大掺量改性磷石膏基砂浆抗压强度性能研究.pdf

第 23 卷 第 4 期 中 国 水 运 Vol.23 No.4 2023 年 4 月 China Water Transport April 2023 收稿日期：2022-11-13 作者简介：王 虎，中铁十七局集团城市建设有限公司。大掺量改性磷石膏基砂浆抗压强度性能研究 王 虎（中铁十七局集团城市建设有限公司，贵州 贵阳 550025）摘 要：为提高磷石膏固废再利用的比例，文中以大掺量（60%）改性磷石膏替代水泥制备砂浆试件，探究改性磷石膏掺量、减水剂掺量、矿渣粉及硅灰等材料对砂浆试件抗压强度的影响规律。结果表明：60%、70%掺量改性磷石膏替代水泥制备砂浆导致其抗压强度显著降低，且其 28 d 抗压强度不超过基准组砂浆抗压强度的 31.0%。矿渣粉的掺入可显著提升砂浆的抗压强度，且 60%组改性磷石膏砂浆较 70%组 28 d 抗压强度提升更为明显。适量的硅灰掺入大幅度提升砂浆的早期抗压强度。减水剂掺量从 2.0%增加到 2.6%时，砂浆抗压强度先增加后降低，且减水剂掺量为 2.2%为最优掺量，此时砂浆 28d 抗压强度达到峰值为 31.6MPa。关键词：改性磷石膏砂浆；矿粉；硅灰；减水剂；抗压强度 中图分类号：TU522 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2023）04-0152-03 一、前言 磷石膏是磷肥工业的副产品，产量高、综合利用率低，堆存处理对周边环境污染严重1，2。目前，水泥基混凝土依然是各项工程建设如房屋，市政，交通，水利等工程的主要建筑材料，然而，水泥的生产不仅会排放大量的 CO2，而且消耗了大量的黏土、煤炭等不可再生能源3。因此，如何大规模、资源化的利用磷石膏等固废材料替代水泥或开发新型胶凝材料是当前亟待解决的关键性问题。原状磷石膏的主要成分为 CaSO22H2O，且含有磷、氟等有害杂质，不具有胶凝性。而通过高温煅烧对其进行热处理，可使其脱去 1.5 个结晶水，形成半水磷石膏，具有一定的胶凝性，但遇水瞬速凝结4，5。黄赟6等提出利用原状磷石膏为主要材料，添加矿渣、钢渣、水泥和少量碱性激发剂开发一种新型胶凝材料，通过组分设计及优化配合比可制备出 28d 抗压强度超过 40MPa 的水硬性胶凝材料。丁沙7、陈飞翔8等基于该新型胶凝材料制备磷石膏混凝土，分别研究其力学性能及耐久性能，结果表明，基于新型胶凝材料制备的混凝土可达到其强度设计等级，且复杂海盐环境下磷石膏混凝土具有良好的抗侵蚀性能。贺行洋9、何玉鑫10等基于半水磷石膏，添加矿物掺合料制备磷石膏复合胶凝材料，研究发现其硬化体具有体积安定性好、抗压强度及耐水性能优异的特点。综上所述，磷石膏在建筑材料中的研究中已取得一定的进展，但缺少大掺量磷石膏对砂浆强度的系统研究结果，且鲜有开展大掺量磷石膏砂浆强度提高的研究。文中提出以大掺量改性磷石膏（60%）替代水泥制备砂浆，探究大掺量改性磷石膏对砂浆强度性能的影响，分析矿粉、硅灰、减水剂等因素对大掺量改性磷石膏砂浆性能的改善效果，为大掺量改性磷石膏砂浆、混凝土等材料实际工程应用提供参考。二、实验 1试验原材料 改性磷石膏：磷石膏取自贵州开磷磷石膏综合利用有限公司，文中所用磷石膏皆通过高温煅烧（160，2h）进行热处理。水泥：贵阳市海螺牌 P.O 42.5 普通硅酸盐水泥。矿渣粉：S95 级粒化高炉矿渣粉。硅灰：SiO2含量 96%以上。机制砂：贵州地区机制山砂，细度模数 2.8。石膏缓凝剂：蛋白质类缓凝剂。减水剂：LZ-J2 聚羧酸高性能减水剂，减水率为 25%-27%。2试验配合比设计 以大掺量改性磷石膏替代水泥制备砂浆，选取水胶比为0.45，胶砂比 1：3，各参数条件下砂浆配合比如表 1.1 所示。