磷建筑石膏基自流平砂漿的性能研究

廖仕雄，吳磊，全思臣，趙志曼，3

（1.云南凝創(chuàng)環(huán)?？萍加邢薰?，云南 昆明 650500；2.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500；3.云南經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

0 引言

磷石膏是工業(yè)濕法生產(chǎn)磷酸過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，每生產(chǎn)1 t磷酸會(huì)產(chǎn)生4.5～5.5 t磷石膏，是化工行業(yè)中排放量最大的固體廢棄物之一，磷石膏的主要成分為二水硫酸鈣（Ca－SO4·2H2O），如果對磷石膏處理不當(dāng)，則會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。從可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，對磷石膏的資源化利用具有重要的意義[1-3]。傳統(tǒng)工藝中，磷石膏的使用需要進(jìn)行水洗、煅燒和中和等預(yù)處理手段消除其毒性，使磷石膏轉(zhuǎn)化為磷建筑石膏而具有空氣硬化性能。石膏基建筑材料具有節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用[4]。生產(chǎn)和使用磷建筑石膏是回收磷石膏[5-6]的最有效方法之一，磷建筑石膏在建筑材料領(lǐng)域的應(yīng)用已有許多研究[6-8]。

吳磊等[8]通過在磷建筑石膏中添加短切纖維，提高了磷建筑石膏材料的力學(xué)性能，解決了磷建筑石膏本身強(qiáng)度不足、難以利用的問題。MUN K和SO S[9]的研究表明，由92.5%水泥和7.5%建筑石膏組成的砂漿抗壓強(qiáng)度可達(dá)到65MPa。但是，這些產(chǎn)品的附加值相對較低，導(dǎo)致應(yīng)用范圍有限。同時(shí)，自流平砂漿是一種被公認(rèn)為高附加值材料的新型功能性建筑砂漿，具有良好的性能，能降低成本、節(jié)約勞動(dòng)力，近年來得到了廣泛的應(yīng)用。許多研究表明，建筑石膏可以應(yīng)用于生產(chǎn)石膏基自流平砂漿。采用高強(qiáng)度建筑石膏制備石膏基自流平砂漿，并通過化學(xué)外加劑對改性，性能可以得到很大的提升[10]。自流平砂漿需要有滿足較好流動(dòng)性和早期高強(qiáng)度的要求，使得使用磷建筑石膏受到一定的限制。鋼渣是冶金工業(yè)中產(chǎn)生的廢渣，中國的鋼渣產(chǎn)生量隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展而迅速增加，鋼渣的處理和資源化利用問題也越來越受到重視。一些研究表明[11-12]，鋼渣能作為外摻料來改善膠凝材料的流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度。同時(shí)，對于石膏基自流平砂漿強(qiáng)度低等問題，可以加入適量的水泥來改善[13-15]。

綜上所述，由于磷建筑石膏的流動(dòng)性損失較大，早期強(qiáng)度較低，因此對磷建筑石膏基自流平砂漿的研究較少。鋼渣在提高膠結(jié)材料的流動(dòng)性方面具有較好的效果，而水泥具有較高的早期強(qiáng)度。本研究旨在利用礦渣硅酸鹽水泥、鋼渣粉與磷建筑石膏復(fù)合制備性能符合JC/T 1023—2007《石膏基自流平砂漿》要求的磷建筑石膏基自流平砂漿，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，以提高磷建筑石膏的附加值，促進(jìn)磷石膏、鋼渣的資源化利用，減少水泥用量。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

磷建筑石膏（PBG）：云南云天化股份有限公司生產(chǎn)，磷石膏經(jīng)水洗、檸檬酸處理、石灰中和后在140℃下脫水6 h制得磷建筑石膏，其主要化學(xué)成分見表1。

水泥（SPC）：P·S42.5礦渣硅酸鹽水泥，華新水泥股份有限公司生產(chǎn)，主要化學(xué)成分見表1。

鋼渣粉（SSP）：100～200目黑色粉末，保定市高通材料科技有限公司生產(chǎn)，主要化學(xué)成分見表1。

表1 原材料的主要化學(xué)成分 %

消泡劑：有機(jī)硅類消泡劑，中山市匯中化工科技有限公司生產(chǎn)；聚羧酸系減水劑：減水率約25%，固含量98%，山東浩宇建材科技有限公司生產(chǎn)；流變劑：無機(jī)硅酸鹽流變劑，白色粉末，江蘇兆佳建材科技有限公司生產(chǎn)；石膏緩凝劑：檸檬酸緩凝劑，白色粉末，河北協(xié)同化學(xué)有限公司生產(chǎn)；砂：河砂，細(xì)度模數(shù)2.6，Ⅱ區(qū)中砂；纖維素醚：主要成分為β-1，4-葡萄糖苷鍵結(jié)合的直鏈?zhǔn)蕉嗵穷愇镔|(zhì)，上海鍇源化工科技有限公司生產(chǎn)，白色粉末，黏度為4000 mPa·s。

