過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土安定性控制方法研究

過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土安定性控制方法研究

林宗壽，呂治江

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

摘要：硅酸鹽水泥熟料摻量對(duì)過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土的后期強(qiáng)度影響很大，熟料摻量過(guò)高，過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土的后期強(qiáng)度將大幅度下降，甚至?xí)斐砂捕ㄐ圆涣?，使混凝土結(jié)構(gòu)破壞。該文對(duì)過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土安定性的控制方法進(jìn)行了探索，發(fā)現(xiàn)通常的水浸法不能在短期內(nèi)檢驗(yàn)過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土的安定性。控制過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土7 d強(qiáng)度增進(jìn)率，可有效控制過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土的后期強(qiáng)度，避免出現(xiàn)安定性不良現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：過(guò)硫磷石膏礦渣水泥；安定性；控制方法

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.004

Abstract:Addition of the portland cement clinker had great impact on the long-term strength of the excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete. Adding too much portland cement clinker would lead to a significant drop of the long-term strength of the excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete, and it would also cause poor soundness and damage to the concrete structure. This study explored the methods of controlling the soundness of the excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete. Researchers found that the normal water-immersion method could not test the soundness of the excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete in short-term. Researchers found that controlling the rate of 7 days strength development of the excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete could effectively control the long-term strength and the soundness of the excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete.

收稿日期：2015-04-23.

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2012AA06A112).

作者簡(jiǎn)介：林宗壽(1957-),教授.E-mail:13807182067@163.com

Study of Control Methods for the Soundness of the

Excess-sulfate Phosphogypsum Slag Cement Concrete

LINZong-shou,LVZhi-jiang

(The State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures,

Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070, China)

Key words:excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete;soundness;control methods

磷石膏是濕法磷酸生產(chǎn)時(shí)排放出的固體廢棄物，每生產(chǎn)1 t磷酸將產(chǎn)生5 t磷石膏。目前，我國(guó)磷石膏排放量每年已超過(guò)7 000萬(wàn)t，不但占用大量土地，而且還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和安全隱患。研究以磷石膏為主要原料的水泥及混凝土新品種，對(duì)于磷石膏的綜合利用、水泥工業(yè)的節(jié)能減排，具有十分重大的意義。

林宗壽等經(jīng)過(guò)多年研究,開發(fā)出一種磷石膏基免煅燒水泥,后經(jīng)“多元固廢復(fù)合制備高性能水泥及混凝土技術(shù)”“863”課題組研究,更名為“過(guò)硫磷石膏礦渣水泥”。過(guò)硫磷石膏礦渣水泥是一種采用40%～50%的磷石膏、40%～50%的礦渣、2%的鋼渣和約4%的硅酸鹽水泥熟料經(jīng)混合、粉磨制成的新型水硬性膠凝材料[1]。后續(xù)的研究人員對(duì)該品種水泥及其混凝土的組成和性能做了深入的研究[2-9]。

眾所周知，水泥最關(guān)鍵的性能是安定性，關(guān)系到混凝土結(jié)構(gòu)的安全。造成水泥安定性不良的原因有三個(gè)，一是f-CaO水化膨脹引起；二是方鎂石水化膨脹引起；三是后期形成大量鈣礬石膨脹引起。在過(guò)硫磷石膏礦渣水泥中，f-CaO和方鎂石的含量極少，不可能對(duì)過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土的安定性帶來(lái)影響。但是，過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土中存在大量的磷石膏，水化后期還有可能繼續(xù)形成大量的鈣礬石，造成膨脹，使混凝土安定性不合格或者造成過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土后期強(qiáng)度大幅度下降。資料[2]也指出了過(guò)硫磷石膏礦渣水泥在高堿度下會(huì)由于鈣礬石膨脹導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，并使最終強(qiáng)度降低。因此，傳統(tǒng)的沸煮法和壓蒸法不能檢驗(yàn)過(guò)硫磷石膏礦渣水泥的安定性，該文旨在研究一種切實(shí)可行的方法，以控制過(guò)硫磷石膏礦渣水泥及其混凝土的安定性。

1實(shí)驗(yàn)

1.1　原材料

礦渣粉：取自武漢武新新型材料有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦渣粉，密度為2.87 g/cm3，比表面積為440 m2/kg。

PO 42.5水泥：取自武漢鋼華水泥股份有限公司生產(chǎn)的PO 42.5普通硅酸鹽水泥，密度為3.09 g/cm3，比表面積為385 m2/kg。

改性磷石膏漿：取自湖北省大悟縣全興實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的改性磷石膏漿，其組成如表1所示。含固量為59.23%，0.08 mm篩篩余為2.0 %，pH值為12.62。

表1　改性磷石膏漿的組成

減水劑：采用聚羧酸減水劑母液，固含量為40%。

1.2　方法

水泥膠砂強(qiáng)度按GB/T17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行，并要求調(diào)整加水量，使膠砂流動(dòng)度在180～190 mm之間。

混凝土強(qiáng)度按GB/T50081—2011《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，并按下式計(jì)算7 d強(qiáng)度增進(jìn)率。

(1)

水泥安定性實(shí)驗(yàn)方法：

雷氏法安定性檢驗(yàn)，按GB/T1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行成型，在20 ℃，相對(duì)濕度90%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)48 h后，測(cè)定雷氏夾指針間距離d0，然后在規(guī)定溫度的水中再養(yǎng)護(hù)不同時(shí)間，測(cè)定雷氏夾指針之間的距離d，雷氏夾膨脹值按照d-d0計(jì)算得出，單位為mm。

