水泥對(duì)大摻量磷石膏泡沫混凝土的影響

匡一成，李進(jìn)輝，丁慶軍，王君，施建軍，解鵬洋

（1.保利長(zhǎng)大工程有限公司，廣東 廣州 510620；2.武漢紡織大學(xué)，湖北 武漢 430200；3.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，湖北 武漢 430070；4.中國(guó)新型建材設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310022）

0 引 言

泡沫混凝土是將泡沫引入水泥漿體固化成型的多孔材料，具有輕質(zhì)、保溫、耐火、高流動(dòng)性、易于施工等特點(diǎn)，主要應(yīng)用在保溫材料、充填材料、隔聲材料等方面[1-2]。傳統(tǒng)的泡沫混凝土以水泥為主要原料，水泥摻量往往大于50%，與普通混凝土相比，泡沫混凝土對(duì)強(qiáng)度和耐久性要求更低，因此，泡沫混凝土的研究方向主要集中在保證泡沫混凝土性能的基礎(chǔ)上如何進(jìn)一步提高固廢的利用率。

在濕法生產(chǎn)磷酸過程中，通常每生產(chǎn)1 t 磷酸就會(huì)產(chǎn)生約5 t 磷石膏，截至目前，我國(guó)已有約4 億t 的磷石膏堆存量，并且每年新增堆存量約為5000 萬t[3-5]，如何實(shí)現(xiàn)磷石膏的資源化利用是亟待解決的問題。磷石膏通常為淺灰色或深灰色，其主要成分為CaSO4·2H2O，含量一般在85%以上，并且含有少量的磷酸鹽、氟酸鹽、硫酸鹽、重金屬元素等雜質(zhì)[6-8]。由于磷石膏的雜質(zhì)含量和理化性質(zhì)波動(dòng)很大[9]，實(shí)際應(yīng)用中往往需要進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理的成本限制了其廣泛應(yīng)用[10-12]。而對(duì)于一些性能要求較低的磷石膏制品，如泡沫混凝土，可以采用未經(jīng)處理的磷石膏，這樣既可以實(shí)現(xiàn)磷石膏的資源化利用，又可以降低磷石膏的預(yù)處理成本。

以磷石膏為主要膠凝材料制備泡沫混凝土為磷石膏的資源化利用提供了一條新的途徑，不僅有利于治污減排，同時(shí)由于采用大量廢渣替代水泥，可大幅降低泡沫混凝土的生產(chǎn)成本。Tian 等[13]用原狀磷石膏、水泥、礦粉、生石灰制備磷石膏泡沫混凝土，試驗(yàn)結(jié)果表明，以4%生石灰和2%硫鋁酸鹽水泥為激發(fā)劑，m（水泥）∶m（礦粉）=1∶1，磷石膏摻量為45%~55%時(shí)，制備的泡沫混凝土性能最好。李想[14]以經(jīng)過煅燒處理的磷石膏和水泥為原料，采用化學(xué)發(fā)泡的方式制備出不同密度等級(jí)的泡沫混凝土，試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著泡沫混凝土密度等級(jí)升高，泡沫混凝土各方面性能均提高，A09 級(jí)性能最佳。該成果應(yīng)用于島嶼軟土覆蓋層路基施工，通過大摻量磷石膏泡沫輕質(zhì)混凝土用于路基施工，有效減小了路基自重荷載，路基沉降得到了有效控制，且該輕質(zhì)泡沫混凝土力學(xué)性能穩(wěn)定。由于路基材料對(duì)力學(xué)性能要求低，同時(shí)也為了進(jìn)一步降低造價(jià)，本研究在水泥摻量為20%基礎(chǔ)上，以m（水泥）∶m（礦粉）∶m（磷石膏）=20∶30∶50 為基準(zhǔn)配合比，礦粉與磷石膏以30∶50 的質(zhì)量比等質(zhì)量取代水泥，減少水泥摻量，研究水泥摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響，提高磷石膏的利用率。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·Ⅱ52.5，湖北亞東水泥有限公司，密度3.06 g/cm3，比表面積360 m2/kg；礦粉：S95 級(jí)，石家莊市靈壽縣土運(yùn)礦產(chǎn)品加工廠，密度2.92 g/cm3，比表面積450 m2/kg；磷石膏：宜昌鄂中生態(tài)工程有限公司堆場(chǎng)的原狀磷石膏，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將其破碎過60 目（0.3 mm）不銹鋼方孔篩，密度2.06 g/cm3，含水率15.1%。水泥、礦粉、磷石膏的主要化學(xué)成分見表1。磷石膏的物相組成見圖1，微觀形貌見圖2。

