楊蕓

（武漢城市學(xué)院，湖北 武漢 430083）

0 引言

磷石膏基膠凝材料主要是由磷石膏與工業(yè)固體廢棄物（如粉煤灰、礦渣、磷渣等）和水泥制備的復(fù)合膠凝材料。目前國內(nèi)外關(guān)于磷石膏基混凝土的研究比較少，而我國磷石膏主要用于土壤改良、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物降解、化工產(chǎn)品、石膏建材產(chǎn)品等[1-2]，用量偏少且制備材料性能一般，若大摻量磷石膏制備混凝土的方法能應(yīng)用于實(shí)際，既可以大量利用廢渣磷石膏，又可以解決環(huán)境污染問題[3]。磷石膏的主要成分為CaSO4·2H2O，此外還含有不溶性雜質(zhì)（石英、未分解的磷灰石、不溶性P2O5、共晶P2O5、氟化物及氟、鋁、鎂的磷酸鹽和硫酸鹽）和可溶性雜質(zhì)（水溶性P2O5，溶解度較低氟化物和硫酸鹽）[4]。磷石膏通常為深灰色、灰白色或微黃色潮濕的細(xì)粉末，主要以針狀晶體、板狀晶體、密實(shí)晶體、多晶核晶體等4種結(jié)晶形式存在[5]。目前世界磷石膏年排放量達(dá)3億t，我國的年排放量已超過5000萬t，占工業(yè)副產(chǎn)石膏的70%以上，因此，磷石膏基膠凝材料有著廣闊的應(yīng)用前景和研究必要。

本文首先確定研究磷石膏基膠凝材料的最優(yōu)制備工藝及性能，然后摻入定量的鎂鹽晶須于磷石膏基膠凝材料中，輔以適量的外加劑進(jìn)行改性，研究鎂鹽晶須對磷石膏基膠凝材料強(qiáng)度和耐久性的影響，為磷石膏基膠凝材料的應(yīng)用及進(jìn)一步工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

磷石膏：灰白色粉末，主要成分為CaSO4·2H2O，微觀形貌見圖1；超細(xì)礦渣粉（SG）：比表面積800 m2/kg，主要化學(xué)成分見表1；鎂鹽晶須：市售，針狀纖維，白色粉體松散顆粒，主要成分為MgSO4·5Mg（OH）2·3H2O，白度（熒光白度）≥93，主要技術(shù)性能見表2；水泥（PC）：P·O42.5水泥，比表面積366 m2/kg，主要性能見表3。

圖1 磷石膏的SEM照片

表1 超細(xì)礦渣粉的主要化學(xué)成分 %

表2 鎂鹽晶須的物理性能

表3 水泥的主要技術(shù)性能

1.2 實(shí)驗(yàn)配比

固定磷石膏、礦渣、水泥的質(zhì)量比為5∶4∶1，水膠比為0.35，鎂鹽晶須摻量為膠凝摻量質(zhì)量的0~5.0%。將制備的試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，然后再在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

1.3 測試與表征

凝結(jié)時間：參照GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗(yàn)方法》進(jìn)行測試；抗壓、抗折強(qiáng)度：參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行測試；抗沖擊強(qiáng)度：參照J(rèn)C/T 951—2005《水泥砂漿抗裂性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試；pH值：取標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的試樣用研缽砸碎研磨成粉末狀，過250目篩，用去離子水按照水固比10∶1配制溶液，振蕩后靜置24 h，用離心機(jī)進(jìn)行離心，取上層清液，用pH計(jì)進(jìn)行測試；采用日本電子公司生產(chǎn)的JSM-5900型掃描電鏡觀察樣品的微觀形貌，掃描電壓為15 kV，分辨率為3~6 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 鎂鹽晶須摻量對磷石膏基膠凝材料凝結(jié)時間的影響（見表4）

表4 鎂鹽晶須摻量對磷石膏基膠凝材料凝結(jié)時間的影響

由表4可見：隨著鎂鹽晶須摻量的增加，磷石膏基膠凝材料的凝結(jié)時間逐漸延長，當(dāng)鎂鹽晶須摻量為3%時，終凝時間較未摻鎂鹽晶須的延長了3.7%。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻入5%鎂鹽晶須后，凈漿在成型過程中稠度較大且流動度較小，不利于成型，而且成型后會發(fā)生一定的收縮開裂，影響材料性能，且隨著鎂鹽晶須摻量的增加，成本也會提高；當(dāng)鎂鹽晶須摻量較低時，磷石膏基膠凝材料的凝結(jié)時間變化較小。從凝結(jié)時間角度考慮，鎂鹽晶須的適宜摻量為3%。

