外加劑對磷石膏凈漿物理力學性能的影響

丁佩恒 史文倩 宋旭艷 劉璐 李佳豪

摘? 要：以磷石膏為研究對象，通過對凝結時間，2h抗壓抗折強度和流動度性能進行測定，研究了外加劑種類和外加劑摻量對磷石膏凈漿物理力學性能的影響。結果表明，熟石灰早強劑和氯化鈣早強劑對磷石膏凈漿的影響效果相近，熟石灰摻量為2%時性能最佳;摻加G18緩凝劑的磷石膏凈漿性能全面優(yōu)于摻加GR緩凝劑，G18緩凝劑摻量為3‰時性能最佳。水灰比為0.4時試件無法成型，通過摻加8051減水劑使之能夠成型且8051減水劑摻量為3‰時性能最佳。

關鍵詞：磷石膏? 早強劑? 緩凝劑? 減水劑? 物理力學性能

中圖分類號：TQ177.312? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）05（c）-0086-06

Influence of additives on the physical and mechanical properties of phosphogypsum paste

DING Peiheng? SHI Wenqian? SONG Xuyan*? LIU Lu? LI Jiahao

（School of Civil Engineering， University of Science and Technology of Suzhou，

Suzhou， Jiangsu Province， 215011? China）

Abstract： Taking phosphogypsum as the research object， the effects of the type and amount of admixture on the physical and mechanical properties of phosphogypsum paste were studied by measuring the setting time， 2h compressive flexural strength and fluidity. The results show that the effect of hydrated lime early strength agent and calcium chloride early strength agent on phosphogypsum slurry is similar， and the performance is the best when the content of hydrated lime is 2%; The performance of phosphogypsum paste with G18 retarder is better than that with gr retarder， and the performance is the best when the content of G18 retarder is 3 ‰. When the water cement ratio is 0.4， the specimen can not be formed. It can be formed by adding 8051 water reducing agent， and the performance is the best when the content of 8051 water reducing agent is 3 ‰.

Key Words： Phosphogypsum; Early strength agent; Retarder; Water reducing agent; Physical and mechanical properties

磷石膏是濕法磷酸工藝產生的副產物，如今，我國磷石膏產量約為7500萬t，累計堆存量超過6億t，但綜合利用率低于40%[1]。磷石膏的主要成分為二水石膏，但含有可溶磷、未分解的磷礦等雜質，對磷石膏的再利用造成很大阻礙。因此磷石膏的堆存量逐年增加，并且對周邊生態(tài)環(huán)境造成嚴重的污染，將磷石膏做相應處理后制備建筑材料有重大意義[2]。而以磷石膏為基準材料，通過外加劑改性的磷石膏凈漿具有凝膠硬化快、施工性能好、體積穩(wěn)定等特點，再利用磷石膏符合現在綠色發(fā)展理念而且可以有效解決我國廢棄磷石膏處理問題。為促進磷石膏的再利用，提高磷石膏的利用率，本文以磷石膏為基準材料，摻加不同外加劑制備磷石膏凈漿，探究外加劑種類和摻量對磷石膏凈漿物理力學性能的影響，旨在為磷石膏再利用提高試驗依據。

1? 試驗部分

1.1 原材料

試驗以磷石膏為主要研究對象，磷石膏不同溫度下的X射線衍射結果如圖1所示。原狀磷石膏為深灰色塊狀固體，主要成分為二水石膏，經過150℃熱處理的磷石膏，成分主要為半水石膏，因此本實驗對150℃熱處理的磷石膏進行研究。熟石灰早強劑、氯化鈣早強劑、G18緩凝劑、GR緩凝劑、8051減水劑，均為蘇州兆佳建材科技有限公司提供。

1.2 試驗方法

標準稠度用水量、凝結時間和流動度按照《建筑石膏凈漿物理性能的測定》（GB/T 176 69.4-1999）進行測定。

石膏強度包括抗壓強度和抗折強度，按照《建筑石膏力學性能的測定》（GB/T 17 669.3-1999）標準進行測定，使用電動抗壓抗折試驗機對試塊進行抗壓抗折試驗，加載速率為0.3kN/s。自然養(yǎng)護條件為平均氣溫25℃，平均濕度90%。

