現(xiàn)澆磷石膏抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

張華剛　吳琴　賈曉飛　陳紅鳥(niǎo)　馬克儉　趙敏　謝光亞

摘 要：在改性研究及工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，對(duì)磷石膏摻入磷渣微粉、熟石灰、水泥、減水劑和緩凝劑確定了9種材料配合比，按水灰比為0.43制作了52個(gè)立方體試件和33個(gè)棱柱體試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，還按第7種配合比制作8個(gè)比例為1/2的墻體模型進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)，結(jié)合前期研究結(jié)果確定現(xiàn)澆磷石膏的抗壓強(qiáng)度值.結(jié)果表明，棱柱體抗壓強(qiáng)度約為立方體抗壓強(qiáng)度的0.8倍，墻體中的現(xiàn)澆磷石膏抗壓強(qiáng)度約為棱柱體抗壓強(qiáng)度的0.68倍，材料容重可取14.0～15.0 kN/m3.以工程實(shí)例為基礎(chǔ)進(jìn)行了可靠度分析，建議現(xiàn)澆磷石膏的材料分項(xiàng)系數(shù)取1.9，并給出了按本文材料配合比的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值及設(shè)計(jì)值.

關(guān)鍵詞：現(xiàn)澆磷石膏；抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)；墻體；可靠指標(biāo)；材料分項(xiàng)系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU502.6；TU317.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2974（2016）03-0127-08

磷化工企業(yè)排放的磷石膏堆積后，其中的可溶性P2O5和氟化物等有害物質(zhì)會(huì)滲透進(jìn)土壤和水系而引起環(huán)境污染，因此對(duì)其治理已成為磷化工企業(yè)發(fā)展伴生的環(huán)保問(wèn)題[1].當(dāng)前在建筑工程中主要用磷石膏生產(chǎn)水泥、裝修材料及非承重隔墻的砌塊等，磷石膏利用率較低[2]，因此，有必要尋求磷石膏資源化利用的新途徑.

磷石膏原料主要含二水石膏，在常壓下焙燒脫水后成為β型半水石膏，水化后又還原為二水石膏[3].為了利用磷石膏漿體硬化后的強(qiáng)度，馬克儉等[4-5]提出將磷石膏現(xiàn)澆成墻用于建筑結(jié)構(gòu)，但澆筑后的初凝時(shí)間僅為3～5 min，現(xiàn)澆漿體的流動(dòng)性較差，游離水分蒸發(fā)緩慢，會(huì)導(dǎo)致墻體耐水性差，表面抹灰有空鼓、脫落等現(xiàn)象.曹建新等[6]通過(guò)摻入磷渣微粉、熟石灰、水泥、減水劑和緩凝劑等開(kāi)展了現(xiàn)澆磷石膏的改性研究，縮短了初凝時(shí)間、延長(zhǎng)了終凝時(shí)間、提出了材料的工程配合比.在不考慮現(xiàn)澆磷石膏強(qiáng)度和剛度貢獻(xiàn)條件下，張華剛等[7]在貴州甕福磷業(yè)集團(tuán)進(jìn)行了一棟12層住宅示范建筑的工程實(shí)踐，其結(jié)構(gòu)情況如圖1所示，按6度設(shè)防，樓板采用磷石膏預(yù)制模盒的箱型密肋板，外墻及分戶(hù)墻為混凝土網(wǎng)格式框架現(xiàn)澆磷石膏組合墻（磷石膏后澆），房間分隔墻采用非承重磷石膏砌塊砌筑，箱型密肋板和組合墻的總厚度均為300 mm.工程決算表明，鋼筋用量為43.8 kg/m2，混凝土用量為238 mm/m2，磷石膏用量為213 mm/m2，混凝土和磷石膏的用量基本持平，可見(jiàn)將磷石膏現(xiàn)澆用于建筑結(jié)構(gòu)是對(duì)其綜合利用的一條有效途徑.盧亞琴等[8]對(duì)組合墻進(jìn)行了試驗(yàn)研究，表明組合墻具有良好的力學(xué)性能.

通過(guò)工程實(shí)踐總結(jié)的磷石膏現(xiàn)澆工藝為：1）混凝土網(wǎng)格式框架驗(yàn)收；2）墻體模板制安并封堵；3）根據(jù)材料質(zhì)量配合比拌合現(xiàn)澆磷石膏物料；4）將物料流入料斗并泵送至模板內(nèi)，物料自流平并在30 min內(nèi)基本凝結(jié)，12 h后即可拆模.