試餅法安定性檢驗(yàn)，按照GB/T1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試餅成型，在20 ℃，相對(duì)濕度90%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)48 h后，然后在規(guī)定溫度的水中再養(yǎng)護(hù)不同時(shí)間。從養(yǎng)護(hù)水中取出試餅，目測(cè)試餅無(wú)裂縫，用直尺檢查沒(méi)有彎曲，則試餅安定性合格，否則為不合格。

2結(jié)果與分析

對(duì)于過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土而言，過(guò)硫磷石膏礦渣水泥漿中堿性物質(zhì)的含量大小不僅影響混凝土的強(qiáng)度，還影響混凝土的安定性。前期的研究已經(jīng)顯示[2]，提高過(guò)硫磷石膏礦渣水泥中硅酸鹽水泥熟料(或普通硅酸鹽水泥)的摻量，雖然可提高過(guò)硫磷石膏礦渣水泥的3 d強(qiáng)度，但后期強(qiáng)度會(huì)大幅度下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起安定性不良。為了研究PO42.5普通硅酸鹽水泥摻量對(duì)過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土強(qiáng)度的影響，按表2的配合比配制成過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土試塊，進(jìn)行混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可見(jiàn)，隨著過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土中PO42.5水泥摻量的增加，過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土的3 d強(qiáng)度顯著增加；7 d強(qiáng)度先是增加，但很快就出現(xiàn)下降；而28天強(qiáng)度，則隨著PO42.5水泥摻量的增加，出現(xiàn)大幅度降低的趨勢(shì)。而從7 d強(qiáng)度增進(jìn)率來(lái)看，隨著過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土中PO42.5水泥摻量的增加，也出現(xiàn)大幅度下降的趨勢(shì)。

混凝土的安定性，主要決定于混凝土中膠凝材料的安定性。為了研究表2中K1～K7混凝土試樣相對(duì)應(yīng)的過(guò)硫磷石膏礦渣水泥的安定性，按K1～K7過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土試樣中膠凝材料的實(shí)際配合比配制了一組對(duì)應(yīng)的過(guò)硫磷石膏礦渣水泥漿的試樣，如表3所示，各試樣中的水含量(包括改性磷石膏漿中的水)均固定為29.43%。由于過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土中膨脹源是鈣礬石，所以必須用水浸法進(jìn)行安定性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4～表8所示。

表2　過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土配合比及性能(濕基)

表3　過(guò)硫磷石膏礦渣水泥漿配比

表4　水溫20 ℃下安定性試驗(yàn)結(jié)果

表5　水溫30 ℃下安定性試驗(yàn)結(jié)果

表6　水溫40 ℃下安定性試驗(yàn)結(jié)果

表7　水溫50 ℃下安定性試驗(yàn)結(jié)果

表8　水溫60 ℃下安定性試驗(yàn)結(jié)果

由表4～表8可見(jiàn)，在水溫20 ℃和30 ℃條件下，所進(jìn)行的安定性試驗(yàn)，所有試樣的雷氏夾膨脹值均為0。提高養(yǎng)護(hù)水的溫度至40 ℃時(shí)，才有PO42.5水泥摻量較高的K16和K17兩個(gè)試樣發(fā)生0.5 mm的微膨脹。再提高養(yǎng)護(hù)水的溫度，K16試樣的膨脹值不變，K17試樣的膨脹值繼續(xù)提高。養(yǎng)護(hù)水溫度提高到60 ℃時(shí)，K17試樣的7 d膨脹值達(dá)到了4.0 mm，但也在合格范圍(≤5 mm)之內(nèi)。此外，由表4～表8的試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，用試餅法所做的安定性試驗(yàn)，所有試樣均為合格。說(shuō)明過(guò)硫磷石膏礦渣水泥漿，無(wú)論是用雷氏法還是用試餅法，都不能反映出過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土后期強(qiáng)度的變化情況，只有當(dāng)過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土后期強(qiáng)度下降非常巨大，混凝土結(jié)構(gòu)接近崩潰狀態(tài)時(shí)才會(huì)有所反映，如K7試樣28 d強(qiáng)度為22.6 MPa。因此，作者認(rèn)為用水浸法作為檢驗(yàn)過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土安定性的方法，是不夠靈敏的，無(wú)法避免混凝土由于鈣礬石膨脹所引起的后期強(qiáng)度的降低。

相反，由表2可見(jiàn)，過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土的7 d強(qiáng)度增進(jìn)率，卻非常靈敏地反映出了混凝土后期強(qiáng)度的變化。因此，將7 d強(qiáng)度增進(jìn)率作為控制指標(biāo)，可有效避免混凝土由于鈣礬石膨脹所引起的后期強(qiáng)度的大幅度下降，確保過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)，避免過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土出現(xiàn)安定性不良的現(xiàn)象。

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為確保過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)率和根據(jù)過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土制品的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土3 d到7 d的強(qiáng)度增進(jìn)率應(yīng)≥20%。

3結(jié)論

a.隨著過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土中PO42.5水泥摻量的提高，過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土3 d強(qiáng)度提高，但28 d強(qiáng)度下降。如果PO42.5水泥摻量過(guò)高，則過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土28 d強(qiáng)度將大幅度降低。

b.用水浸法不能在短期內(nèi)檢驗(yàn)出過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土的安定性是否合格。

c.過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土的7 d強(qiáng)度增進(jìn)率，可靈敏地反映出過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土后期強(qiáng)度的變化，可作為過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土安定性的控制指標(biāo)。

d.控制過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土3～7 d的強(qiáng)度增進(jìn)率≥20%，可避免過(guò)硫磷石膏礦渣水泥混凝土出現(xiàn)安定性不良的現(xiàn)象。

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