何玉鑫，瞿县

磷石膏（PG）是生产磷肥的副产物，国内每年产生PG近5000万吨，其中仅20%左右被利用。大量未处理的PG堆积或直接排放，污染了土地和水资源。充分利用PG不仅可以保护环境、实现资源再利用，而且能促进经济发展[1][2][3][4][5]。

以PG为主要原料，复配适量的矿渣微粉制备磷石膏基胶凝材料（PGS），可以作为二次利用PG的途径。张毅等[6]利用工业废石膏制备PGS，其抗冻融损失率达到30%以上。周富涛[7]发现Ca(OH)2和AFt晶体都可能致石膏基复合胶凝材料体系内部出现微裂纹。纤维现已广泛用于改善胶凝材料的性能，主要起增韧、增强和阻裂的作用，如钢纤维增强水泥砂浆、碳纤维增强混凝土、纤维增韧补强PGS等[8][9][10]。笔者在未处理的PG中掺入矿渣微粉，在水泥和液体的激发作用下制备了性能优良的PGS，通过评价其抗压强度、抗冲击功、抗折强度、抗冻性能和分析内部结构显微形貌来表征纤维改性PGS的效果，以期提高工业废物的资源化利用和建筑材料生产的节能水平。

图1 PG的XRD

图2 PG晶体的形貌

1 原材料与实验方法

1.1 原材料

PG（四川绵阳），灰色粉末状，主要成分是CaSO4·2H2O（见图1），粒径较粗（见图2）；矿渣（江苏南京），粉末状，比表面积为410m2/kg（以上两种原材料的化学组成见表1）；52.5级硅酸盐水泥（江苏南京）；碱激发剂为水玻璃、氢氧化钠溶液和硫酸钠按一定比例自制；保水剂为市售甲基纤维素。

1.2 实验方法

按PG：矿渣：水泥质量比为50：40:10配置粉料，在水固比为0.35，外掺碱激发（外加剂均外掺）、保水剂的条件下制备PGS。试样在室温下养护至规定龄期时，利用WHY-5型压力试验机和KZY-30电动抗折仪测试硬化体不同龄期的抗压强度和抗折强度。利用GT-60型压汞仪测试试块的孔隙率和孔径分布，并利用X’TRA型X衍射仪和JSM-5900型扫描电子显微镜对硬化体的成分和微观形貌进行分析。

2 结果与讨论

2.1 不同化纤掺量时PGS固化体的力学性能

抗压强度可以有效评价PGS固化体所承受的载荷的大小，抗压强度高，则PGS固化体所承受的载荷大。抗冲击功和抗折强度可以有效评价PGS固化体的韧性，抗冲击功和抗折强度大，PGS固化体的韧性则高。在20℃（湿度大于70%）养护下不同化纤掺量时PGS固化体的力学性能见表2。

表1 原材料的化学组成*，%

表2 不同化纤掺量时PGS固化体的力学性能

由表2可知，特种化纤的掺入对PGS固化体力学性能的影响较大，且掺量在0.3%时PGS固化体力学性能最佳，28d抗压强度、抗折强度和抗冲击功（为48.1MPa、4.8MPa和1213 J/m2）分别较净浆提高了20.6%、18.8%和69.7%。这主要是因为适量特种化纤桥联搭接作用显著，可以提高PGS固化体的强度和韧性；而过量的纤维取代了过多PGS固化体基体的位置，且在搅浆过程中容易引入气泡，致使PGS固化体强度降低，由于纤维可能形成更复杂的网状结构，会使PGS固化体的韧性增加。从经济和力学性能的角度出发，本文选取化纤的掺量在0.3%。

2.2 不同化纤掺量时PGS固化体的耐水性能

在20℃（湿度＞70%）养护条件下PGS固化体随着养护龄期的延长不断地水化，生成更多的水硬性产物，使其孔结构更加致密，耐水性能更加优异。化纤可以补强增韧PGS固化体，阻止PGS固化体在养护过程中出现裂纹，不同化纤掺量时PGS固化体的耐水性能见表3。

由表3可知，化纤的掺入对PGS固化体的耐水性能影响较大，当化纤掺量在0.3%时，耐水性能最佳，PGS固化体的吸水率（3.2%）较PGS固化体净浆降低了131.3%，PGS固化体的抗折强度软化系数、抗压强度软化系数和抗冲击功软化系数（0.96、0.86和0.95）较净浆固化体分别提高了38.5%、37.2%和21.1%。