圖1 磷石膏的XRD 圖譜

圖2 磷石膏的SEM 照片

表1 原材料的主要化學(xué)成分 %

發(fā)泡劑：廣東首誠(chéng)建設(shè)科技有限公司產(chǎn)，SC-4 增強(qiáng)型復(fù)合發(fā)泡劑，主要成分為十二烷基酸鈉，稀釋倍率為100 倍。

減水劑：江蘇蘇博特公司產(chǎn)，聚羧酸系PC 減水劑，減水率25%。

鈉水玻璃：蚌埠市精誠(chéng)化工有限責(zé)任公司產(chǎn)液態(tài)水玻璃，Na2O 含量8.5%，SiO2含量26.5%，模數(shù)3.1，波美度40°Bé，實(shí)驗(yàn)過程中通過摻入NaOH 調(diào)節(jié)水玻璃模數(shù)為1.2。

水：自來水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本研究以C1 組為基準(zhǔn)配合比，以水玻璃為激發(fā)劑。按m（礦粉）∶m（磷石膏）=30∶50 的配比等質(zhì)量取代水泥，逐漸減少水泥摻量，研究水泥摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響，實(shí)驗(yàn)配合比如表2 所示。

表2 不同水泥摻量泡沫混凝土配合比 %

按配合比稱量好粉料、減水劑、激發(fā)劑和水，將粉料倒入攪拌桶干拌混合均勻，然后加入部分水和減水劑濕拌，最后加入與剩余水混合的激發(fā)劑溶液，攪拌得到混凝土漿體。采用發(fā)泡機(jī)進(jìn)行發(fā)泡，用額定體積的量筒量取泡沫，加入攪拌桶與漿體混合攪拌均勻。泡沫混凝土流動(dòng)度參照CJJ/T 177—2012《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行測(cè)試，使用內(nèi)徑80 mm，凈高80 mm，內(nèi)壁光滑的空心金屬管；收縮膨脹性能參照J(rèn)TG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 水泥摻量對(duì)泡沫混凝土流動(dòng)性的影響（見表3）

表3 水泥摻量對(duì)泡沫混凝土流動(dòng)性能的影響

由表3 可知，水泥摻量與泡沫混凝土的流動(dòng)度呈正比關(guān)系，水泥摻量越少，泡沫混凝土的流動(dòng)度也越小。這主要是因?yàn)?，隨著水泥摻量減少，礦粉與磷石膏的摻量增加，由于礦粉與磷石膏的密度均比水泥小，等質(zhì)量取代水泥的條件下，粉料體積增大，在水膠比不變情況下，漿體變得黏稠，從而導(dǎo)致泡沫混凝土的流動(dòng)度由178 mm 下降到158 mm。

2.2 水泥摻量對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度的影響（見圖3）

圖3 水泥摻量對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度的影響

由圖3 可以看出，隨著水泥摻量的減少，泡沫混凝土的各齡期強(qiáng)度先提高后降低，當(dāng)水泥摻量為15%時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最高，此時(shí)泡沫混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度為3.36 MPa，抗折強(qiáng)度為1.45 MPa。當(dāng)水泥摻量為17.5%~8.0%時(shí)，泡沫混凝土的力學(xué)性能均優(yōu)于基準(zhǔn)配比。這是因?yàn)椋?dāng)水泥摻量小于15%時(shí)，可以為泡沫混凝土提供早期強(qiáng)度、促進(jìn)固化孔結(jié)構(gòu)的水化產(chǎn)物C-S-H 凝膠和Ca（OH）2減少；當(dāng)水泥摻量為20.0%~15.0%時(shí)，隨著水泥摻量減少而強(qiáng)度提高，是因?yàn)樗嗨a(chǎn)生的Ca（OH）2促進(jìn)了鈣礬石的生成，在泡沫混凝土凝結(jié)硬化后持續(xù)生成，鈣礬石具有膨脹特性，在泡沫混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致泡沫混凝土強(qiáng)度下降。

