫硫石膏，經烘干、煅燒而制備成β型半水石膏，其中β-CaSO4·1/2H2O≥85%，華能上海石洞口第二電廠生產，其化學成分見表3；鋼渣砂：粒徑為35～80目，f-CaO含量＜1%，金屬鐵含量＜1%，含水率＜0.2%，中冶寶鋼技術服務有限公司產；可再分散乳膠粉：8034H憎水型，廣州龍湖科技股份有限公司生產；羥丙基甲基纖維素醚：黏度為40000 mPa·s，山東邁瑞克新材料有限公司生產；顏料：氧化鐵紅，南京一品顏料化工有限公司生產；水：自來水。

表1 S95級礦渣粉的主要性能指標

表2 鋼渣粉的化學成分 %

表3 脫硫石膏的化學成分 %

1.2 飾面砂漿的試驗配合比

試驗中膠砂比為3∶7，加水量為干粉料的14%，礦粉等量取代水泥質量的40%，鋼渣粉和脫硫石膏復摻等量取代水泥質量的10%，乳膠粉占總干粉料質量的2%，纖維素醚為總干粉料質量的0.1%，顏料為0.5%。試驗配合比見表4。

表4 飾面砂漿的試驗配合比

1.3 試驗方法

（1）泛白實驗：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飾面砂漿，厚度約為2～3 mm。①在溫度為（20±2）℃、相對濕度為50%的條件下養護1 d，然后將砂漿試樣完全浸水8 h后取出晾干，測試砂漿試樣的泛堿情況，用于模擬測試砂漿的初次泛堿；②在溫度為（20±2）℃、相對濕度為50%的條件下養護7 d，然后將砂漿試樣完全浸水24 h后取出晾干，測試砂漿試樣的泛堿情況，用于模擬測試砂漿的2次泛堿[8]。

砂漿泛堿程度評價方法：用數碼相機將待測試樣表面拍攝下來，利用圖像處理軟件Image-Pro Plus6.0對其表面產生的泛堿面積進行測量，并計算出泛堿面積占飾面砂漿總面積的百分比。

（2）抗壓、抗折強度：參照 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行測試，測試齡期為28 d。

（3）拉伸粘結強度和吸水量：參照JC/T 1024—2007《墻體飾面砂漿》標準進行測試。

（4）硬化體積密度：將尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的飾面砂漿試樣養護7、28 d后脫模，稱量并計算硬化體積密度ρ，取3組試件的算術平均值作為測試結果。

（5）X射線衍射（XRD）分析：試塊養護至規定的齡期后，去除表面碳化層，用鐵錘將樣品砸成5～10 mm左右的小塊，隨意選取試樣中細小顆粒，立即用無水乙醇終止水化，取出后在60℃烘箱內烘至恒重，研磨成粉并過200目篩，送樣檢測。

（6）掃描電鏡微觀形貌（SEM）分析：試塊養護至規定的齡期后，去除表面碳化層，用鐵錘將樣品砸成5～10 mm的小塊，隨意選取試樣中表面平整的試塊，立即用無水乙醇終止水化，取出后在60℃烘箱內烘至恒重，送樣噴金，觀察SEM圖像。

2 結果與分析

2.1 泛白現象

摻鋼渣粉與脫硫石膏前后飾面砂漿表面的泛白情況見圖1。

圖1 飾面砂漿表面泛白情況

由圖1可以看出，不摻鋼渣粉與脫硫石膏的1#基準飾面砂漿養護1 d、7 d后，經浸水試驗表面均明顯泛白，泛白區域分別為試件總面積的23.5%、62.5%，泛白面積隨著齡期延長逐漸增大；而摻鋼渣粉與脫硫石膏的2#飾面砂漿僅在1 d時出現泛白，且泛白區域約為試件總面積的14.3%，7 d后基本不出現泛白。這說明摻鋼渣粉與脫硫石膏的飾面砂漿可以有效地抑制飾面砂漿的初次泛堿，同時也有效地阻止了砂漿二次泛堿的發生。

2.2 鋼渣粉與脫硫石膏對砂漿強度的影響（見表5）

表5 摻與未摻鋼渣粉與脫硫石膏對飾面砂漿性能的影響

由表5可見，與1?；鶞曙椕嫔皾{相比，復摻鋼渣粉-脫硫石膏的2＃飾面砂漿養護28 d的抗折、抗壓與拉伸粘接強度分別提高41%、55%、6.5%。也進一步說明鋼渣粉和脫硫石膏作為S95礦粉的改性劑，激發了S95礦粉的活性，促進了水泥的水化進程，提高了水泥的水化程度。

