高温改性磷石膏-矿渣粉-水泥砂浆性能研究_吴海科.pdf

-30-第45卷第6期 非金属矿 Vol.45 No.62022年11月 Non-Metallic Mines November,2022高温改性磷石膏-矿渣粉-水泥砂浆性能研究吴海科1 程 想2 王玲玲2*（1 贵阳职业技术学院，城乡规划建设分院，贵州 贵阳 550025；2 贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025）摘 要 以 50%掺量高温改性磷石膏-矿渣粉-水泥砂浆(HPGM)为研究对象，探究单掺和复掺生石灰、硅灰对 HPGM 稠度、抗压强度及耐水性的影响规律。结果表明，单掺生石灰或硅灰时，HPGM 抗压强度及耐水性随生石灰掺量的增加先升高后降低，随硅灰掺量的增加而逐渐升高。当生石灰与硅灰掺量均为 5%时，HPGM 28 d 抗压强度达 42.4 MPa。当复掺 3%生石灰与 7%硅灰时，HPGM 耐水性明显提升，其软化系数为 0.79。关键词 硅灰；生石灰；力学性能；耐水性中图分类号：TQ177.32；TB321 文献标志码：A 文章编号：1000-8098(2022)06-0030-04Research on the Performances of High-Temperature Modified Phosphogypsum-Mineral Powder-Cement Mortar Wu Haike1 Cheng Xiang2 Wang Lingling2*(1 Urban and Rural Planning and Construction Branch,Guiyang Vocational and Technical College,Guiyang,Guizhou 550025;2 College of Civil Engineering,Guizhou University,Guiyang,Guizhou 550025)Abstract The effects of single-doped and re-doped quicklime and silica ash on the consistency,compressive strength,and water resistance of HPGM were investigated by means of large-doping(50%)high-temperature modified phosphogypsum-mineral powder-cement mortar(HPGM).The results show that when quicklime or silica ash is single-mixed,the strength and water resistance of HPGM increase and then decrease with the increase of the quicklime dosage,and gradually increase with the increase of the silica ash dosage.When the dosage of quicklime and silica ash is 5%,respectively,the 28 d compressive strength of HPGM reaches 42.4 MPa;When 3%quicklime and 7%silica ash are mixed,the strength water resistance of HPGM improves significantly,and its softening coefficient is 0.79.Key words silicon ash;quicklime;mechanical properties;water resistance磷石膏主要成分为二水硫酸钙，含有磷、氟等杂质，pH 值偏低，主要应用于水泥工业、化工原料与石膏建材制品等方面。原状磷石膏无胶凝性，且磷石膏类胶凝材料、砂浆、混凝土等建筑材料存在强度低、耐水性能差的问题，限制了磷石膏利用率1-2。研究表明，对磷石膏采用高温煅烧或添加掺和料处理等方式，可改善磷石膏性能，因此，探索磷石膏类建筑材料性能的改善方法是提高磷石膏利用率的有效途径3-5。高温煅烧不仅可降低磷石膏中的杂质含量，使其具有优异的胶凝性能，而且可以提高其力学性能及耐水性能6。此外，掺入适量的矿物掺和料如矿渣粉、硅灰、粉煤灰、生石灰等，可改善磷石膏材料强度及耐水性能。硅灰对磷石膏材料耐水性能与早期力学性能有明显的改善效果，随着硅灰掺量增加，磷石膏水泥砂浆的耐水性能及早期强度逐渐升高4-6。生石灰可使可溶性 P2O5转化为难溶性沉淀，调节 pH 值，提高半水磷石膏强度。生石灰掺量范围为 1%8%时，随着石灰掺量增加，磷石膏砂浆强度与耐水性能先升高后降低，最优掺量范围为 2%4%7-8。矿物掺和料复掺可提高磷石膏建筑材料的力学性能及耐水性。当矿渣粉与水泥复掺比例为 51 时，磷石膏的强度及软化系数分别提高 50%和 15%9。当矿渣粉与生石灰复掺比例为 101 时，磷石膏-矿渣基胶凝材料抗压强度达到了 40.6 MPa，软化系数提升至 0.84 10。掺入矿物掺和料对磷石膏材料强度与耐水性的提升机理主要体现在水化产物填充了内部孔 隙9-10。磷石膏用量主要集中在 5%30%范围内，当掺量超过20%时，硬化体的抗压强度会降低11。因此，探索改善磷石膏建筑材料性能的有效方法，开展大掺量磷石膏建筑材料性能研究是磷石膏规模化应用的关键问题。本试验采用 50%高温改性磷石膏(HPG)、矿渣粉与水泥作为主体胶凝材料，制备大掺量高温改性磷石膏-矿渣粉-水泥砂浆（HPGM），研究单掺生石灰、硅灰和复掺生石灰与硅灰对 HPGM 稠度、抗压强度及耐水性的影响规律，为磷石膏在建筑材料中的大掺量应用提供支撑。