磷建筑石膏基自流平砂浆的性能研究

2022-12-06廖仕雄吴磊全思臣赵志曼

新型建筑材料 2022年11期

廖仕雄，吴磊，全思臣，赵志曼，3

（1.云南凝创环保科技有限公司，云南昆明 650500；2.昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明 650500；3.云南经济管理学院建筑工程学院，云南昆明 650500）

0 引言

磷石膏是工业湿法生产磷酸过程中产生的副产物，每生产1 t磷酸会产生4.5～5.5 t磷石膏，是化工行业中排放量最大的固体废弃物之一，磷石膏的主要成分为二水硫酸钙（Ca－SO4·2H2O），如果对磷石膏处理不当，则会对环境造成严重的危害。从可持续发展的角度出发，对磷石膏的资源化利用具有重要的意义[1-3]。传统工艺中，磷石膏的使用需要进行水洗、煅烧和中和等预处理手段消除其毒性，使磷石膏转化为磷建筑石膏而具有空气硬化性能。石膏基建筑材料具有节能环保等优点得到了广泛应用[4]。生产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领域的应用已有许多研究[6-8]。

吴磊等[8]通过在磷建筑石膏中添加短切纤维，提高了磷建筑石膏材料的力学性能，解决了磷建筑石膏本身强度不足、难以利用的问题。MUN K和SO S[9]的研究表明，由92.5%水泥和7.5%建筑石膏组成的砂浆抗压强度可达到65MPa。但是，这些产品的附加值相对较低，导致应用范围有限。同时，自流平砂浆是一种被公认为高附加值材料的新型功能性建筑砂浆，具有良好的性能，能降低成本、节约劳动力，近年来得到了广泛的应用。许多研究表明，建筑石膏可以应用于生产石膏基自流平砂浆。采用高强度建筑石膏制备石膏基自流平砂浆，并通过化学外加剂对改性，性能可以得到很大的提升[10]。自流平砂浆需要有满足较好流动性和早期高强度的要求，使得使用磷建筑石膏受到一定的限制。钢渣是冶金工业中产生的废渣，中国的钢渣产生量随着钢铁工业的快速发展而迅速增加，钢渣的处理和资源化利用问题也越来越受到重视。一些研究表明[11-12]，钢渣能作为外掺料来改善胶凝材料的流动性、凝结时间、强度。同时，对于石膏基自流平砂浆强度低等问题，可以加入适量的水泥来改善[13-15]。

综上所述，由于磷建筑石膏的流动性损失较大，早期强度较低，因此对磷建筑石膏基自流平砂浆的研究较少。钢渣在提高胶结材料的流动性方面具有较好的效果，而水泥具有较高的早期强度。本研究旨在利用矿渣硅酸盐水泥、钢渣粉与磷建筑石膏复合制备性能符合JC/T 1023—2007《石膏基自流平砂浆》要求的磷建筑石膏基自流平砂浆，应用于实际生产中，以提高磷建筑石膏的附加值，促进磷石膏、钢渣的资源化利用，减少水泥用量。

1 试验

1.1 原材料

磷建筑石膏（PBG）：云南云天化股份有限公司生产，磷石膏经水洗、柠檬酸处理、石灰中和后在140℃下脱水6 h制得磷建筑石膏，其主要化学成分见表1。

水泥（SPC）：P·S42.5矿渣硅酸盐水泥，华新水泥股份有限公司生产，主要化学成分见表1。

钢渣粉（SSP）：100～200目黑色粉末，保定市高通材料科技有限公司生产，主要化学成分见表1。

表1 原材料的主要化学成分 %

消泡剂：有机硅类消泡剂，中山市汇中化工科技有限公司生产；聚羧酸系减水剂：减水率约25%，固含量98%，山东浩宇建材科技有限公司生产；流变剂：无机硅酸盐流变剂，白色粉末，江苏兆佳建材科技有限公司生产；石膏缓凝剂：柠檬酸缓凝剂，白色粉末，河北协同化学有限公司生产；砂：河砂，细度模数2.6，Ⅱ区中砂；纤维素醚：主要成分为β-1，4-葡萄糖苷键结合的直链式多糖类物质，上海锴源化工科技有限公司生产，白色粉末，黏度为4000 mPa·s。

水：自来水。

1.2 磷建筑石膏基自流平砂浆的制备

按照表2所示的配合比配制5种磷建筑石膏基自流平砂浆（PBG-BSLM）样品，固定减水剂2 g、消泡剂0.5 g、石膏缓凝剂0.7 g、流变剂0.4 g、水300 g、纤维素醚0.5 g。

表2 PBG-BSLM的配合比 g

首先，依据表2配合比，称取PBG-BSLM的原材料混合在搅拌锅中，用水泥胶砂搅拌机均匀搅拌120 s；然后，加水混合，搅拌60 s后取出PBG-BSLM，测试初始流动度、初始流变性和凝结时间。参照JC/T 1023—2007，将PBG-BSLM1倒入40 mm×40 mm×160 mm的模具中，终凝1 h后脱模，制备2组PBG-BSLM试件。每个配方的2组样品，在自然条件下静置24 h后，一组参照GB/T 17669.3—1999《建筑石膏力学性能的测定》进行24 h力学性能测试；另一组放入50℃恒温中养护至恒重，用于绝干力学性能测试。