2.3 鋼渣粉與脫硫石膏對砂漿硬化體積密度的影響

由表5可見，當齡期由7 d延長至28 d時，基準飾面砂漿和摻鋼渣粉-脫硫石膏飾面砂漿的硬化體積密度分別由2.18、2.15 g/cm3增大至 2.24、2.19 g/cm3，分別增長了 2.8%、1.9%。與基準飾面砂漿相比，摻鋼渣粉-脫硫石膏的飾面砂漿硬化體積密度有所增大?？梢?，鋼渣粉-脫硫石膏的加入，細化了孔結構，提高了砂漿的密實度[9]。

2.4 鋼渣粉與脫硫石膏對砂漿吸水量的影響

由表5可見，鋼渣粉-脫硫石膏的加入增大了飾面砂漿的吸水率，30 min、240 min的吸水量分別由0.34 g、0.67 g增至0.55 g、0.71 g，但吸水量的增幅不明顯，均優于JC/T 1024—2007《墻體飾面砂漿》標準要求（30 min小于2.00 g，240 min小于5.00 g）?？梢?，在砂漿中摻入鋼渣粉-脫硫石膏對其吸水量影響不大。

2.5 飾面砂漿水化產物的XRD分析

1?；鶞曙椕嫔皾{和復摻鋼渣粉-脫硫石膏的2＃飾面砂漿水化7 d的X射線衍射分析見圖2。

圖2 1＃與2＃飾面砂漿水化7 d的XRD圖譜

由圖 2可見，1＃、2＃飾面砂漿主要的結晶產物是 Ca（OH）2、鈣礬石和由部分游離的Ca（OH）2碳化而產生的CaCO3，此外還有部分未水化的水泥熟料礦物C2S、C3S。在7 d水化齡期，與基準砂漿相比，摻鋼渣粉-脫硫石膏的飾面砂漿水化產物Ca（OH）2的特征峰峰值明顯降低，這說明未摻鋼渣粉-脫硫石膏的砂漿中Ca（OH）2含量較多。由此推斷，鋼渣粉-脫硫石膏的加入，激發了S95礦粉的活性，消耗了一部分的Ca（OH）2，使Ca（OH）2結晶程度變??；而CaCO3、鈣礬石的衍射峰相對較高。這說明鋼渣粉-脫硫石膏促進了水泥的水化過程，水化程度較高，同時，也很好證明了摻鋼渣粉-脫硫石膏的飾面砂漿相同齡期的強度要高于未摻者。

2.6 飾面砂漿的SEM分析

1＃、2＃飾面砂漿水化28 d試樣的掃描電鏡照片見圖3。

圖3 1＃與2＃飾面砂漿水化28 d的SEM照片

由圖3可以看出，未摻鋼渣粉-脫硫石膏的1＃飾面砂漿水化28 d生成了較多的六角板狀的氫氧化鈣晶體，砂漿的結構較為疏松，顆粒易長大，并且內部分布著許多大大小小的孔隙。摻鋼渣粉-脫硫石膏的2＃飾面砂漿硬化漿體中生長著更多的AFt和絮狀的C－S－H凝膠，這些水化產物相互構架成空間網狀結構，同時大量針狀AFt被凝膠包裹，水化產物層明顯增厚，六角板狀的氫氧化鈣晶體明顯減少，空隙較少，結構更為致密。所以，隨著齡期的延長，水泥基飾面砂漿強度提高的主要原因應是水泥水化產物對砂漿空隙的填充作用和粘接作用。由此說明，鋼渣粉可以發生火山灰反應，消耗水泥熟料的水化產物Ca（OH）2，同時促進了水泥的水化進程；脫硫石膏可與Ca（OH）2、礦粉或鋼渣粉中的活性氧化鋁或二氧化硅反應，生成更多的鈣礬石以及水化硅酸鈣凝膠，細化了孔結構，使砂漿的結構更為密實[10]。

3 結論

（1）在飾面砂漿中復摻S95礦粉、鋼渣粉和脫硫石膏，可有效地抑制飾面砂漿的初次泛堿，也可有效阻止砂漿二次泛堿的發生；既提高了砂漿的強度，也增大了砂漿的硬化體積密度，同時對砂漿的吸水率影響不大，優于JC/T 1024—2007標準要求（30min小于2.00g，240min小于5.00g）。

（2）鋼渣粉-脫硫石膏的摻入，激發了S95礦粉的活性，可消耗水泥熟料的水化產物Ca（OH）2，同時促進水泥的水化進程，細化孔結構，使砂漿的結構更為密實。

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