收稿日期：2022-10-02基金项目：国家自然科学基金（12162009）；贵州省科技计划项目（20201Y244）；贵大培育（201928）。*通信作者，E-mail：。-31-1 试验部分1.1 原料及试剂 磷石膏，含水率 21.98%，贵州开磷磷石膏综合利用有限公司。磷石膏经自然风干，粉碎后过 0.15 mm 筛，160、2 h 高温条件下改性。水泥，贵州市购海螺牌 PO 42.5 普通硅酸盐水泥。砂，细度模数 2.8，贵州地区机制山砂。矿渣粉，S95 级粒化高炉矿渣粉。生石灰，超细生石灰，CaO含量（质量分数，下同）为 98.3%。硅灰，SiO2含量 96%以上。缓凝剂，蛋白质类缓凝剂。减水剂，LZ-J2 聚羧酸高性能减水剂，减水率为 25%27%，贵州省筑城恒创建设工程有限公司。表 1 原料化学组分（w/%）原料SiO2Al2O3Fe2O3CaOSO3P2O5K2O SrOFMgO 其他磷石膏 2.68 0.30 0.37 39.52 55.28 0.89 0.07 0.06 0.65-0.18HPG2.71 0.29 0.38 41.8453.601 0.86 0.07 0.06-0.19硅灰 96.74 0.32 0.08 0.11-0.10 2.65生石灰 0.60 0.14 0.11 98.29 0.240.01 0.58 0.01-0.01 0.01水泥19.9 5.16 4.46 67.17 3.960.17-1.73 2.91矿渣粉 34.5017.70 1.03 34.00 1.64-6.01 5.121.2 不同掺和料掺量的基体配合比 采用高温改性磷石膏、矿渣粉与水泥作为主体胶凝材料，研究外掺生石灰、硅灰对 HPGM 性能的影响，主体胶凝材料配比及生石灰、硅灰、减水剂外掺量，见表 2。表 2 不同掺合料掺量的 HPGM 配合比/%编号HPG矿渣粉水泥生石灰 硅灰 减水剂胶砂比JZ502030002.21 2.2A3502030302.21 2.2A5502030502.21 2.2A7502030702.21 2.2B3502030032.21 2.2B5502030052.21 2.2B7502030072.21 2.2A3B3502030332.21 2.2A3B5502030352.21 2.2A3B7502030372.21 2.2A5B3502030532.21 2.2A5B5502030552.21 2.2A5B7502030572.21 2.2A7B3502030732.21 2.2A7B5502030752.21 2.2A7B7502030772.21 2.2注：JZ 代表基准组，A3A7 为单掺生石灰组，B3B7 为单掺硅灰组，A3B3A7B7 为复掺生石灰与硅灰组。1.3 试验方法 将水泥砂浆标准试件室内放置 24 h后脱模，自然养护至 28 d 龄期，开展稠度、抗压强度、耐水性性能测试。按照 JGJ/T 70-2009建筑砂浆基本性能试验方法，采用砂浆稠度仪测定稠度。按照GB/T 7671-1999水泥胶砂强度检验办法（ISO 法），采用YAD-600型电液伺服压力试验机测定抗压强度。采用吸水率与软化系数表征水泥砂浆的耐水性能。准备两组试件(每组 3 个)，置于电热鼓风干燥箱 42 烘箱内烘干至恒重，确定干燥状态下试件的抗压强度与质量。采用第一组试件测定抗压强度，取其强度平均值 f；采用第二组试件测质量，取质量平均值 m。再将两组试件放入 20 水中浸泡 24 h，用于测定试件水饱和状态下的抗压强度与质量，水饱和状态下试件质量平均值和抗压强度平均值分别为 mw和 fw。试件的吸水率 w 及软化系数 k 计算式，分别见式（1）、式（2）。w=(mw-m)/m100%(1)k=fw/f (2)2 结果与讨论2.1 掺和料对 HPGM 稠度的影响 单掺与复掺生石灰、硅灰时 HPGM 稠度的试验结果，见图 1。a-单掺；b-复掺图1 生石灰、硅灰单掺和复掺对HPGM稠度的影响基准组砂浆稠度偏大、存在轻微泌水现象。从 图 1a 可看出，单掺 3%7%生石灰或硅灰时，HPGM稠度随掺量的增加而降低，泌水现象逐渐消失。掺入7%生石灰时，HPGM 稠度由 94 mm 降低至 70 mm；掺入 7%硅灰时，HPGM 稠度降至 74 mm。生石灰与硅灰均为颗粒细小、比表面积大、吸水性强的粉性材料，掺入砂浆后会增大体系的需水量，降低砂浆稠度，同时，生石灰与硅灰可填补内部孔隙，改善砂浆和易性。因此，随着生石灰或硅灰掺量的增加，HPGM 稠度表现出相似的变化规律。从图 1b 可看出，HPGM稠度明显降低，且呈梯度式下降规律。当生石灰与硅灰掺量均为 7%(A7B7)时，稠度值降至 30 mm，为基准组稠度值的 31.9%。此外，A7B7 组砂浆初凝时间明显缩短，在装模过程中已开始凝结，该现象表明复掺掺和料导致砂浆的需水量明显增加，降低了给定含水量下砂浆的可塑性。当生石灰掺量为 3%时，砂浆稠度随着硅灰掺量的增加分别降低 25.5%、30.9%和 38.3%。当硅灰掺量为 3%时，随着生石灰掺量增 高温改性磷石膏-矿渣粉-水泥砂浆性能研究吴海科，程 想，王玲玲-32-第45卷第6期 非金属矿 2022年11月加，砂浆稠度分别降低 25.5%、41.5%和 55.3%。复掺生石灰与硅灰时，生石灰掺量对砂浆的稠度影响更 显著。2.2 掺和料对 HPGM 抗压强度的影响 2.2.1 单掺生石灰或硅灰对HPGM抗压强度的影响：单掺生石灰、硅灰时，HPGM 28 d 抗压强度试验结果，见图 2。图2 单掺生石灰、硅灰对HPGM抗压强度的影响从图 2 可看出，掺和料对 HPGM 抗压强度影响显著，生石灰掺量由 3%增至 7%时，HPGM 抗压强度先升高后降低；随着硅灰掺量的增加，HPGM 抗压强度的增长率由 7.4%提高到 36.7%。HPGM 抗压强度随生石灰掺量增加先升高后降低，随硅灰掺量增加逐渐升高，生石灰与硅灰单掺的最优掺量为3