2.3 不同化纤掺量时PGS固化体的孔结构

孔隙率和孔径分布可以有效评价PGS固化体的耐水性，孔隙率小和孔径分布在小孔区间，则PGS固化体耐水性优异。在20℃（湿度大于70%）养护条件下PGS固化体28d的总孔隙率和孔径分布见表4。

由表4可知，PGS固化体的孔隙率和密度随着化纤掺量的增加呈减少的趋势，当化纤掺量在0.3%时，PGS固化体28d的总孔隙率（8.32%）较PGS净浆固化体降低了176.0%，密度（1.60g/cm3）较PGS净浆固化体降低了10.0%，且PGS固化体28d的0～50nm无害孔（占75.77%）较PGS净浆固化体提高了65.8%，＞100nm有害孔（占19.86%）较PGS净浆固化体降低了54.4%。可见，适量掺入化纤可改善PGS固化体孔结构，有利于阻止介质水进入体系内部。

2.4 不同化纤掺量下的PGS固化体的抗冻融性能

PGS净浆固化体内部因过量的AFt出现微膨胀，在冻融循环过程中，PGS净浆固化体的裂纹扩大，化纤（低弹性模量）通过拔出、伸长和拉断阻止出现裂纹，提高PGS固化体的抗冻融性能。

由表5可知，特种化纤的掺入对PGS固化体的抗冻融性能影响较大，PGS净浆固化体抗冻融性能较差，局部表面出现大的裂纹（甚至破坏），而化纤掺量为0.3%时，对PGS固化体桥联搭接效果明显，其质量损失率、抗折强度损失率、抗压强度损失率和抗冲击功损失率（为1.4%、8.2%、5.3%和4.5%）最小。

3 微观结构

表3 不同化纤掺量时PGS固化体的耐水性能

表4 PGS固化体总孔隙率和孔径分布(50℃×24h)

表5 PGS固化体的抗冻融性能

PGS固化体的水化产物主要为CaSO4·2H2O晶体以及少量针状AFt晶体（见图3）。有关文献[11]指出，由于水化硅酸钙C-S-H结晶形态差，大部分以无定形态凝胶的形式存在，一些弥散的衍射峰被CaSO4·2H2O晶体的衍射峰覆盖，因此难以看出水化过程中C-S-H的存在。

矿渣在水泥作用下，活性二氧化硅和三氧化铝不断地从矿渣玻璃体中解离出来参与水化反应，水化产物随着养护龄期的延长不断地生成，孔结构致密，强度和耐水性改善，断面形貌见图4，其中a为PGS净浆固化体断面相貌，b为掺0.3%的PGS断面相貌。

由图4可知，PGS净浆固化体内部主要的晶相为CaSO4·2H2O以及少量的AFt晶体。根据Edinger理论可知，碱激发提高了体系的碱度，使CaSO4·2H2O晶体粒径变细（结合图2）；大量絮状的C-S-H凝胶包覆各个组分形成网状致密的结构，从宏观上提高了PGS固化体的力学性能；具有桥联搭接作用的化纤深深地插入PGS固化体内部，且C-S-H凝胶粘结在化纤表面，两者协同作用缓解了外力对整体的破坏作用。

3 结论

（1）化纤掺量在0.3%时，PGS固化体28d抗压强度、抗折强度和抗冲击功（为48.1MPa、4.8MPa和 1213J/m2）分别较净浆提高了20.6%、18.8%和69.7%。

图3 PGS固化体的XRD图谱

图4 PGS固化体的断面形貌

（2）化纤掺量在0.3%时，PGS固化体的吸水率（3.2%）较PGS固化体净浆降低了131.3%，PGS固化体的抗折强度软化系数、抗压强度软化系数和抗冲击功软化系数（0.96、0.86和0.95）分别较净浆固化体提高了38.5%、37.2%和21.1%。

（3）化纤掺量在0.3%时，PGS固化体28d的总孔隙率（8.32%）较PGS净浆固化体降低了176.0%，密度（1.60g/cm3）较PGS净浆固化体降低了10%，且PGS固化体28d的0～50nm无害孔（占75.77%）较PGS净浆固化体提高了65.8%，＞100nm有害孔（占19.86%）较PGS净浆固化体降低了54.4%。

（4）大量絮状的C-S-H凝胶包覆各个组分形成网状致密的结构，从宏观上提高了PGS固化体的力学性能；具有桥联搭接作用的化纤深深地插入PGS固化体内部，且C-S-H凝胶吸附在化纤表面，两者协同作用缓解了外力对整体的破坏作用。

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