掺磷渣粉水泥基材料的抗化学腐蚀性能研究_李轩花.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-05-30基金项目 郑州商学院重点项目(编号:2021-XJZD-003)。作者简介 李轩花(1989),女,讲师,硕士。掺磷渣粉水泥基材料的抗化学腐蚀性能研究李轩花(郑州商学院建筑工程学院,河南 郑州 451200)摘 要 以磷渣粉水泥基材料为例,研究了磷渣粉水泥基材料在不同化学腐蚀和冻融循环条件下力学、物理性质的变化规律,进而揭示了磷渣粉水泥基材料力学性质劣化和物理性质变化机理。结果表明:浸泡氯化钠和硫酸钠溶液的磷渣粉水泥基材料在溶液浓度为 3%以后,密度变化幅度很小。浸泡浓度为 3%的硫酸钠溶液磷渣粉水泥基材料的强度略高于浸泡清水的磷渣粉水泥基材料,浸泡其他浓度的硫酸钠溶液磷渣粉水泥基材料的强度都小于浸泡清水磷渣粉水泥基材料,且在浸泡 21 d 后磷渣粉水泥基材料的强度也出现明显的下降趋势。随着冻融次数增大,磷渣粉水泥基材料的抗压强度逐渐降低,说明冻融循环作用具有削弱磷渣粉水泥基材料抵抗变形能力和降低承载力的作用;在同等冻融循环次数作用下,磷渣粉水泥基材料在氢氧化钠溶液中的抗压强度略大于硫酸钠和氯化钠溶液中的抗压强度。关键词 化学腐蚀 冻融循环 氯化钠 硫酸钠 磷渣粉水泥基材料 力学性质劣化 物理性质 中图分类号TD98,TU525 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-266-05DOI 10.19614/ki.jsks.202302037Study on Chemical Corrosion Resistance of Cement-based Materials Mixed with Phosphorus Slag PowderLI Xuanhua(College of Architectural Engineering,Zhengzhou Business University,Zhengzhou 451200,China)Abstract Taking phosphorus slag powder cement-based material as an example,the change law of the mechanical and physical properties of phosphorus slag powder cement-based material under different chemical corrosion and freeze-thaw cycles is studied,revealing the deterioration of mechanical property and the change of physical property of phosphorus slag powder ce-ment-based materials.The results show that the change of density of phosphorous slag powder cement-based materials after soaked in sodium chloride and sodium sulfate solutions with concentration of 3%is very small.The strength of phosphate slag powder cement-based materials immersed in a sodium sulfate solution with a concentration of 3%is slightly higher than that of phosphate slag powder cement-based materials soaked in clean water.The strength of cement-based materials soaked in other concentrations of sodium sulfate solution phosphorous slag powder is less than that of cement-based materials soaked in clean water phosphorous slag powder.And after 21 days of soaking,the strength of phosphorous slag powder cement-based materials also showed a significant downward trend.With the increase of freezing and thawing cycles,the compressive strength of phos-phorus slag powder cement-based materials gradually decreased.This shows that the freeze-thaw cycle has weakening effects on the ability of phosphorus slag powder cement-based materials to resist deformation and to maintain bearing capacity.Under the same number of freeze-thaw cycles,the compressive strength of phosphorus slag powder cement-based materials in sodium hy-droxide solution is slightly greater than that in sodium sulfate and sodium chloride solutions.Keywords chemical corrosion,freeze-thaw cycle,sodium chloride,sodium sulfate,phosphorus slag powder cement-based materials,deterioration of mechanical property,physical property 磷渣粉是通过磷渣研磨制成的粉末状材料,而磷渣作为生产黄磷材料时的固体废弃物,通常的处理方法都是将其集中堆放,磷渣中含有有毒成分,该部分成分在长期堆放过程中会不断侵入到地表甚至地下,进而导致大量土地无法使用或污染地下水1-3。