2.3 泡沫摻量對(duì)泡沫混凝土濕密度及強(qiáng)度的影響

泡沫混凝土由泡沫和膠凝材料組成，其濕密度與強(qiáng)度具有可調(diào)節(jié)性，可通過增加或減少泡沫摻量改變泡沫混凝土的濕密度，制備出不同濕密度等級(jí)的磷石膏泡沫混凝土。以E2組配比為基準(zhǔn)配合比，通過調(diào)節(jié)泡沫摻量控制泡沫混凝土的濕密度為600~1200 kg/m3，具體的配合比及其對(duì)濕密度的影響見表4，對(duì)抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度的影響見圖4。

圖4 濕密度對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

表4 不同濕密度泡沫混凝土配合比

由表4 可見，在E2 組基礎(chǔ)配比中，泡沫混凝土的濕密度與泡沫摻量呈反比，泡沫摻量每減少58 L/m3左右時(shí)，泡沫混凝土的濕密度就增大100 kg/m3。這是因?yàn)榕菽菽炷林幸肓丝諝?，泡沫摻量越少，引入的空氣越少，因此濕密度越大。隨著濕密度增大，泡沫混凝土的流動(dòng)度逐漸增大。

由圖4 可知，泡沫摻量越少，泡沫混凝土的濕密度越大，抗壓強(qiáng)度越高。這是因?yàn)?，隨著泡沫摻量增加，泡沫混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)增多，同時(shí)泡沫本身含有一定水分，使泡沫混凝土含水量增大。當(dāng)泡沫混凝土的濕密度為600、700 kg/m3時(shí)，泡沫混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度分別為0.61、0.87 MPa，仍滿足當(dāng)前路基材料對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的要求，說明磷石膏泡沫混凝土輕質(zhì)化是可行的。

2.4 水泥摻量對(duì)泡沫混凝土水化放熱性能的影響（見圖5、圖6）

圖5 水泥摻量對(duì)泡沫混凝土放熱速率的影響

圖6 水泥摻量對(duì)泡沫混凝土放熱量的影響

由圖5、圖6 可見，各組漿體水化放熱周期均較長(zhǎng)。隨著水泥摻量增加，水化放熱峰峰值出現(xiàn)的時(shí)間逐漸延后，峰值放熱速率先增大后減小，當(dāng)水泥摻量為8%時(shí)，峰值放熱速率最大，為0.99 mW/g；7 d 水化放熱量最大，為230.31 J/g；水泥摻量為10%時(shí)，漿體水化放熱量最小，為198.33 J/g。這說明水泥摻量的增加抑制了早期水化，水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2促進(jìn)了鈣礬石在礦粉顆粒表面生成，阻礙了礦粉進(jìn)一步反應(yīng)，導(dǎo)致礦粉的水化放熱減少。而在水泥摻量為5%~8%時(shí)，水泥摻量的增加對(duì)礦粉水化阻礙作用較小。

2.5 水泥摻量對(duì)泡沫混凝土膨脹與收縮性能的影響（見圖7、圖8）

圖7 相對(duì)濕度80%條件下泡沫混凝土的膨脹性能

圖8 相對(duì)濕度60%條件下泡沫混凝土的干縮性能

由圖7 可知，磷石膏泡沫混凝土在環(huán)境相對(duì)濕度為80%條件下呈膨脹狀態(tài)，泡沫混凝土的膨脹性能隨水泥摻量減少先急劇下降后緩慢上升。在水泥摻量為20%~10%時(shí)，隨著水泥摻量減少，膨脹性能快速下降，這是因?yàn)?，隨著水泥摻量減少，Ca（OH）2含量下降，鈣礬石生成量減少；在水泥摻量為10%~5%時(shí)，隨著水泥摻量的減少，泡沫混凝土的膨脹值緩慢增加，這是因?yàn)榈V粉與磷石膏摻量增加。