其中，JZ 为水泥砂浆基准组，PG-60%、PG-70%分别为改性磷石膏掺量 60%、70%组砂浆，以矿渣粉取代剩余部分水泥，且固定矿渣粉与水泥比例为 1：1，探究矿渣粉对磷石膏基水泥砂浆 60%、70%组强度的影响规律（PGG-60%、PGG-70%），在此基础上，以 5%掺量的硅灰外掺入改性磷石膏砂浆（PGGS-60%、PGGS-70%），探究硅灰对大掺量改性磷石膏砂浆强度的影响。表 1 配合比 掺合料 编号 改性磷石膏取代率（%）水（kg/m3）水泥（kg/m3）改性磷石膏kg/m3）矿粉（%）硅灰（%）水灰比 砂（kg/m3）减水剂（%）缓凝剂（%）JZ 0 170 380 0 0 0 0.45 1,140 0.8 0 PG-60%60 170 152 228 0 0 0.45 1,140 2 0.3 PG-70%70 170 114 266 0 0 0.45 1,140 2 0.3 PGG-60%60 170 152 228 76 0 0.45 1,140 2 0.3 PGG-70%70 170 114 266 57 0 0.45 1,140 2 0.3 PGGS-60%60 170 152 228 76 5 0.45 1,140 2 0.3 PGGS-70%70 170 114 266 57 5 0.45 1,140 2 0.3 PGGS-60%60 170 152 228 76 5 0.45 1,140 2 0.3 PGGS-60%60 170 152 228 76 5 0.45 1,140 2.2 0.3 PGGS-60%60 170 152 228 76 5 0.45 1,140 2.4 0.3 PGGS-60%60 170 152 228 76 5 0.45 1,140 2.6 0.3 第 4 期 王 虎：大掺量改性磷石膏基砂浆抗压强度性能研究 153 3试件制备及测试 基于表 1 中设计砂浆配合比，将试验原材料机制砂、改性磷石膏、水泥、矿粉、硅灰等材料倒入混凝土搅拌机干拌30S，再加入水及减水剂搅拌 2mins。搅拌完成后，将砂浆浇筑于 70.7mm70.7mm70.7mm 砂浆标准模具中，分层振捣，并置于混凝土振动平台上振实。试件自然养护 24h后脱模，置于自然条件下养护。参照建筑砂浆基本性能试验方法（JCJ/T70-2009），采用 YAD-600 微机控制电液伺服压力试验机进行改性磷石膏砂浆抗压强度测试。三、试验结果与分析 1改性磷石膏掺量对砂浆抗压强度的影响 图 1 给出了大掺量改性磷石膏（60%、70%）替代水泥制备砂浆的抗压强度结果，由图可知，大掺量改性磷石膏替代水泥制备砂浆试件，导致其各龄期抗压强度显著变化，以改性磷石膏掺量 60%组为例（PG-60%），其 3、7 和 28d抗压强度分别为 6.9、10.1 和 13.6MPa，较基准组砂浆各龄期强度22.6、30.0和43.8MPa分别降低65.9%、66.3%、68.9%，即改性磷石膏基水泥砂浆各龄期抗压强度较基准组砂浆降低幅度逐渐增大。相较而言，改性磷石膏 60%、70%组砂浆试件 3、7d 抗压强度相差不大，而 70%组改性磷石膏砂浆 28d 抗压强度 11.7MPa，较 60%组改性磷石膏砂浆13.6MPa 降低 14.0%，结果表明随改性磷石膏掺量的增加，砂浆的抗压强度逐渐降低。主要原因是改性磷石膏主要成分为半水硫酸钙（1/2CaSO4），其性能弱于水泥，大掺量改性磷石膏替代水泥制备砂浆，导致砂浆内部提供主要强度的水化硅酸钙凝胶（C-S-H）的生成量大幅度降低，且改性磷石膏参与水化反应会生成大量的二水硫酸钙及具有膨胀性的钙矾石，此外，过量的改性磷石膏在水化过程中未反应完全填充在结构中不提供强度，因此导致改性磷石膏砂浆各龄期抗压强度较基准组砂浆降低皆超过 65.9%。