伴隨工程實(shí)踐，盧亞琴等[9]測(cè)定了現(xiàn)澆磷石膏的放射性、含水率及凝結(jié)時(shí)間等基本性能.羅玚等[10]開(kāi)展了現(xiàn)澆磷石膏抗壓強(qiáng)度影響因素的試驗(yàn)研究，梁凡凡等[11]初步測(cè)定了其彈性模量和泊松比，上述兩個(gè)試驗(yàn)均在普通電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.由于現(xiàn)澆磷石膏的脆性較強(qiáng)，吳琴等[12]通過(guò)自制加載裝置開(kāi)展了現(xiàn)澆磷石膏應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的試驗(yàn)研究，給出了現(xiàn)澆磷石膏的本構(gòu)關(guān)系、測(cè)定了其彈性模量和泊松比.

材料強(qiáng)度是其工程應(yīng)用時(shí)的重要力學(xué)參數(shù)，本文共考慮現(xiàn)澆磷石膏的9種材料配合比進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和墻體軸心受壓試驗(yàn)，并以?xún)蓪蝇F(xiàn)澆磷石膏農(nóng)村住宅為基礎(chǔ)進(jìn)行墻體的可靠度分析，以期確定現(xiàn)澆磷石膏的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)并提出其材料分項(xiàng)系數(shù)，供工程應(yīng)用參考.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

磷石膏和磷渣微粉均取自貴州甕福磷業(yè)集團(tuán)，磷石膏的石膏相組成測(cè)定如表1所示；磷渣微粉的比表面積為380～420 m2/kg，化學(xué)成分見(jiàn)表2；熟石灰市購(gòu)，有效CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于60%；水泥為P.O325普通硅酸鹽水泥；減水劑為聚羧酸減水劑，濃度不低于10%；緩凝劑為檸檬酸鈉.

采用JMS-6490LV型掃描電子顯微鏡分別對(duì)磷石膏和磷渣微粉作形貌分析，結(jié)果如圖2所示[6]，其中圖2（a）照片的標(biāo)尺為100 μm，圖2（b）照片的標(biāo)尺為60 μm.磷石膏中的半水石膏晶體大體呈平行四邊形板狀.磷渣微粉顆粒呈“碎石”狀，有清晰的棱角而沒(méi)有固定的解理面.采用X射線(xiàn)衍射儀分析的結(jié)果如圖3所示[6]，磷渣微粉主要由玻璃組成，含少量假硅灰石、槍晶石及磷灰石，是一種具有潛在活性的火山質(zhì)材料，可充填在現(xiàn)澆后半水石膏晶體間的空隙內(nèi).

1.2 材料配合比

貴州甕福磷業(yè)集團(tuán)示范建筑采用的材料質(zhì)量配合比為：磷石膏80%，磷渣微粉17%，熟石灰3%，水泥2%，減水劑0.8%，緩凝劑0.3%，水灰比為0.43～0.46.現(xiàn)場(chǎng)配置材料時(shí)不可避免會(huì)存在偏差，因此本文采用磷石膏、磷渣微粉和熟石灰的質(zhì)量配合比總和為100%，水泥用量按上述混合物的質(zhì)量計(jì)算，拌合均勻后得到混合干物料，減水劑和緩凝劑的用量按混合干物料的質(zhì)量計(jì)算，考慮材料配合比的可能變化范圍并進(jìn)行交叉分析，得到如表3所示的9種質(zhì)量配合比，水灰比均為0.43.根據(jù)前期研究情況[10]，本文第7種配合比的緩凝劑摻入量分別為0.2%，0.3%和0.4%.

1.3 試件設(shè)計(jì)

按表3的配合比共制作了52個(gè)立方體試件和33個(gè)棱柱體試件，立方體試件的理論邊長(zhǎng)為100 mm，棱柱體試件的理論尺寸為100 mm×100 mm×300 mm.

工程應(yīng)用時(shí)，總希望采用較多的磷石膏，前期研究表明[10-11]，現(xiàn)澆磷石膏的強(qiáng)度隨緩凝劑用量的增大而呈下降趨勢(shì)，因此墻體軸心受壓試驗(yàn)采用了第7種配合比，以緩凝劑摻入量為0.3%按1/2縮尺比例制作試件，墻體試件的實(shí)測(cè)尺寸見(jiàn)表4，試件示意圖如圖4所示.

1.4 加載裝置及制度

1.4.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

普通壓力試驗(yàn)機(jī)的剛度較大而容易沖壞試件，因此抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用50 t油壓千斤頂施加軸心壓力，加載裝置如圖5所示.由于試件幾何對(duì)中的誤差及磷石膏的脆性性質(zhì)影響，采用成品荷載傳感器將高估試件的破壞荷載，因此本文用Q235[14a槽鋼自制荷載傳感器，荷載由傳感器四面應(yīng)變的中間數(shù)值換算得到.

試件達(dá)到28 d齡期后以0.5～1.5 MPa/s的速度勻速加載，在進(jìn)行抗壓強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，試件的承壓面邊長(zhǎng)精確到1 mm.

