磷石膏水泥復(fù)合濕拌砂漿配合比優(yōu)化研究

周遠(yuǎn)忠，吳福飛，王宏杰，陳鴻，李杰

（1.貴州師范大學(xué) 材料與建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州宇昆環(huán)保建材有限公司，貴州 貴陽 550017）

0 引言

貴州省是磷石膏產(chǎn)出量較大的省份，每年排放磷石膏約1100 萬t，給貴州磷化工企業(yè)的健康發(fā)展及周邊生態(tài)環(huán)境造成極大壓力[1-2]。為大力推進(jìn)磷石膏資源綜合利用，促進(jìn)磷化工產(chǎn)業(yè)綠色、創(chuàng)新、集約、高效發(fā)展[3-4]，貴州省從2018 年開始全面實(shí)施磷石膏“以渣定產(chǎn)”，實(shí)現(xiàn)磷石膏產(chǎn)消平衡，爭取新增堆存量為零[5]。2019 年起，力爭實(shí)現(xiàn)磷石膏消大于產(chǎn)，磷石膏每年的消納量將按照不低于10%的增速遞增，直至貴州全省磷石膏堆存量全部消納完畢。到2020 年，攻克一批不產(chǎn)生磷石膏的重大關(guān)鍵技術(shù)并盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，建成一批大規(guī)模、高附加值的磷石膏資源綜合利用示范項(xiàng)目，使磷石膏資源綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈基本形成，磷石膏資源綜合利用規(guī)模和水平大幅提升[6-7]。近年來，貴州省完善了磷石膏建材應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系，逐步打造磷石膏綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)學(xué)研用綜合平臺，基本形成了磷石膏綜合利用產(chǎn)業(yè)體系，建成了一批磷石膏建材生產(chǎn)項(xiàng)目，促進(jìn)相關(guān)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級。截至2021 年年底，貴州磷石膏資源綜合利用能力突破1000 萬t，形成磷石膏建材、充填和制酸三大利用途徑，2020 年、2021 年連續(xù)實(shí)現(xiàn)全省磷石膏“產(chǎn)消平衡”，大幅提高了磷石膏綜合利用水平，磷石膏資源綜合利用取得積極成效。

預(yù)拌水泥砂漿的主要優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、耐水性能好，能用于潮濕環(huán)境。但其缺點(diǎn)是水泥砂漿屬于脆性材料，水泥水化過程中存在體積收縮問題，易造成砂漿結(jié)構(gòu)體開裂和空鼓現(xiàn)象。同時(shí)，機(jī)制砂消耗量大，破壞地表植被，不利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境。針對傳統(tǒng)水泥砂漿需要大量使用機(jī)制砂及添加緩凝劑且產(chǎn)品存在收縮開裂、空鼓等缺陷[8-10]，本研究采用磷石膏為原料，通過一定的預(yù)處理改性后應(yīng)用到水泥砂漿中，替代部分細(xì)集料，制成磷石膏水泥復(fù)合濕拌砂漿，可減少機(jī)制砂和緩凝劑的用量，研究了其影響因素并對其配合比進(jìn)行優(yōu)化，通過微觀分析闡述其作用機(jī)理。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

磷石膏：二級，開磷化肥有限公司，顆粒較細(xì)，多呈不規(guī)則的片狀和板狀、少量呈棒狀，密度2.87 g/cm3，＞0.2 mm 顆粒含量6.2%，0.1～0.2 mm 顆粒含量3.6%，＜0.1 mm 顆粒含量90.2%，中值粒徑0.043 mm，符合GB/T 23456—2018《磷石膏》的要求；水泥：P·O42.5，西南水泥，符合GB/T 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求；機(jī)制砂：中砂，修文金龍砂廠，細(xì)度模數(shù)2.7，符合GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》的要求；增塑劑：固體，溶于水，山西省運(yùn)城市澳神建材有限公司，符合JG/T 426—2013《抹灰砂漿增塑劑》中勻質(zhì)性和砂漿性能要求；水：地下水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

