改性磷石膏免燒透水磚的制備與性能

李 征

(1.北京新橋技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100088;2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院,北京 100088)

0 引言

綠色可持續(xù)發(fā)展既是交通強(qiáng)國建設(shè)的重要抓手，也是現(xiàn)代交通業(yè)的重要特征。隨著我國對(duì)綠色、生態(tài)、節(jié)能理念的進(jìn)一步推進(jìn)，海綿城市和海綿服務(wù)區(qū)的理念受到越來越多的重視，透水鋪裝是解決水資源利用、生態(tài)修復(fù)的有效措施之一[1-2]。透水磚是透水鋪裝的一種形式，結(jié)構(gòu)上的大量空隙使雨水能夠順利進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而達(dá)到雨水還原地下的目的，此外還能夠吸收車輛行駛時(shí)產(chǎn)生的噪聲。透水磚獨(dú)特的自身優(yōu)勢(shì)，使其不斷受到廣泛關(guān)注，僅北京、上海等一線城市的總需求量已經(jīng)超過1億m2以上[3-4]，具有較高的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

透水磚從生產(chǎn)工藝上主要分為燒結(jié)型和免燒型[5]。前者是經(jīng)高溫?zé)Y(jié)得到；后者主要由混凝土材料制備，無需在高溫條件下制得，又可以結(jié)合大量廢舊材料，大大地降低了能源的損耗，成為新型綠色節(jié)能生態(tài)材料。

磷石膏是磷化工企業(yè)在濕法制造磷酸過程中排出的工業(yè)廢渣，主要成分為二水石膏(CaSO4·2H2O)，以及少量未完全分解的磷礦、氟化合物、磷酸、重金屬等雜質(zhì)。我國磷石膏的年均排放量近8 000 萬t[6]，加上歷年堆積未處理的磷石膏，總量已超過5億t[7-8]。目前，僅有15%的磷石膏在水泥緩凝劑、建筑材料、農(nóng)業(yè)土壤改良等領(lǐng)域內(nèi)得到了資源循環(huán)利用[9]，絕大部分磷石膏露天堆置、占據(jù)大片土地，且其中的酸性物質(zhì)及其他有害重金屬容易對(duì)周邊環(huán)境造成污染。我國也相繼發(fā)布政策指導(dǎo)文件，加快磷石膏綜合治理與再利用工作[10]。由此可見，對(duì)磷石膏減量化、資源化利用的需求越來越迫切。

本研究針對(duì)磷石膏的物理化學(xué)特性，將改性磷石膏應(yīng)用到免燒透水磚中，設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究改性磷石膏摻量在30%的條件下免燒透水磚，得到磷石膏pH值、磷石膏球磨時(shí)間及聚合物乳液摻量對(duì)透水磚性能指標(biāo)的影響規(guī)律，在減輕生態(tài)負(fù)擔(dān)的同時(shí)，對(duì)于工程實(shí)踐及實(shí)際應(yīng)用具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

1 原材料與試驗(yàn)

1.1 原材料

(1)水泥

選用P.O 42.5水泥，水泥質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)[11]。主要物理性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥主要性能指標(biāo)

(2)磷石膏

選用云南工業(yè)廢渣磷石膏，淡黃色粉體，自然狀態(tài)下含水率約4.5%，pH=3.6，主要化學(xué)成分見表2。

表2 磷石膏主要化學(xué)成分

(3)集料

試驗(yàn)中篩取粒徑為5～10 mm的集料備用，主要性能指標(biāo)見表3。

表3 集料主要性能指標(biāo)

(4)外加劑

選用KS-199聚羧酸減水劑，主要性能指標(biāo)見表4。推薦摻量為0.8%～1.5%，通過減水劑調(diào)整拌和物的工作狀態(tài)，當(dāng)拌和物用手能輕松攥成團(tuán)，表面出現(xiàn)光澤，說明拌和物和易性好[12]。

表4 減水劑主要性能指標(biāo)

選用BC-01苯丙乳液，主要技術(shù)參數(shù)見表5。

表5 BC-01苯丙乳液主要技術(shù)參數(shù)

(5)水

本試驗(yàn)所采用的拌和水均為普通自來水。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

(1)配合比設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率為25%，水膠比為0.30，磷石膏摻量按膠凝材料總質(zhì)量的30%采用內(nèi)摻法計(jì)。通過體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化，計(jì)算得到透水磚初步配合比見表6。

表6 初步配合比(單位：kg/m3)

(2)影響因素

①磷石膏pH值

未改性的磷石膏含有磷酸(H3PO4)和氫氟酸(HF)，pH值為3。為消除磷石膏中酸性緩凝雜質(zhì)對(duì)試件的危害，將對(duì)磷石膏進(jìn)行改性[13]。通過摻加堿性物質(zhì)，能中和磷石膏中的酸性，促進(jìn)基體早期堿度的增長和水化反映的進(jìn)程，從而提高基體強(qiáng)度[14]。通過添加生石灰作為填料調(diào)整磷石膏的pH值，根據(jù)pH為8，10和12時(shí)的數(shù)值來確定生石灰的摻量。