2.2 鎂鹽晶須摻量對磷石膏基膠凝材料力學(xué)性能的影響

2.2.1 對磷石膏基膠凝材料抗壓強(qiáng)度的影響（見圖2）

圖2 鎂鹽晶須摻量對磷石膏基膠凝材料抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2可見，鎂鹽晶須摻量為2%、3%時，試樣各齡期的抗壓強(qiáng)度均較未摻鎂鹽晶須的空白樣有明顯提高；而當(dāng)鎂鹽晶須摻量為1%時，試樣的3、7 d抗壓強(qiáng)度低于空白樣，但28 d抗壓強(qiáng)度大幅提高。當(dāng)摻入1%、2%、3%鎂鹽晶須時，與空白樣相比，3 d抗壓強(qiáng)度增長率分別為-2.3%、40.7%、70.5%；7 d抗壓強(qiáng)度增長率分別為-1.2%、6.8%、41.3%；28 d抗壓強(qiáng)度增長率分別為31.5%、24.3%、26.1%。鎂鹽晶須摻量相同時，試樣的早期強(qiáng)度增幅大于后期增幅。這是因?yàn)榱资嗷z凝材料會因?yàn)榛w中的磷石膏組分導(dǎo)致后期強(qiáng)度偏低，隨著時間的延長，磷石膏基膠凝材料中的膠凝組分水化完畢，各組分達(dá)到其最高強(qiáng)度，進(jìn)而降低了鎂鹽晶的增強(qiáng)作用。

2.2.2 對磷石膏基膠凝材料抗折強(qiáng)度的影響（見圖3）

圖3 鎂鹽晶須摻量對磷石膏基膠凝材料抗折強(qiáng)度的影響

由圖3可見，隨著鎂鹽晶須的摻入，試樣的抗折強(qiáng)度明顯提高。當(dāng)摻入1%、2%、3%鎂鹽晶須時，與空白樣相比，3 d抗折強(qiáng)度分別提高了11.5%、32.3%、33.5%；7 d抗折強(qiáng)度分別提高了9.2%、29.3%、39.8%；14 d抗折強(qiáng)度分別提高了6.6%、16.2%、44.5%；28 d抗折強(qiáng)度分別提高了10.2%、32.7%、50.1%。且隨著齡期的延長，抗折強(qiáng)度明顯提高。其原是在于，早期膠凝材料基體與鎂鹽晶須之間的界面粘附性較低，鎂鹽晶須容易被排出，但隨著時間的延長，鎂鹽晶須與基體的界面粘附性增強(qiáng)，晶須增強(qiáng)材料的優(yōu)異性能逐漸體現(xiàn)出來，并且越明顯。

2.2.3 對磷石膏基膠凝材料抗沖擊強(qiáng)度的影響（見圖4）

圖4 鎂鹽晶須摻量對磷石膏基膠凝材料抗沖擊強(qiáng)度的影響

由圖4可見，隨著鎂鹽晶須的摻入，試樣的抗沖擊強(qiáng)度較空白樣有所提高，但增幅基本不超過5%。摻入1%、2%、3%鎂鹽晶須時，與空白樣相比，3 d抗沖擊強(qiáng)度分別提高了4%、1%、4%；7 d抗沖擊強(qiáng)度分別提高了3%、3%、4%；14 d抗沖擊強(qiáng)度分別提高了3%、5%、4%；28 d抗沖擊強(qiáng)度分別提高了-2%、2%、5%?？梢钥闯?，鎂鹽晶須對磷石膏基膠凝材料的抗沖性能影響不明顯。

2.3 鎂鹽晶須摻量對磷石膏基膠凝材料pH值的影響（見圖5）

由圖5可見，在3~28 d齡期內(nèi)，2組試樣的pH差值在0.15~0.28，變化較小。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，2組試樣的pH值均有一定幅度的下降，這說明基體中的組分隨著齡期的延長，逐漸與材料中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。2組試樣的pH值以相對穩(wěn)定的幅度下降，可以得出鎂鹽晶須在磷石膏基膠凝材料中并無直接參與水化過程，晶須在高堿性環(huán)境中具有良好耐久性[6]。

3 結(jié)論

（1）摻入鎂鹽晶須，磷石膏基膠凝材料的凝結(jié)時間會有一定延長，但摻量過少時對凝結(jié)時間影響不大，摻量過多時不利于成型。當(dāng)鎂鹽晶須摻量為3%時，終凝時間較空白樣延長了3.7%。

（2）摻入鎂鹽晶須，可使磷石膏基膠凝材料的抗壓和抗折強(qiáng)度較空白樣明顯提高。當(dāng)鎂鹽晶須摻量為3%時，試樣的3、7、28 d抗壓強(qiáng)度較空白樣分別提高了70.5%、41.3%、26.1%，3、7、14、28 d抗折強(qiáng)度較空白樣分別提高了33.5%、39.8%、44.5%、50.1%。鎂鹽晶須對磷石膏基膠凝材料的抗沖擊性能無明顯改善作用。

（3）摻加3%鎂鹽晶須后，試樣的pH值有一定的降低，鎂鹽晶須不參與水化過程，其在高堿性環(huán)境中具有良好耐久性。