由圖8 可知，磷石膏泡沫混凝土在環(huán)境相對(duì)濕度60%條件下，前2 d 呈膨脹狀態(tài)，2 d 后開始收縮，隨著水泥摻量減少，泡沫混凝土的27 d 總收縮值先增大后減小，水泥摻量為10%時(shí)，其27 d 總收縮值最大，為4120 μm/m。這是因?yàn)?，在水泥摻量?0%~10%時(shí)，隨著水泥摻量減少，早期水化產(chǎn)物減少，孔結(jié)構(gòu)固化效果變差，連通孔增多，水分更容易散失，因此干縮值增大；當(dāng)水泥摻量為10%~5%時(shí)，礦粉與磷石膏摻量增加，泡沫摻量減少，泡沫混凝土變得更加密實(shí)，水分散失速度減緩，因此干縮值隨水泥摻量減少而減小。

2.6 XRD/SEM 分析

不同水泥摻量泡沫混凝土的XRD 圖譜見圖9。

圖9 不同水泥摻量泡沫混凝土的XRD 圖譜

由圖9 可以看出，泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)3、28 d 的結(jié)晶相均為鈣礬石和未反應(yīng)的磷石膏，水泥摻量對(duì)泡沫混凝土結(jié)晶相的種類并無影響。對(duì)比泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)3、28 d 的XRD 圖譜可以發(fā)現(xiàn)，AFt 和CaSO4·2H2O 相對(duì)含量發(fā)生了變化，說明隨著水化的進(jìn)行，部分磷石膏參與反應(yīng)并轉(zhuǎn)化為鈣礬石，為泡沫混凝土提供強(qiáng)度，但同時(shí)養(yǎng)護(hù)28 d 的XRD 圖譜中仍有大量CaSO4·2H2O 存在，這說明在磷石膏泡沫混凝土中只有少部分磷石膏參與反應(yīng)并生成AFt，而大部分磷石膏是以填料的形式存在泡沫混凝土中。

水泥摻量為15%時(shí)磷石膏泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)3、28 d 的SEM 照片見圖10。

圖10 水泥摻量15%時(shí)泡沫混凝土的SEM 照片

由圖10 可見，磷石膏泡沫混凝土主要水化產(chǎn)物為C-S-H凝膠、針棒狀鈣礬石和短柱狀鈣礬石，未反應(yīng)的磷石膏被C-S-H 凝膠和鈣礬石包裹。在養(yǎng)護(hù)3 d 的圖譜中可以發(fā)現(xiàn)針棒狀鈣礬石和短柱狀鈣礬石，隨著水化進(jìn)行，大量C-S-H 凝膠與短柱狀鈣礬石生成，結(jié)構(gòu)變得致密，泡沫混凝土強(qiáng)度提高。

3 結(jié) 論

（1）按m（礦粉）∶m（磷石膏）=30∶50 的配比等質(zhì)量取代水泥，制備出水泥摻量小于20%的大摻量磷石膏泡沫混凝土。水泥最佳摻量為15%，此時(shí)泡沫混凝土的流動(dòng)度為172 mm，28 d 抗壓強(qiáng)度為3.36 MPa。

（2）泡沫混凝土的流動(dòng)度隨泡沫摻量減少而增大，抗壓強(qiáng)度隨泡沫摻量增大而降低。當(dāng)泡沫混凝土濕密度為600、700、800 kg/m3時(shí)，強(qiáng)度處于較低水平，但仍滿足現(xiàn)階段路基材料對(duì)強(qiáng)度的要求，因此大摻量磷石膏泡沫混凝土輕質(zhì)化是可行的。

（3）隨著水泥摻量增加，水化放熱峰峰值出現(xiàn)的時(shí)間逐漸延后，峰值放熱速率先增大后減小，在水泥摻量為8%時(shí)，峰值放熱速率最大，對(duì)應(yīng)的7 d 水化放熱量也最大。在膨脹與收縮性能方面，隨著水泥摻量減少，在環(huán)境相對(duì)濕度為80%條件下，泡沫混凝土呈膨脹狀態(tài)，在環(huán)境相對(duì)濕度為60%條件下，泡沫混凝土呈早期膨脹后期收縮的狀態(tài)。