②磷石膏球磨時(shí)間

球磨使磷石膏中的規(guī)則而均勻的二水石膏晶體遭到破壞，使其顆粒形貌呈柱狀、板狀、粒狀等多樣化[15]。磷石膏經(jīng)球磨后顆粒粒度變小，比表面積進(jìn)一步降低，增加膠結(jié)材料的流動(dòng)性，顆粒較小的磷石膏充當(dāng)細(xì)集料在凝膠材料中均勻分散，起到微集料效應(yīng)[16]，從根本上改善了硬化體結(jié)構(gòu)疏松的缺陷。球磨時(shí)間過多或過少，會(huì)影響透水磚內(nèi)部的連續(xù)空隙率，導(dǎo)致透水系數(shù)產(chǎn)生較大變化。因此，本研究選用磷石膏球磨時(shí)間的4個(gè)水平分別為：球磨0 min，球磨3 min，球磨5 min，球磨9 min的磷石膏，其比表面積分別為1 707，3 755，4 476，8 825 cm2/g。

③聚合物乳液摻量

本研究中選用苯丙乳液作為增強(qiáng)劑，作用是通過聚合物在膠材中的交聯(lián)來提高骨料中點(diǎn)與點(diǎn)之間的黏結(jié)強(qiáng)度，使膠結(jié)體結(jié)構(gòu)密實(shí)度更高，提升透水性能[17-18]。本研究采用摻量為(以水泥用量為基準(zhǔn))：0，1%，2%，3%。

(3)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用磷石膏pH值、磷石膏球磨時(shí)間及聚合物乳液摻量作為正交試驗(yàn)的3個(gè)因素，每個(gè)因素設(shè)置4個(gè)水平，不考慮因素之間的交互作用以簡(jiǎn)化結(jié)果分析，查正交設(shè)計(jì)表[19]，選用L16(34)正交表安排16個(gè)試驗(yàn)，經(jīng)試配后確定因素水平設(shè)置如表7所示。

表7 正交試驗(yàn)因素水平

1.3 試件制備

攪拌工藝：按上述配合比稱取原材料，采用砂漿攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌。先將集料與約50%的水?dāng)嚢杈鶆?，?dāng)集料表面處于飽和面干狀態(tài)后，加入膠凝材料及剩余的水和外加劑，繼續(xù)拌和，拌和時(shí)間5 min。

成型工藝：將拌和物裝入200 mm×100 mm×60 mm 模具和Φ75 mm×60 mm模具中，插搗、振搗密實(shí)，靜壓工藝模壓成型(30 MPa)，加載速率為1～3 kN/s，穩(wěn)壓20 s，脫模后置于20 ℃，90%RH下經(jīng)過濕養(yǎng)護(hù)規(guī)定齡期，測(cè)試相關(guān)性能。

1.4 性能檢測(cè)

(1)劈裂抗拉強(qiáng)度

參照《透水路面磚和透水路面板》(GB/T 25993—2010)對(duì)透水磚的劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。采用WDW1020微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)，加載速率為1～3 kN/s。

(2)透水系數(shù)

參照《透水路面磚和透水路面板》(GB/T 25993—2010)對(duì)透水磚的透水系數(shù)進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 極差分析

改性磷石膏免燒透水磚28 d劈裂抗拉強(qiáng)度及透水系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果詳見表8。由表8可知，各因素不同水平摻量下：28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度變化幅度范圍為3.06～3.53 MPa。透水系數(shù)幅度變化范圍為2.1×10-2～ 2.8×10-2cm/s。

表8 正交試驗(yàn)結(jié)果

改性磷石膏免燒透水磚28 d劈裂抗拉強(qiáng)度及透水系數(shù)的極差分析計(jì)算結(jié)果詳見表9。從表9中各因素Rj1的大小關(guān)系:0.21(A)>0.15(B)>0.09(C)，可以推導(dǎo)出影響劈裂抗拉強(qiáng)度的主次順序是：磷石膏pH值>磷石膏球磨時(shí)間>聚合物乳液摻量。

表9 正交試驗(yàn)極差分析表

從表9中各因素Rj2的大小關(guān)系:0.003(C)>0.002(B)>0.001(A)，可以推導(dǎo)出影響透水系數(shù)的主次順序是：磷石膏球磨時(shí)間>磷石膏pH值>聚合物乳液摻量。