1.2 試驗(yàn)方法

磷石膏改性處理：將原狀磷石膏進(jìn)行破碎，在其中摻2%～5%生石灰進(jìn)行中和，將其pH 值調(diào)至8～12，使之呈堿性狀態(tài)存放備用，再用3 mm 方孔篩篩分得到。濕拌砂漿的基礎(chǔ)配合比（kg/m3）為：m（磷石膏）∶m（水泥）∶m（增塑劑）∶m（機(jī)制砂）∶m（水）=600∶300∶6∶714∶280。在此基礎(chǔ)上，研究了磷石膏、水泥、增塑劑用量對磷石膏水泥復(fù)合濕拌砂漿性能的影響，并按照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對濕拌砂漿的性能進(jìn)行測試。

將磷石膏水泥復(fù)合濕拌砂漿養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后，取樣于密閉塑料瓶中，用無水乙醇終止水化，采用電子掃描顯微鏡及光電子能譜分析微觀形貌及微區(qū)化學(xué)組成。

2 結(jié)果與分析

2.1 磷石膏摻量對濕拌砂漿性能的影響

固定水泥、增塑劑用量分別為300、6 kg/m3，改變磷石膏和機(jī)制砂用量，磷石膏摻量（按占固體材料總質(zhì)量計(jì)）對濕拌砂漿性能的影響見表1。

表1 磷石膏摻量對濕拌砂漿性能的影響

由表1 可見，磷石膏摻量為18%～51%時(shí)，濕拌砂漿的出機(jī)稠度為75～86 mm，保水率均大于88%，砂漿的粘結(jié)性及潤滑性優(yōu)異。隨著磷石膏摻量的增加，濕拌砂漿的凝結(jié)時(shí)間延長，因此可大幅減少緩凝劑摻量。當(dāng)磷石膏摻量為37%時(shí)，凝結(jié)時(shí)間達(dá)到25 h，滿足濕拌砂漿凝結(jié)時(shí)間的使用性能要求。隨磷石膏摻量的增加，濕拌砂漿的28 d 抗壓強(qiáng)度及14 d 拉伸粘結(jié)強(qiáng)度逐漸降低，28 d 干燥收縮率變化不大，實(shí)測表觀密度和干密度逐漸減小。綜上所述，磷石膏摻量不超過51%時(shí)，濕拌砂漿性能均符合GB/T 25181—2019《預(yù)拌砂漿》的質(zhì)量要求。

2.2 水泥用量對砂漿性能的影響

固定磷石膏用量為600 kg/m3（摻量為41%）、增塑劑用量為6 kg/m3，水泥用量對濕拌砂漿性能的影響見表2。

表2 水泥用量對濕拌砂漿性能的影響

由表2 可見，水泥用量為300～360 kg/m3時(shí)，濕拌砂漿的出機(jī)稠度為76～81 mm，保水率均大于88%，粘結(jié)性及潤滑性優(yōu)異。隨水泥用量的增加，濕拌砂漿的凝結(jié)時(shí)間有所縮短，但幅度不大；28 d 抗壓強(qiáng)度及14 d 拉伸粘結(jié)強(qiáng)度逐漸提高；28 d干燥收縮率變化不大；實(shí)測表觀密度和干密度逐漸增大。綜上所述，水泥用量為300～360 kg/m3時(shí)，濕拌砂漿的性能均符合GB/T 25181—2019 的質(zhì)量要求。

