氟石膏对地坪垫层混凝土补偿收缩性能的影响研究

刘文斌，周慧，董阳

（1.常州工程职业技术学院，江苏 常州 213164；2.南京旭洁建筑科技有限公司，江苏 南京 210067）

工业地坪指工业厂房和仓库土基上的地面，其组成自下而上依次为地基土层、基层、垫层和面层[1]。随着工业的发展，现代工业地坪承受的荷载不断增加，对地坪的强度、抗裂性能及韧性都提出了更高的要求[2]。地坪中的垫层一般为半干性混凝土或砂浆，采用普通混凝土或者仅配置构造钢筋的混凝土垫层，其韧性差、易出现裂缝[3-4]；部分工程采用钢纤维或碳纤维掺入混凝土进行改性，对于地坪表面开裂有很好的抑制效果，但也存在不易混合均匀，施工工艺复杂等缺点[5-6]。本文采用补偿收缩机理对垫层干硬性混凝土进行试验，以期寻求性价比高的新材料与新技术，改善工业地坪垫层混凝土的工作性能，达到减小地坪垫层混凝土收缩的效果。

1 试验

1.1 原材料

水泥：江南小野田水泥有限公司P·O42.5水泥，标准稠度需水量27.3%，主要物理力学性能见表1；氟石膏：安徽宣城亨元化工科技有限公司，主要化学成分见表2，主要矿物组成为CaSO4（见图1）；细骨料：江砂，细度模数2.5；粗骨料：5~15mm连续级配碎石；减水剂：山东万山化工有限公司萘系高效减水剂，粉剂；减缩剂：德固赛Sitren PSR100高效粉体减缩剂；水：自来水。

表1 水泥的物理力学性能

表2 氟石膏的主要化学成分 %

图1 氟石膏的XRD图谱

1.2 配合比

试验选取同一组固定的地坪垫层用混凝土配合比，进行不同氟石膏和减缩剂掺量试验。表3为研究在满足混凝土强度的条件下，氟石膏与胶凝材料水化反应生成钙钒石，补偿混凝土收缩所需的最佳掺量，表4为研究减缩剂对减少混凝土收缩的最佳掺量，并探究对混凝土孔结构的影响。

表3 不同氟石膏掺量地坪垫层混凝土的配合比 kg

表4 不同减缩剂掺量地坪垫层混凝土的配合比 kg

1.3 试验方法

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行混凝土强度测试；采用补偿性混凝土收缩膨胀测定仪（型号：BCL355）对地坪垫层混凝土进行收缩率测试；对混凝土进行XRD（型号：D/max 2500 PC）、SEM（型号：JEM-2100）和EDS（型号：INCA X-MAX）分析，寻找其补偿收缩的水化产物，并进行物性测试；对混凝土进行取样、制样，采用混凝土孔结构分析仪（型号Rapid Air 457）测试其表面孔的分布范围和数量，计算混凝土中气孔含量。

2 试验结果与讨论

2.1 地坪垫层混凝土的强度（见表5）

表5 不同氟石膏掺量地坪垫层混凝土的强度

由表5可见，随着氟石膏掺量的增加，地坪垫层混凝土的早期和后期抗折、抗压强度都呈一定提高的趋势，相比于未掺加氟石膏的混凝土（H1），3 d抗折强度均提高10%以上，最大增长率达48.2%；3 d抗压强度均提高20%以上，最大增长率达59.8%。当氟石膏掺量不超过水泥用量的10%时，混凝土的28 d抗折、抗压强度仍有一定的增长，未出现强度倒缩现象。早期和后期强度的提高说明氟石膏对混凝土的强度具有促进作用。分析原因为氟石膏中无水硫酸钙和水泥水化产物中的铝酸三钙反应生成钙钒石（AFt），促进强度的提高，但无水硫酸钙相比二水硫酸钙而言，反应生成AFt的速度慢、晶粒细小，故而在一定掺量内并未引起后期强度倒缩现象。