水：自來水。

1.2 磷建筑石膏基自流平砂漿的制備

按照表2所示的配合比配制5種磷建筑石膏基自流平砂漿（PBG-BSLM）樣品，固定減水劑2 g、消泡劑0.5 g、石膏緩凝劑0.7 g、流變劑0.4 g、水300 g、纖維素醚0.5 g。

表2 PBG-BSLM的配合比 g

首先，依據(jù)表2配合比，稱取PBG-BSLM的原材料混合在攪拌鍋中，用水泥膠砂攪拌機(jī)均勻攪拌120 s；然后，加水混合，攪拌60 s后取出PBG-BSLM，測試初始流動(dòng)度、初始流變性和凝結(jié)時(shí)間。參照J(rèn)C/T 1023—2007，將PBG-BSLM1倒入40 mm×40 mm×160 mm的模具中，終凝1 h后脫模，制備2組PBG-BSLM試件。每個(gè)配方的2組樣品，在自然條件下靜置24 h后，一組參照GB/T 17669.3—1999《建筑石膏 力學(xué)性能的測定》進(jìn)行24 h力學(xué)性能測試；另一組放入50℃恒溫中養(yǎng)護(hù)至恒重，用于絕干力學(xué)性能測試。

1.3 性能測試與表征

（1）流動(dòng)度參照J(rèn)C/T1023—2007進(jìn)行測試。

（2）力學(xué)性能參照GB/T17669.3—1999進(jìn)行測試。

（3）拉伸粘結(jié)強(qiáng)度參照J(rèn)C/T 1023—2007進(jìn)行測試。

（4）微觀形貌：將樣品進(jìn)行噴金處理后，采用掃描電鏡（日本電子有限公司，Zeiss Sigma 300）對樣品微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 SPC、SSP配比對磷建筑石膏基自流平砂漿性能的影響（見表3）

2.1.1 對流動(dòng)性影響分析

由表3可知，PBG-BSLM的30 min流動(dòng)度中PBGBSLM1、PBG-BSLM2的經(jīng)時(shí)損失較大，分別損失了7、12 mm；PBG-BSLM3、PBG-BSLM4、PBG-BSLM5的30 min流動(dòng)度基本無損失。以上分析表明，單獨(dú)添加SPC時(shí)，BSLM的初始流動(dòng)度最小，30min的流動(dòng)度有一定的損失。當(dāng)摻入SSP后，隨著SSP取代SPC的量逐漸增加，初始流動(dòng)度略有增大，30 min的流動(dòng)度損失先增大后逐漸減小。JC/T 1023—2007對石膏基自流平砂漿的流動(dòng)性要求較高，規(guī)定初始流動(dòng)度應(yīng)為140～150 mm，30 min流動(dòng)度損失≤3 mm。各組BSLM樣品中，僅有PBG-BSLM3的初始流動(dòng)度和30 min流動(dòng)度損失符合JC/T 1023—2007要求。

表3 SPC、SSP配比對磷建筑石膏基自流平砂漿性能影響

2.1.2 對凝結(jié)時(shí)間影響分析

由表3可知，隨著SPC用量的減少，凝結(jié)時(shí)間呈逐漸延長的趨勢。這是因?yàn)橐欢康乃鄷?huì)縮短石膏的凝結(jié)時(shí)間，反之鋼渣粉則會(huì)延長石膏的凝結(jié)時(shí)間[16-17]，因此隨著SPC的含量逐漸減小，SSP的含量逐漸加大時(shí)，凝結(jié)時(shí)間會(huì)延長，對于石膏基自流平砂漿，凝結(jié)時(shí)間太短或者太長都不利于現(xiàn)場施工和強(qiáng)度的發(fā)展，綜合考慮，PBG-BSLM3的凝結(jié)時(shí)間較為適宜，便于施工。

2.1.3 對拉伸粘結(jié)強(qiáng)度影響分析

由表3可知，PBG-BSLM1的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度最高，為1.35MPa，分別較PBG-BSLM3、PBG-BSLM5的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度提高了0.07、0.20 MPa。這主要是因?yàn)槠胀ü杷猁}與石膏反應(yīng)后會(huì)生成鈣礬石和硅酸鈣凝膠[18]，加之鋼渣與石膏也會(huì)生成少量C-S-H。當(dāng)SPC、SSP與磷建筑石膏復(fù)合時(shí)，當(dāng)僅有SPC時(shí)，PBG-BSLM硬化體生成的C-S-H會(huì)更多，隨著SPC占比逐漸小于SSP時(shí)，生成的C-S-H逐漸減少，而且鈣礬石對強(qiáng)度提升也逐漸被削弱。但是為促進(jìn)鋼渣的資源化利用，所制備的PBG-BSLM3是最佳選擇，其拉伸粘結(jié)強(qiáng)度相對于最優(yōu)的PBG-BSLM1下降幅度最小。