2? 結果與分析

2.1 早強劑對磷石膏凈漿性能的影響

摻加早強劑能夠促進材料里膠凝材料的水化，提高磷石膏的早期強度，并且對后期強度無顯著影響[3]。因此，本節(jié)主要研究熟石灰早強劑和氯化鈣早強劑單摻以及復摻對磷石膏凈漿物理力學性能的影響。

2.1.1 熟石灰早強劑的影響

熟石灰作為激發(fā)劑時可以增強磷石膏的強度[4]，選用熟石灰早強劑，G18緩凝劑摻量1.5‰，0.6水灰比，球磨5min，150℃烘干4h的磷石膏，測定其不同摻量的膠凝性能，結果如圖2和表1所示。

由圖2（a）可見，隨著熟石灰摻量的逐漸提高，磷石膏的凝結時間先減小后增加，在熟石灰摻量為2.5%時，凝結時間達到了峰值，摻量超過2.5%時，凝結時間轉為降低。由圖2（b）可見，隨著熟石灰的摻量增加，抗壓抗折強度先增加后降低，在熟石灰摻量為2%時，磷石膏的2h抗壓抗折強度最高。摻入熟石灰后凝結時間縮短，強度明顯提高的原因是其能與可溶性磷組分發(fā)生中和反應，可以使磷石膏中的殘留酸轉化為惰性物質，中和磷石膏至中性，消除可溶性磷和可溶性氟的影響[5]。因此，摻入熟石灰后凝結時間縮短，強度明顯提高。

由表1可知，當熟石灰的摻量為2%的時候，磷石膏的其性能優(yōu)于其他摻量，且達到了GB/T 9776-2008建筑石膏的最高標準3.0級，所以經過綜合考慮，確定熟石灰的最佳摻量為2%。

2.1.2 氯化鈣早強劑的影響

選用氯化鈣早強劑，G18緩凝劑摻量2‰，0.6水灰比，球磨5min，150℃烘干4h的磷石膏，測定其不同摻量的膠凝性能，結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著氯化鈣摻量的提高，磷石膏的凝結時間和流動度隨之下降，在開始階段下降速度較平緩，后期氯化鈣摻量達到4%后下降速度加快，并且在氯化鈣摻量為2%時，初終凝時間和磷石膏流動度達到最大，摻量為4.5%時，凝結時間和流動度最小。隨著氯化鈣摻量的增加，抗壓抗折強度增加，因為氯化鈣與石膏中的礦物成分或者水化物發(fā)生反應，其生成物增加了石膏中的固相比例，有助于結構形成[6]，此外使石膏中的游離水減少，減少空隙。當氯化鈣的摻量為3%時，磷石膏抗壓抗折強度最大，所以氯化鈣最佳摻量為3%。

結合圖2、圖3和表1，熟石灰、氯化鈣單摻對磷石膏凈漿性能產生的影響較接近，早強劑種類的選擇還需根據其他外加劑對磷石膏凈漿的影響來確定。

2.2 緩凝劑對磷石膏凈漿性能的影響

磷石膏水化速度快，成核迅速，導致凝結硬化時間短，難以應用于實際，因此需要摻加緩凝劑來調節(jié)凝結時間，使其達到一個可控的范圍，以便進行施工處理。

2.2.1 G18緩凝劑的影響

探究G18緩凝劑對摻加不同早強劑磷石膏凈漿性能的影響，對一組熟石灰摻量2%，0.6水灰比，球磨5min，150℃烘干4h的磷石膏，另一組氯化鈣摻量3%，0.6水灰比，球磨5min，150℃烘干4h的磷石膏進行對比，結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著G18緩凝劑摻量的增加，2%熟石灰摻量磷石膏凈漿凝結時間和流動度都隨之提高，但抗折抗壓強度逐漸下降，G18緩凝劑的緩凝效果明顯，這是因為G18緩凝劑的是蛋白質類緩凝劑，具有多分子鏈，包裹石膏分子，抑制早期水化，降低晶核表面能，抑制晶核生長，導致水化速率降低[7]。

增加G18緩凝劑摻量，3%氯化鈣摻量;磷石膏凈漿的凝結時間和流動度都隨之提高，抗折抗壓強度逐漸降低。在摻入G18緩凝劑的情況下，摻入熟石灰的凈漿的凝結時間和流動度和摻入氯化鈣的幾乎沒有差異，但熟石灰凈漿強度的下降幅度低于氯化鈣?？芍狦18緩凝劑對于摻加兩種早強劑的石膏凈漿緩凝效果顯著，但從經濟性上考慮，熟石灰的摻量為氯化鈣摻量的2/3，所以，在摻入G18緩凝劑時，熟石灰略優(yōu)于氯化鈣。