1.3 性能测试与表征

（1）流动度参照JC/T1023—2007进行测试。

（2）力学性能参照GB/T17669.3—1999进行测试。

（3）拉伸粘结强度参照JC/T 1023—2007进行测试。

（4）微观形貌：将样品进行喷金处理后，采用扫描电镜（日本电子有限公司，Zeiss Sigma 300）对样品微观结构进行分析。

2 结果与讨论

2.1 SPC、SSP配比对磷建筑石膏基自流平砂浆性能的影响（见表3）

2.1.1 对流动性影响分析

由表3可知，PBG-BSLM的30 min流动度中PBGBSLM1、PBG-BSLM2的经时损失较大，分别损失了7、12 mm；PBG-BSLM3、PBG-BSLM4、PBG-BSLM5的30 min流动度基本无损失。以上分析表明，单独添加SPC时，BSLM的初始流动度最小，30min的流动度有一定的损失。当掺入SSP后，随着SSP取代SPC的量逐渐增加，初始流动度略有增大，30 min的流动度损失先增大后逐渐减小。JC/T 1023—2007对石膏基自流平砂浆的流动性要求较高，规定初始流动度应为140～150 mm，30 min流动度损失≤3 mm。各组BSLM样品中，仅有PBG-BSLM3的初始流动度和30 min流动度损失符合JC/T 1023—2007要求。

表3 SPC、SSP配比对磷建筑石膏基自流平砂浆性能影响

2.1.2 对凝结时间影响分析

由表3可知，随着SPC用量的减少，凝结时间呈逐渐延长的趋势。这是因为一定量的水泥会缩短石膏的凝结时间，反之钢渣粉则会延长石膏的凝结时间[16-17]，因此随着SPC的含量逐渐减小，SSP的含量逐渐加大时，凝结时间会延长，对于石膏基自流平砂浆，凝结时间太短或者太长都不利于现场施工和强度的发展，综合考虑，PBG-BSLM3的凝结时间较为适宜，便于施工。

2.1.3 对拉伸粘结强度影响分析

由表3可知，PBG-BSLM1的拉伸粘结强度最高，为1.35MPa，分别较PBG-BSLM3、PBG-BSLM5的拉伸粘结强度提高了0.07、0.20 MPa。这主要是因为普通硅酸盐与石膏反应后会生成钙矾石和硅酸钙凝胶[18]，加之钢渣与石膏也会生成少量C-S-H。当SPC、SSP与磷建筑石膏复合时，当仅有SPC时，PBG-BSLM硬化体生成的C-S-H会更多，随着SPC占比逐渐小于SSP时，生成的C-S-H逐渐减少，而且钙矾石对强度提升也逐渐被削弱。但是为促进钢渣的资源化利用，所制备的PBG-BSLM3是最佳选择，其拉伸粘结强度相对于最优的PBG-BSLM1下降幅度最小。

2.1.4 对强度影响分析

由表3可知，随着SPC用量的减少，24 h、绝干抗折强度呈现先下降后提高，然后继续下降的趋势。PBG-BSLM1样品的24 h、绝干抗折强度最大，分别为5.5、12.5 MPa，24 h、绝干抗压强度最大，分别为12.9、27.0 MPa。在JC/T 1023—2007中，石膏基流平砂浆的24 h、绝干抗折和抗压强度要求分别为≥2.5、≥6.0、≥7.5、≥20 MPa。所配制的PBG-BSLM样品中PBG-BSLM1、PBG-BSLM2、PBG-BSLM3、PBG-BSLM4的不同养护时间的抗折、抗压强度符合该标准要求。

2.1.5 最优配比的确定

由表3可知，PBG-BSLM3的各项性能均符合JC/T 1023—2007的要求。通过将SPC、SSP复配，可以成功地制备出性能良好的PBG-BSLM。制备的样品中PBG-BSLM1除了30 min流动度损失没达到JC/T 1023—2007的要求，其余各项性能均满足JC/T 1023—2007的要求，但是不利于钢渣的利用，同时也会加大水泥的用量。

2.2 SEM分析

PBG-BSLM1、PBG-BSLM3、PBG-BSLM5样品的SEM分析如图1所示。SEM分析选择了性能较好的2个样品和较差的1个样品进行分析，以研究样品硬化体内部形貌对其性能的影响机理。

图1 不同配比PBG-BSLM的SEM照片（×4000）

图1（a）表明，PBG-BSLM1的微观结构是由包裹在磷建筑石膏晶体表面的C-S-H凝胶和针状AFt相互重叠组成[CS-H、AFt的生成反应式，分别如式（1）、（2）所示]，因为这2种物质的形成使PBG-BSLM的微观结构变的更加致密，进而使其强度指标最优。图1（b）表明，PBG-BSLM3的内部结构也是由C-S-H、AFt、磷建筑石膏晶体复合而成，但是能明显看出，其内部结构的饱满程度比PBG-BSLM1的差，这是因为一部分的SPC被SSP所替代，虽然SSP与磷建筑石膏反应也能生成一部分的C-S-H凝胶，但是生成的量少，使整体的结构较松散，所以其强度小于PBG-BSLM1。从图1（c）可见，单独添加SSP制备的PBG-BSLM5，内部结构会很疏松，因为内部主要是有C-S-H、磷建筑石膏晶体组成的，缺少了AFt，会导致磷建筑石膏晶体搭接松散，出现一些大的空隙，不利于PBGBSLM5的强度发展，也是其强度比PBG-BSLM3差的原因。