2.1.4 對強(qiáng)度影響分析

由表3可知，隨著SPC用量的減少，24 h、絕干抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先下降后提高，然后繼續(xù)下降的趨勢。PBG-BSLM1樣品的24 h、絕干抗折強(qiáng)度最大，分別為5.5、12.5 MPa，24 h、絕干抗壓強(qiáng)度最大，分別為12.9、27.0 MPa。在JC/T 1023—2007中，石膏基流平砂漿的24 h、絕干抗折和抗壓強(qiáng)度要求分別為≥2.5、≥6.0、≥7.5、≥20 MPa。所配制的PBG-BSLM樣品中PBG-BSLM1、PBG-BSLM2、PBG-BSLM3、PBG-BSLM4的不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的抗折、抗壓強(qiáng)度符合該標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1.5 最優(yōu)配比的確定

由表3可知，PBG-BSLM3的各項(xiàng)性能均符合JC/T 1023—2007的要求。通過將SPC、SSP復(fù)配，可以成功地制備出性能良好的PBG-BSLM。制備的樣品中PBG-BSLM1除了30 min流動(dòng)度損失沒達(dá)到JC/T 1023—2007的要求，其余各項(xiàng)性能均滿足JC/T 1023—2007的要求，但是不利于鋼渣的利用，同時(shí)也會(huì)加大水泥的用量。

2.2 SEM分析

PBG-BSLM1、PBG-BSLM3、PBG-BSLM5樣品的SEM分析如圖1所示。SEM分析選擇了性能較好的2個(gè)樣品和較差的1個(gè)樣品進(jìn)行分析，以研究樣品硬化體內(nèi)部形貌對其性能的影響機(jī)理。

圖1 不同配比PBG-BSLM的SEM照片（×4000）

圖1（a）表明，PBG-BSLM1的微觀結(jié)構(gòu)是由包裹在磷建筑石膏晶體表面的C-S-H凝膠和針狀A(yù)Ft相互重疊組成[CS-H、AFt的生成反應(yīng)式，分別如式（1）、（2）所示]，因?yàn)檫@2種物質(zhì)的形成使PBG-BSLM的微觀結(jié)構(gòu)變的更加致密，進(jìn)而使其強(qiáng)度指標(biāo)最優(yōu)。圖1（b）表明，PBG-BSLM3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是由C-S-H、AFt、磷建筑石膏晶體復(fù)合而成，但是能明顯看出，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的飽滿程度比PBG-BSLM1的差，這是因?yàn)橐徊糠值腟PC被SSP所替代，雖然SSP與磷建筑石膏反應(yīng)也能生成一部分的C-S-H凝膠，但是生成的量少，使整體的結(jié)構(gòu)較松散，所以其強(qiáng)度小于PBG-BSLM1。從圖1（c）可見，單獨(dú)添加SSP制備的PBG-BSLM5，內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)很疏松，因?yàn)閮?nèi)部主要是有C-S-H、磷建筑石膏晶體組成的，缺少了AFt，會(huì)導(dǎo)致磷建筑石膏晶體搭接松散，出現(xiàn)一些大的空隙，不利于PBGBSLM5的強(qiáng)度發(fā)展，也是其強(qiáng)度比PBG-BSLM3差的原因。

3 結(jié)論

（1）未摻SSP時(shí)所制備的PBG-BSLM1，30 min流動(dòng)度損失較大、強(qiáng)度最高。當(dāng)以部分SSP取代SPC時(shí)，30min流動(dòng)度損失減小、但也降低了強(qiáng)度；當(dāng)以SSP完全取代SPC時(shí)，PBG-BSLM5除30min流動(dòng)度損失較小外，其余性能較差。

（2）當(dāng)SSP和SPC按1∶1的質(zhì)量比復(fù)配時(shí)，不僅有利于減小PBG-BSLM的30 min流動(dòng)度損失，還能保證其24 h、絕干強(qiáng)度較優(yōu)。硬化體內(nèi)部由C-S-H、AFt、磷建筑石膏晶體復(fù)合而成，微觀結(jié)構(gòu)較密實(shí)。

（3）所制備PBG-BSLM3的各項(xiàng)性能均符合JC/T 1023—2007的要求，有利于磷石膏、鋼渣的資源化利用。