改性磷石膏遇水反应速率快，优先析出二水硫酸钙晶体，相互搭接交织形成强度骨架，提供早期强度，即大掺量（60%、70%）改性磷石膏砂浆早期抗压强度相差不大。图 1 改性磷石膏掺量对砂浆抗压强度的影响 2矿渣粉对改性磷石膏砂浆抗压强度的影响 为改善大掺量改性磷石膏替代水泥导致砂浆强度大幅度降低情况，同时保证磷石膏利用率，采用矿渣粉取代剩余部分水泥，并固定矿渣粉与水泥比例为 1：1，探究矿渣粉对大掺量改性磷石膏基砂浆强度性能的改善作用，结果见图 2。由图可知，矿渣粉的掺入对大掺量改性磷石膏抗压强度影响显著。以 60%组改性磷石膏砂浆（含矿粉 PGG-60%）为例，适量的矿渣粉掺入砂浆时，大掺量改性磷石膏砂浆 3、7 和28d 抗压强度分别达到 9.9MPa、17.5 和 25.0MPa，较对照组（PG-60%）各龄期抗压强度分别提升 43.5%、73.3%、83.4%，但 PGG-60%组砂浆较基准组砂浆强度仍有大幅度的降低，其 28d 抗压强度仅是基准组砂浆强度的 57.1%，结果表明，适量的矿渣粉掺入大掺量改性磷石膏砂浆有利于提升砂浆各龄期抗压强度，且随着龄期的增加，砂浆强度提升的幅度逐渐增大，但大掺量改性磷石膏砂浆强度仍远低于基准组强度。主要原因是矿渣粉在碱性条件的激发下具有潜在的活性，而水泥的水化生成一定量的 Ca（OH）2，激发了矿粉材料的活性，生成一定量的钙矾石与 C-S-H 凝胶，优化了砂浆的内部结构，提高了砂浆的密实度，进而有利于提高大掺量改性磷石膏砂浆的强度。此外，由图 2 可知，70%组改性磷石膏砂浆（PGG-70%）7、28d 抗压强度较 PGG-60%仍有大幅度降低，但二者 3d 抗压强度仅相差 0.7MPa，差异不明显。主要原因是改性磷石膏材料性能弱于水泥，随改性磷石膏掺量的增加，相应水泥及矿渣粉掺量降低，即砂浆强度逐渐降低，而改性磷石膏遇水反应速率快，其水化产物主要提供早期强度，大掺量情况时，60%与 70%组改性磷石膏砂浆强度相差不明显。图 2 矿渣粉对改性磷石砂浆抗压强度的影响 3硅灰对改性磷石膏砂浆强度的影响 硅灰含大量 SiO2，颗粒细小，具有优异的火山灰与微集料效应，能够有效的改善磷石膏建筑材料的强度性能。本节在 2.2 节的研究基础上外掺 5%掺量的硅灰材料，探究硅灰对大掺量改性磷石膏砂浆强度的影响规律，见图 2。由图可知，当改性磷石膏掺量为 60%、硅灰外掺 5%时，大掺量高温改性砂浆（PGGS-60%），3、7 和 28d 抗压强度分别为10.7MPa、18.3 和 26.9MPa，较对照组（PGG-60%）各龄期抗压强度分别提升 8.1%、4.6%、7.6%，结果表明，硅灰材料 154 中 国 水 运 第 23 卷 有利于提升大掺量改性磷石膏各龄期抗压强度，但其对砂浆早期抗压强度的提升幅度更加明显。主要原因是硅灰材料颗粒细小、比表面积大、含有大量的 SiO2，水化过程中优先反应，生成额外 C-S-H 凝胶，提升砂浆基体的早期抗压强度。然而，硅灰的早期水化消耗了体系中的 OH-离子，一定程度上延缓了矿粉材料的水化，导致砂浆 7、28d 抗压强度较 3d抗压强度提升幅度有所降低。当改性磷石膏掺量为 70%时，外掺 5%的硅灰对砂浆抗压强度的影响规律与改性磷石膏掺量 60%组类似，其 3、7 和 28d 抗压强度分别为 10.3、13.1、21.8MPa，较对照组（PGG-70%）各龄期皆有所提升，且对砂浆 3d 抗压强度提升的幅度更加明显为 12.0%。但 70%组改性磷石膏砂浆（PGGS-70%）随改性磷石膏掺量的增加，其强度性能仍弱于 PGGS-60%。这表明 5%掺量的硅灰对大掺量改性磷石膏砂浆抗压强度起到了一定的提升作用，且主要提升砂浆的早期强度。