由此可以看出，磷石膏pH值對(duì)強(qiáng)度影響最大，磷石膏球磨時(shí)間對(duì)透水系數(shù)影響最大。

2.2 因素水平分析

采用正交試驗(yàn)，通過綜合分析法從3個(gè)因素中找到最優(yōu)組合，見圖1～圖3。

(1)磷石膏pH值對(duì)透水磚性能的影響

由圖1可知，透水磚的強(qiáng)度隨著磷石膏的pH值先增加后降低。當(dāng)pH值調(diào)整為10時(shí)，透水磚的劈裂抗拉強(qiáng)度處于最優(yōu)狀態(tài)。這是因?yàn)槲锤男缘牧资喑仕嵝裕瑫?huì)大量消耗水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2從而影響試件的強(qiáng)度發(fā)展。通過摻加生石灰調(diào)整磷石膏的pH值，可以促進(jìn)試件水化反應(yīng)的進(jìn)程和堿度的增長從而提高強(qiáng)度。對(duì)于透水系數(shù)而言，隨著磷石膏的pH值升高逐漸降低，呈現(xiàn)先加速下降后逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)。我們發(fā)現(xiàn)，透水磚的力學(xué)性能和透水性是一對(duì)相互矛盾的指標(biāo)：力學(xué)性能好，透水性就差，反之，透水性好，力學(xué)性能就會(huì)降低。綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本及透水磚相關(guān)性能，特選取pH值為10的磷石膏為最佳pH值。

圖1 磷石膏pH值綜合分析曲線

(2)磷石膏球磨時(shí)間對(duì)透水磚性能的影響

由圖2可知，透水磚的強(qiáng)度隨著磷石膏球磨時(shí)間的增加先增大后減少，當(dāng)磷石膏球磨3 min時(shí)，透水磚的劈裂抗拉強(qiáng)度處于最優(yōu)狀態(tài)。透水磚的透水系數(shù)隨著磷石膏的球磨時(shí)間的增加先下降后趨于穩(wěn)定，在球磨3 min后，磷石膏的透水系數(shù)降低不再明顯。為了提高磷石膏水泥復(fù)合凝膠材料的性能，同時(shí)節(jié)約能源，磷石膏改性的最佳球磨時(shí)間設(shè)置在3 min。

圖2 磷石膏球磨時(shí)間綜合分析曲線

(3)聚合物乳液對(duì)透水磚性能的影響

由圖3可以看出，通過摻加聚合物乳液質(zhì)量為膠凝材料的2%時(shí)，對(duì)透水磚的劈裂抗拉強(qiáng)度處于最優(yōu)狀態(tài)。透水系數(shù)隨著聚合物乳液摻量的增加先加速下降后逐漸平穩(wěn)，在聚合物乳液摻量為2%后，磷石膏的透水系數(shù)降低不再明顯。為了提高磷石膏水泥復(fù)合凝膠材料的性能，同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益，磷石膏改性的聚合物乳液含量設(shè)置為2%。

圖3 聚合物乳液含量綜合分析曲線

由驗(yàn)證性試驗(yàn)可知，摻入30%磷石膏的透水磚，其透水系數(shù)一直保持在2.1×10-2cm/s以上，滿足規(guī)范要求，故透水系數(shù)在本研究中不作考量。綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益及透水磚相關(guān)性能，選擇磷石膏pH值為10，球磨時(shí)間設(shè)置為3 min，聚合物乳液含量為2%為最佳組合。

2.3 生產(chǎn)驗(yàn)證

根據(jù)上述分析，選擇磷石膏pH值為10，球磨時(shí)間設(shè)置為3 min，聚合物乳液含量為2%時(shí)進(jìn)行改性磷石膏免燒透水磚的生產(chǎn)。批量生產(chǎn)抽樣實(shí)測(cè)該透水磚28 d劈裂抗拉強(qiáng)度為3.57 MPa，透水系數(shù)為2.1×10-2cm/s，滿足《透水路面磚和透水路面板》(GB/T 25993—2010)標(biāo)準(zhǔn)要求。

由于批量生產(chǎn)，試樣拌和均勻性及壓磚機(jī)的穩(wěn)定性要優(yōu)于試驗(yàn)室制備試樣，透水磚骨料結(jié)合更加緊密牢固，故力學(xué)性能有少許提高及透水系數(shù)有略微降低。

3 結(jié)論

本研究以磷石膏pH值、磷石膏球磨時(shí)間及聚合物乳液摻量為影響因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，進(jìn)行30%改性磷石膏取代膠凝材料制備透水磚及性能研究。通過極差分析、影響因素分析及生產(chǎn)驗(yàn)證，得出滿足改性磷石膏透水磚性能的最優(yōu)配合比。

(1)磷石膏的pH值是改性磷石膏透水磚的劈裂抗拉強(qiáng)度影響最重要的因素，在磷石膏pH值相同的情況下，磷石膏的球磨時(shí)間和聚合物乳液含量也是決定透水磚強(qiáng)度的影響因素。

(2)聚合物乳液含量是改性磷石膏透水磚的透水性能最重要的因素，其次是磷石膏的球磨時(shí)間和磷石膏的pH值。

(3)通過因素水平分析與室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證，得到改性磷石膏免燒透水磚的最佳配合比是磷石膏pH值為10，球磨時(shí)間設(shè)置為3 min，聚合物乳液含量為2%。

(4)經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，透水磚28 d劈裂抗拉強(qiáng)度為3.57 MPa，透水系數(shù)為2.1×10-2cm/s，滿足《透水路面磚和透水路面板》(GB/T 25993—2010)標(biāo)準(zhǔn)要求。