2.3 增塑劑用量對濕拌砂漿性能的影響

固定磷石膏用量為600 kg/m3（摻量為41%）、水泥用量為300 kg/m3，增塑劑用量對濕拌砂漿性能的影響見表3。

表3 增塑劑用量對濕拌砂漿性能的影響

由表3 可見，增塑劑用量為2～10 kg/m3時(shí)，砂漿的出機(jī)稠度為77～82 mm；增塑劑用量為2、4 kg/m3時(shí)，保水率小于88%，達(dá)不到砂漿使用性能的要求。隨增塑劑用量的增加，砂漿的粘結(jié)性及潤滑性逐漸變好；凝結(jié)時(shí)間逐漸延長；28 d 抗壓強(qiáng)度及14 d 拉伸粘結(jié)強(qiáng)度大幅降低；28 d 干燥收縮率變化不大；實(shí)測表觀密度和干密度逐漸減小。綜上所述，從不同增塑劑用量的試驗(yàn)情況來看，增塑劑用量為6 kg/m3時(shí)，濕拌砂漿的性能符合GB/T 25181—2019 的質(zhì)量要求。

2.4 養(yǎng)護(hù)方式對濕拌砂漿性能的影響

按照磷石膏600 kg/m3、水泥300 kg/m3、增塑劑6 kg/m3、機(jī)制砂564 kg/m3、水280 kg/m3配比，分別采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)、風(fēng)吹養(yǎng)護(hù)3 種不同養(yǎng)護(hù)方式，對比砂漿的性能變化，探索最佳養(yǎng)護(hù)方式。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)：標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室[溫度（20±2）℃、相對濕度≥95%]養(yǎng)護(hù)28 d；自然養(yǎng)護(hù)：室內(nèi)自然環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28 d，溫度15～24 ℃、相對濕度60%～75%，保持自然通風(fēng)；風(fēng)吹養(yǎng)護(hù)：室內(nèi)采用2 臺普通空氣循環(huán)臺式電風(fēng)扇對試樣吹風(fēng)，每隔4 h 定時(shí)輪換使用電風(fēng)扇，風(fēng)扇頻率控制在10～15 Hz，每日8 h 吹風(fēng)養(yǎng)護(hù)，其余16 h 自然養(yǎng)護(hù)，連續(xù)吹風(fēng)養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)方式對濕拌砂漿性能的影響見表4。

表4 養(yǎng)護(hù)方式對濕拌砂漿性能的影響

由表4 可見，不同養(yǎng)護(hù)方式下濕拌砂漿的性能不同，28 d抗壓強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下最高，自然養(yǎng)護(hù)時(shí)有所下降，風(fēng)吹養(yǎng)護(hù)時(shí)損失最大。14 d 拉伸粘結(jié)強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下最高，自然養(yǎng)護(hù)時(shí)有所下降，風(fēng)吹養(yǎng)護(hù)損失最大。綜上所述，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)對濕拌砂漿的性能最有利。

2.5 磷石膏水泥復(fù)合濕拌砂漿的優(yōu)化配合比

綜合上述單因素試驗(yàn)結(jié)果及分析，優(yōu)化后的磷石膏水泥復(fù)合濕拌砂漿的配比如表5 所示，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的性能測試結(jié)果見表6。

表5 磷石膏水泥復(fù)合濕拌砂漿的優(yōu)化配比

表6 優(yōu)化后磷石膏水泥復(fù)合濕拌砂漿的性能

由表6 可見，2 組優(yōu)化濕拌砂漿的性能均符合GB/T 25181—2019 及JGJ/T 220—2010《抹灰砂漿技術(shù)規(guī)程》的要求，上述2 組試樣同時(shí)委托貴州省建材產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測院檢測，檢測結(jié)果與自檢結(jié)果相符。根據(jù)磷石膏消納量、技術(shù)性能及經(jīng)濟(jì)性綜合分析比較，確定Y02 配合比為相對最優(yōu)配合比，即磷石膏600 kg/m3、水泥300 kg/m3、增塑劑6 kg/m3、機(jī)制砂564 kg/m3、水280 kg/m3。按此配比制備的磷石膏水泥復(fù)合濕拌砂漿的耐久性見表7。

表7 磷石膏水泥復(fù)合濕拌砂漿的耐久性

由表7 可以看出，磷石膏水泥復(fù)合濕拌砂漿的軟化系數(shù)為0.83，28 d 抗?jié)B壓力為0.50 MPa，經(jīng)過25 次凍融循環(huán)后，強(qiáng)度損失率為10%，質(zhì)量損失率為2%，符合GB/T 25181—2019 的要求（強(qiáng)度損失率≤25%，質(zhì)量損失率≤5%），該砂漿具有抗水侵蝕性能和良好的耐久性。