2.2 破壞狀態(tài)

2.2.1 立方體試件的破壞狀態(tài)

立方體試件的典型破壞狀態(tài)大體可分為錐形破壞和劈裂破壞兩種.劈裂破壞面主要為垂直面和45°角面，如圖7（a）所示；錐形破壞狀態(tài)如圖7（b）所示.兩種破壞狀態(tài)的試件數(shù)量大體相當(dāng)，且破壞狀態(tài)和材料配合比之間沒(méi)有必然聯(lián)系.試件破壞面上可見(jiàn)直徑約3～5 mm空洞和石灰粉團(tuán)，空洞是由于材料攪拌和凝結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生的氣泡所致，這是現(xiàn)澆磷石膏的客觀缺陷；對(duì)于石灰粉團(tuán)，在混合干物料拌合時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)攪拌，以便盡可能予以消除.

2.2.2 棱柱體試件的破壞狀態(tài)

棱柱體試件的破壞狀態(tài)主要表現(xiàn)為劈裂破壞，部分試件被劈裂為多個(gè)柱體，破壞情況如圖8所示.試件破壞面上仍然可見(jiàn)直徑約3～5 mm的空洞和石灰粉團(tuán).試驗(yàn)過(guò)程中未見(jiàn)試件上產(chǎn)生斜向主裂縫.

2.2.3 墻體軸心受壓的破壞狀態(tài)

全部墻體試件均站立澆筑，其中Q-2b和Q-4a由于模板安裝原因?qū)е聣w垂直度偏差較大，手工打磨已不可能糾偏，因此破壞狀態(tài)為墻體根部折斷，其余試件的破壞狀態(tài)主要表現(xiàn)為劈裂破壞，如圖9（a）所示.部分試件在加載板下約1倍墻厚位置可見(jiàn)水平走向的裂縫，如圖9（b）所示，這主要是由于加載板下橡膠墊橫向膨脹產(chǎn)生的水平力導(dǎo)致的.

2.3 抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

棱柱體試件3c和3f在脫模時(shí)尺寸損失嚴(yán)重而未加載.全部立方體試件和31個(gè)棱柱體試件的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果分別如表6和表7所示，表6和表7中還分別給出了文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]的測(cè)試結(jié)果.

由于目前尚無(wú)現(xiàn)澆磷石膏的試驗(yàn)方法，參考混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，本文每種配合比的抗壓強(qiáng)度按下述原則評(píng)定：1）按測(cè)試結(jié)果的算術(shù)平均值計(jì)算抗壓強(qiáng)度；2）當(dāng)試件數(shù)量為3個(gè)時(shí)，如最大值或最小值中有一個(gè)與中間值的差值超過(guò)20%，以中間值作為抗壓強(qiáng)度；如最大值和最小值與中間值的差值均超過(guò)20%，則測(cè)試結(jié)果無(wú)效；3）試件數(shù)量超過(guò)3個(gè)時(shí)，當(dāng)最大值或最小值中有1個(gè)與中間值的差值超過(guò)20%，或兩者均超過(guò)中間值的20%，則一并舍去最大值與最小值，按剩余結(jié)果的算術(shù)平均值計(jì)算抗壓強(qiáng)度.

3 結(jié) 論

1）不同磷酸廠排放的磷石膏，其石膏相不盡相同，當(dāng)半水石膏的含量滿(mǎn)足GB/T9776《建筑石膏》的要求時(shí)，本文材料配合比可供工程應(yīng)用參考，其中石灰用于中和磷石膏的酸性，磷渣微粉用于充填還原后的二水石膏晶體空隙以提高現(xiàn)澆磷石膏的耐水性，水泥主要用于消耗無(wú)水石膏，采用減水劑降低澆筑用水量，緩凝劑主要用來(lái)延緩石膏漿體的凝結(jié)時(shí)間.

2）按本文的材料質(zhì)量配合比，現(xiàn)澆磷石膏的容重可取14.0～15.0 kN/m3.

3）立方體試件的受壓破壞主要為劈裂破壞和錐形破壞，棱柱體和墻體試件的受壓破壞主要為劈裂破壞.破壞狀態(tài)和材料配合比沒(méi)有必然聯(lián)系.

4）本文采用的摻合料，水泥對(duì)現(xiàn)澆磷石膏的抗壓強(qiáng)度影響不大，而緩凝劑對(duì)其抗壓強(qiáng)度影響顯著，隨緩凝劑用量增大，現(xiàn)澆磷石膏的抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，建議緩凝劑用量取0.2%～0.4%.全部試件的棱柱體抗壓強(qiáng)度約為立方體抗壓強(qiáng)度的0.8倍，墻體中的現(xiàn)澆磷石膏抗壓強(qiáng)度約為棱柱體試件抗壓強(qiáng)度的0.68倍.

5）可靠度分析表明，現(xiàn)澆磷石膏的材料分項(xiàng)系數(shù)可取1.9，本文提供的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可供工程應(yīng)用參考，當(dāng)緩凝劑摻入量為0.2%～0.4%時(shí)，現(xiàn)澆磷石膏的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可取2.9 MPa.

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