2.2.2 GR緩凝劑的影響

探究GR緩凝劑對摻加不同早強劑的磷石膏凈漿性能的影響，對一組熟石灰摻量2%，0.6水灰比，球磨5min，150℃烘干4h的磷石膏，另一組氯化鈣摻量3%，0.6水灰比，球磨5min，150℃烘干4h的磷石膏進行對比，結果如圖5所示。

對比圖4和圖5可知，對于在2%熟石灰摻量下G18緩凝劑的凝結時間，流動度及抗折抗壓強度都比GR緩凝劑高，所以在摻入2%熟石灰的情況下G18緩凝劑的性能更加優(yōu)良。對于摻入3%氯化鈣的情況下，G18緩凝劑的性能也更加優(yōu)良，所以，G18緩凝劑的性能全面優(yōu)于GR緩凝劑，故選用G18緩凝劑。熟石灰的抗壓抗折強度略優(yōu)于氯化鈣，但凝結時間稍短一些。在考慮經濟性能的前提下，暫定早強劑為熟石灰，摻量為2%?？紤]到實際施工情況，需要較大的流動度和延緩初凝時間，所以選用3‰的G18緩凝劑。

2.3 減水劑對磷石膏凈漿性能的影響

熟石灰摻量2%，G18緩凝劑摻量3‰，球磨5min，150℃烘干4h的磷石膏，由于其抗折抗壓強度遠低于GB/T 9776-2008的最低標準1.0級，故選擇降低水灰比來提高其強度等級，結果見表2。

由表2可知，隨著水灰比的下降，凝結時間變短，流動度降低，強度隨之提高，0.45水灰比達到GB/T 9776-2008的2.0級標準。為了繼續(xù)提高其物理力學性能，0.4水灰比的情況下已經無法成型，所以選擇添加減水劑來降低用水量，減水劑分子在膠凝材料顆粒上的吸附會破壞膠凝材料顆粒的絮凝結構，釋放自由水，增加分散性[8]。

選用熟石灰摻量2%，G18緩凝劑摻量3‰，0.4水灰比，球磨5min，150℃烘干4h的磷石膏，摻加8051減水劑，其對磷石膏凈漿性能的影響結果見表3。

由表3可知，隨著8051減水劑摻量的增加，磷石膏初凝和終凝的時間逐步增加，流動度變大，抗折抗壓強度降低。從減水劑1‰～3‰的過程中，初凝時間增加了9min，終凝時間增加了10min;從2‰～3‰，流動度增加了105mm，從3‰～4‰，增加了65mm，因為往石膏體系中加水，石膏-水體系會絮凝化，絮凝結構中包裹著部分游離水，摻入減水劑使得絮凝結構破壞，釋放出包裹水[9]，導致凝結時間和流動度增加。從1‰～4‰，2h抗壓強度降低了6.9MPa，從2‰～3‰，抗壓強度降低了1.2MPa，從3‰～4‰，降低了2.7MPa。有研究表明，當減水劑加入建筑石膏水化體系中時，結晶接觸點更多，晶體間的搭接更為致密同時石膏內部結構變得更為致密[10]，所以從1‰～4‰中，磷石膏強度下降速度變緩，因此選用3‰的8051減水劑。

3? 結語

（1）熟石灰早強劑和氯化鈣早強劑對磷石膏凈漿的影響效果相近。根據緩凝劑和減水劑的影響，確定熟石灰早強劑更適合，且摻加2%熟石灰磷石膏凈漿的性能優(yōu)于其他摻量，達到了GB/T 9776-2008建筑石膏的最高標準3.0級。

（2）摻加緩凝劑能夠明顯延長磷石膏凈漿的凝結時間，摻加G18緩凝劑的磷石膏凈漿性能全面優(yōu)于摻加GR緩凝劑，摻量為3‰時性能最佳。

（3）水灰比0.4時，試件無法成型，通過摻加減水劑釋放絮凝結構中的游離水，使能夠成型，8051減水劑摻量為3‰時性能最佳。

參考文獻

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