图 3 硅灰对改性磷石砂浆抗压强度的影响 4减水剂含量对大掺量改性磷石膏砂浆强度的影响 为探究减水剂含量对大掺量改性磷石膏砂浆抗压强度的影响规律，本节在 2.3 节的研究基础上，以改性磷石膏掺量60%组砂浆为例，设计减水剂掺量分别为 2.0%、2.2%、2.4%、2.6%四种情况下的砂浆试件，结果见图 4。由图可知，不同减水剂掺量对大掺量改性磷石膏砂浆试件各龄期抗压强度影响显著。当减水剂掺量为 2.2%时，砂浆 3、7、28d抗压强度皆达到峰值，分别为 12.6、22.9、31.6MPa，较减水剂掺量为 2%时各龄期抗压强度分别提升 17.8%、25.1%、17.5%。而随减水剂掺量的继续增加，改性磷石膏砂浆各龄期抗压强度逐渐降低，减水剂掺量为 2.6%时，砂浆28d 抗压强度最低为 23.1MPa，较减水剂掺量 2%时砂浆强度 26.9MPa 降低 14.1%，结果表明减水剂掺量位于2%2.6%范围内，适量增加减水剂掺量能够有效的提升砂浆各龄期强度，而当减水剂过量时不利砂浆强度的形成。主要原因是适量的提升减水剂，降低了胶凝材料完全水化所需用水量，改善了改性磷石膏砂浆的稠度，提升了砂浆的流动性，有利于增加其密实性，提高其强度。而当减水剂掺量过多时，胶凝材料水化需水量减少，而体系中剩余水过量，导致砂浆和易性差，内部结构疏松，空隙较多，砂浆强度降低。四、结论 1大掺量改性磷石膏砂浆随改性磷石膏掺量的增加，其。图 4 减水剂对改性磷石砂浆抗压强度的影响 抗压强度逐渐降低，当改性磷石膏掺量为 60%时，砂浆 28d抗压强度仅为基准组砂浆强度的 31.1%；而改性磷石膏掺量增加到 70%时，砂浆抗压强度较 60%组砂浆强度降低不明显 2 矿渣粉掺入大掺量改性磷石膏砂浆有利于提升砂浆各龄期抗压强度，改性磷石膏掺量为 60%时，砂浆 28d 抗压强度较对照组砂浆强度提升 83.4%，且达到了基准组砂浆强度的 57.1%。外掺适量的硅灰材料能够进一步改善大掺量改性磷石膏的强度，且硅灰材料对砂浆的早期抗压强度更加明显。3 适量的减水剂能够有效的改善大掺量改性磷石膏砂浆的工作性能及力学性，减水剂掺量位于 2.0%-2.6%范围内，随减水剂产量的增加，砂浆强度先增加后降低。参考文献 1 汤建伟，强化科技创新和政策扶持促进磷石膏综合利用再上新台阶J.磷肥与复肥，2019，34（7）：I0005.2 Contreras M，Teixeira SR，Santos GTA，et al.Influence of the addition of phosphogypsum on some properties of ceramic tilesJ.Construction And Building Materials.2018；175：588-600.3 丁沙.过硫磷石膏矿渣水泥混凝土抗海盐侵蚀性能及机理研究D.武汉：武汉理工大学，2014.4 冯洋，杨林，曹建新等.磷石膏煅烧改性制备自流平砂浆的研究J.硅酸盐通报，2020，39（9）：2891-2897.5 程想，陈思翰，胡群.高温改性磷石膏基水泥砂浆强度性能研究J.非金属矿，2022，45（1）：37-40+45.6 赟黄.磷石膏基水泥的开发研究D.武汉：武汉理工大学，2010.7 陈飞翔，丁沙，水中和等.磷石膏矿渣基水泥混凝土配合比设计方法研究J.混凝土与水泥制品，2016，（6）：93-98.8 丁沙.过硫磷石膏矿渣水泥混凝土抗海盐侵蚀性能与机理性能研究D.武汉：武汉理工大学，2014.9 贺行洋，代飞，苏英等.磷石膏-水泥矿粉复合材料的性能研究J.硅酸盐通报，2017，36（8）：2673-2677.10 何玉鑫，华苏东，姚晓等.磷石膏矿渣基胶凝材料的制备及其性能研究J.无机盐工业，2012，44（10）：21-23.