2.2 地坪垫层混凝土的收缩率（见图2）

不同氟石膏及减缩剂掺量地坪垫层混凝土的收缩率分别见图2、图3。

图2 不同氟石膏掺量地坪垫层混凝土的收缩率

图3 不同减缩剂掺量地坪垫层混凝土的收缩率

由图2可见，氟石膏的掺入对地坪垫层混凝土具有补偿收缩作用，未掺氟石膏时，28 d收缩率达564×10-6；氟石膏掺量为5%时，28 d收缩率为214×10-6，收缩率减小了60%，说明氟石膏掺入可以抑制地坪垫层混凝土的收缩。随着氟石膏掺量继续增加，收缩率减小并不明显。由图3可见，减缩剂未明显起到减小地坪垫层混凝土收缩的作用，混凝土自收缩主要发生在外部环境不产生水分交换的情况下，体系内部的水分由于参与到水泥的水化进程中不断消耗，为了补偿收缩水泥浆体，内部产生了大量微细孔，毛细孔中的水逐渐发展为不饱和状态，降低了水泥石内的相对湿度，在自干燥作用下，毛细孔内形成弯月面，增大了毛细孔压力，周围的水泥石产生真空向内拉紧力，从而使得混凝土收缩[7-8]。干硬性混凝土内部密实，大量连通孔被堵塞，毛细孔中水分较少，故而减缩剂对毛细孔中水的表面张力影响不明显。

2.3 XRD与SEM分析

H7试样水化产物的XRD图谱见图4，水化3 d、28 d的SEM照片见图5，水化3 d的EDS图谱及元素分析见图6、表6。

图4 H7试样水化产物的XRD图谱

图5 H7试样水化3 d、28 d的SEM照片

图6 H7试样水化3 d的EDS图谱

表6 水化产物的元素分析

由图4~图6以及表6可知，掺入氟石膏后，地坪垫层混凝土中明显出现水化产物AFt，说明氟石膏的加入影响了水泥的水化进程，进而对水化产物也产生一定的影响，3 d的XRD图谱中无明显的Ca（OH）2生成，说明水化初期是以AFt和水化硫铝酸钙胶凝材料为主，C-S-H凝胶相对偏少。水化3 d时水化产物中可见大量的针状钙钒石晶体生成，主要为Ca-Al-Si-O的胶凝材料（氢原子在能谱中无法显示），说明水化产物中也有水化硅酸钙、水化铝酸钙的存在。28 d龄期时，水化产物中有C-S-H胶凝材料的出现，同时仍存在钙钒石。

2.4 孔隙率分析

对H7试样进行孔隙率结构分析，结果见图7。不同氟石膏及减缩剂掺量地坪垫层混凝土的气孔含量分别见表7、表8。

图7 H7试样的孔径分布

表7 不同氟石膏掺量混凝土的气孔含量

表8 不同减缩剂掺量混凝土的气孔含量

由图7以及表7、表8可见，地坪垫层混凝土的孔以微孔为主，但在成型过程中会留有部分大孔。H7试样中的孔主要以0.05 mm以下的微孔为主。氟石膏的掺入会使得地坪垫层混凝土中1.0 mm以下的气孔含量减少，有助于减小混凝土的收缩率；减缩剂的掺入并没使得孔含量减少，对于是否导致孔结构变形，从而引起收缩率的变化，后期将做进一步研究。

3 工程应用

无锡某大型商业综合体，一层地面工地（约3000 m2）采用非粘结式地面垫层砂浆、上铺1 cm水磨石施工工艺，采用试验中H7配方进行配合比设计，以每8 m进行伸缩缝切割，并镶嵌铜条，施工后28 d对镶嵌的铜条部位进行观察，未出现明显收缩缝（见图8）。

图8 地坪垫层混凝土应用施工照片

4 结论

（1）氟石膏的掺入对地坪垫层混凝土强度有促进作用，氟石膏掺量在10%以内时，3 d抗压强度均提高20%以上，最大增长率达59%；28 d抗折抗压强度仍有一定的提高，未出现强度倒缩现象。

（2）氟石膏的掺入对于地坪垫层混凝土收缩有抑制作用，氟石膏掺量为水泥质量的5%时，28 d收缩率为214×10-6，收缩率较未掺氟石膏时降低了60%。减缩剂对抑制地坪垫层混凝土收缩率效果不明显。

（3）XRD和SEM分析显示，水化产物中有大量钙钒石生成，这也是掺入氟石膏对地坪垫层混凝土补偿收缩的原因。

（4）孔结构分析显示，掺氟石膏的地坪垫层混凝土中主要以0.05 mm以下的微孔为主，掺减缩剂对地坪垫层混凝土孔含量影响不明显。