但是磷渣中也含有大量的矿物成分,有些磷渣内部的玻璃662体成分达到 80%以上,将磷渣磨成粉末后,作为掺料掺入到混凝土或水泥集料中可以较好地促进水化反应,也可减少天然砂材料用量以及降低对环境的污染4-5。磷渣粉水泥基材料作为一种水泥、磷渣粉、水以及其他固化剂组成的混合物,它在水、磷渣粉、水泥与其他固化剂的化学反应作用下,使自身强度和变形模量得到了提升。王栋民等6采用磷渣粉对水泥进行改性,得到了 3D 打印材料最佳可堆积性能的磷渣粉掺量。苏泽淳等7分析了不同粒径作用下磷渣粉对水泥性能的影响,发现磷渣粉越细对水泥性质的提升效果越好。胡雷等8对不同掺量作用下的磷渣粉混凝土性能进行了研究,得到了材料抗压强度和抗渗性能最佳的磷渣粉掺量。本研究以磷渣粉水泥基材料为例,分析了磷渣粉对水泥基材料在不同碱盐条件下力学、物理性质变化规律的影响,进而揭示了磷渣粉水泥基材料力学性质劣化和物理性质变化机理。1 原材料基本性质原材料主要有磷渣粉、水泥、河砂、拌和水和减水剂。其 中,水 泥 采 用 普 通 硅 酸 盐 水 泥(型 号 为PO32.5),该型水泥的性能指标为:28 d 抗压强度30.5 MPa、初凝时间 1.1 h、终凝时间 4.1 h、烧失量2.6%和细度 3.1%。减水剂为非缓凝型聚羧酸,浓度为 15%。砂为中砂,中砂采用细度 2.5、含泥量0.96%、表观密度 2 623 kg/m3的河砂。磷渣粉来源于湖北兴发化工集团,采用 EDX2800B 型 XRF 衍射仪,测定该磷渣粉的化学成分为 CaO(38.35%)、Fe2O3(1.68%)、SiO2(45.80%)、MgO(1.62%)、MnO(0.09%)、P2O5(3.54%)、Al2O3(5.98%)、TiO2(0.56%)和 SO3(2.38%)。2 试验方法(1)化学腐蚀的磷渣粉水泥基材料力学特性试验。选用浓度为 3%、6%、9%、12%的氢氧化钠溶液、氯化钠和硫酸钠溶液以及清水,将制备的磷渣粉水泥基材料试样(磷渣粉水泥基材料尺寸为 100 mm100 mm100 mm)放置在溶液浸泡 7 d 后,取出进行力学和物理性质的测试。本研究分别从磷渣粉水泥基材料密度、比重、强度等方面,分析磷渣粉水泥基材料在浸泡碱性溶液、硫酸盐、氯盐和清水后性质的变化,揭示磷渣粉水泥基材料力学性质劣化和物理性质变化机理。(2)化学腐蚀和冻融循环的磷渣粉水泥基材料力学特性试验。采用上述制备的磷渣粉水泥基材料试样,按照所选区域常年气温变化值设定试样的冻结温度为-10,消融温度为室温,冻结时将试样放入标准的低温工业冰箱中冻结24 h,消融时将试样分别放入氢氧化钠溶液、氯化钠以及硫酸钠溶液浸泡 24 h,每一个冻融循环时间为48 h,每一种溶液作用下试样的冻融循环次数为 10、30、50、70 次。3 试验结果分析3.1 密度变化规律分别对浸泡溶液、清水以及浸泡溶液前的试样质量进行测定,计算出磷渣粉水泥基材料在不同浓度溶液浸泡后的密度,绘制了不同浓度下试样密度的变化曲线如图 1 所示。图 1 试样密度变化曲线Fig.1 Variation curves of density of specimen 由图 1 可知:随着溶液浓度增大,浸泡溶液 7 d后磷渣粉水泥基材料的密度也呈现增大趋势。当溶液浓度为 6%时,浸泡氢氧化钠溶液(碱性溶液)的磷渣粉水泥基材料密度变化幅度小于浸泡氯化钠溶液和硫酸钠溶液的磷渣粉水泥基材料,但是在浓度增大至 9%以后,浸泡氢氧化钠溶液(碱性溶液)的磷渣粉水泥基材料密度变化幅度大于浸泡氯化钠溶液和硫酸钠溶液的磷渣粉水泥基材料,且增长幅度越来越大。总体而言,浸泡氯化钠溶液和硫酸钠溶液的磷渣粉水泥基材料在溶液浓度为 3%以后,密度变化幅度很小。造成上述现象的原因可能是:由于氯化钠溶液和硫酸钠溶液可以将磷渣粉水泥基材料内部胶结盐类进行溶解或者与试样中的离子进行化学反应,产生一定量的反应沉淀物,这些反应沉淀物充斥在材料内部孔隙中,且其密度远远大于材料内部颗粒的密度;由于氯化钠溶液和硫酸钠溶液密度大于清水的密度,在上述化学反应过后氯化钠溶液和硫酸钠溶液会代替空隙中的残余清水,从而使得在浸泡过氯化钠溶液和硫酸盐溶液后的磷渣粉水泥基材料密度大于浸泡清水后的磷渣粉水泥基材料。3.2 比重变化规律一般取一定体积的磷渣粉水泥基材料称其质量,取相同体积的 4 纯水也称其质量,将两者比值作为试样的比重。计算出了磷渣粉水泥基材料在不同浓度溶液浸泡后的比重,继而绘制了不同浓度下试样比762 李轩花:掺磷渣粉水泥基材料的抗化学腐蚀性能研究 2023 年第 2 期重的变化曲线,如图 2 所示。图 2 试样比重变化曲线Fig.2 Variation curves of specific gravity of specimen 由图 2 可知:随着溶液浓度增大,浸泡溶液 7 d后磷渣粉水泥基材料的比重均呈现增大趋势,增大幅度也越来越大,且磷渣粉水泥基材料在浸泡氧化钠溶液(碱性溶液)后,在同一溶液浓度下其比重最大。由于比重主要是指磷渣粉水泥基材料内部矿物成分、游离的矿物离子等物质的加权平均比重,在浸泡碱性和硫酸钠、