2.6 SEM 分析

不同配合比磷石膏水泥復(fù)合濕拌砂漿的微觀分析如圖1所示。

由圖1 可見，磷石膏在水泥砂漿中的作用主要是填充作用和水化反應(yīng)。

（1）水化反應(yīng)：磷石膏經(jīng)過石灰中和預(yù)處理后，再與水泥、機(jī)制砂等配制成磷石膏水泥復(fù)合基濕拌砂漿，石灰中的CaO或Ca（OH）2能改善水化反應(yīng)條件，有利于形成必要的堿性反應(yīng)環(huán)境，水泥中的C3S、C3A 等在堿性反應(yīng)環(huán)境中反應(yīng)生成水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠和水化鋁酸鈣（C-A-H），水化鋁酸鈣與磷石膏溶解出的硫酸根離子反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣（鈣礬石AFt），其化學(xué)反應(yīng)式如下：

當(dāng)砂漿處于塑性狀態(tài)未達(dá)到完全凝固時(shí)，生成的鈣礬石一方面阻礙水泥中的C3A 水化，延緩砂漿的凝結(jié)，減少了化學(xué)緩凝劑的摻量；另一方面，針狀鈣礬石晶體相互穿插連接在一起，有利于提高砂漿的早期強(qiáng)度。同時(shí)，生成的針狀鈣礬石晶體，水化硅酸鈣凝膠附著在未反應(yīng)的磷石膏顆粒表面，可有效防止磷石膏溶解重結(jié)晶膨脹，使得未溶解的磷石膏顆粒充當(dāng)集料的作用。

（2）填充作用：磷石膏顆粒較細(xì)，大多呈不規(guī)則的片狀和板狀，少量呈棒狀。從圖1（a）～圖1（e）可以發(fā)現(xiàn)，砂漿中存在大量磷石膏顆粒，與水化產(chǎn)物相互交織在一起。有少量磷石膏顆粒較大，呈堆積形式[見圖1（c）]，雖然其界面結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，但磷石膏的膠結(jié)能比水泥弱，因此，要嚴(yán)格控制好磷石膏的粗細(xì)程度，使其充分發(fā)揮填充作用。

3 結(jié)語

（1）磷石膏、水泥及增塑劑用量、養(yǎng)護(hù)條件等均對磷石膏水泥復(fù)合濕拌砂漿的性能有影響。優(yōu)化的濕拌砂漿配合比為：磷石膏600 kg/m3、水泥300 kg/m3、增塑劑6 kg/m3、機(jī)制砂564 kg/m3、水280 kg/m3，磷石膏摻量為41%。

（2）按優(yōu)化配合比制備的濕拌砂漿出機(jī)稠度為78 mm，保水率90%，凝結(jié)時(shí)間25 h，實(shí)測表觀密度1750 kg/m3，28 d 抗壓強(qiáng)度6.2 MPa，14 d 拉伸粘結(jié)強(qiáng)度0.31 MPa，28 d 干燥收縮率0.16%，軟化系數(shù)0.83，28 d 抗?jié)B壓力位0.50 MPa，經(jīng)過25次凍融循環(huán)后，強(qiáng)度損失率為10%，質(zhì)量損失率為2%，符合GB/T 25181—2019 的要求。

（3）墻體表面采用磷石膏水泥濕拌砂漿裝飾后，通常處于封閉自然環(huán)境。在封閉環(huán)境中，砂漿中的水分不會(huì)散失，因此，使用磷石膏水泥復(fù)合基濕拌砂漿技術(shù)上是可行的。

（4）磷石膏溶解后，部分與水泥水化共同作用生成鈣礬石，起膠結(jié)及緩凝作用，未溶解的磷石膏則主要起填充作用。