稻草纖維+礦渣微粉增強(qiáng)磷石膏基材料性能的研究

徐慶祥 仇建宇 李文松 熊芷瑩

（貴州師范大學(xué)磷石膏基復(fù)合材料與建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

磷石膏的長期大量堆放，特別是經(jīng)過雨水浸泡以后，其中的重金屬、氟化物等有害雜質(zhì)會以水體為介質(zhì)在環(huán)境之中傳遞，引起水系以及土壤的污染[1]。據(jù)統(tǒng)計，到2019年，我國磷石膏的新增堆存量仍然保持在45Mt/a左右，依舊存在較大的環(huán)境風(fēng)險和堆存壓力[2]。纖維有增韌、增強(qiáng)和阻裂的作用，而對于稻草纖維，因其來源廣泛，相對質(zhì)量較輕，擁有一定的韌性，呈現(xiàn)條狀的線性結(jié)構(gòu)[3]，而直接焚燒會帶來大氣污染和浪費(fèi)，近年來相關(guān)人員對其有效利用進(jìn)行了大量的研究。Huangy[4]等以磷石膏-礦渣-石灰-水泥體系膠凝磷石膏基復(fù)合材料制作試件，經(jīng)過測試，試件在90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)7h后自然養(yǎng)護(hù)7d的抗壓強(qiáng)度達(dá)到15.6MPa。張學(xué)元[5]等從輕骨料混凝土拉壓比、抗沖擊強(qiáng)度分析稻草纖維的增韌效果，結(jié)果表明，稻草纖維提高輕骨料混凝土拉壓比的效果與其他纖維相近，且改性后提高抗沖擊強(qiáng)度效果顯著。

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，將礦渣微粉、磷建筑石膏、稻草纖維3種材料進(jìn)行配比，即以磷建筑石膏為基體，加入礦渣作為增強(qiáng)磷石膏基復(fù)合材料，以生石灰作為堿性激發(fā)劑，再加入稻草纖維，通過研究礦渣微粉以及稻草纖維還有生石灰的摻量對磷石膏材料性能影響的情況，探索一種能夠滿足建筑行業(yè)使用要求的礦渣增強(qiáng)稻草纖維磷石膏基復(fù)合材料。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

磷建筑石膏：取自貴州開來綠色建筑磷石膏基復(fù)合材料公司，外觀為灰白色粉末狀，β半水石膏含量為80%，細(xì)度（方孔篩余）為4.7%，初凝時間6min，終凝時間13.5min。

稻草：取貴陽地區(qū)出產(chǎn)的稻草秸稈，表面色澤明亮，內(nèi)部無腐爛發(fā)霉情況。

礦渣微粉：取自河北某礦場S95型礦渣微粉，表面呈白色粉末狀，比表面積為452.3m2/kg，測定密度為2.86g/cm2，具體成分如表1所示。

表1 礦渣微粉成分（單位：%）

NaOH溶液：原狀為白色片狀晶體，取自河北慶興化工產(chǎn)品有限公司。通過加水配置的體積分?jǐn)?shù)5%NaOH溶液。

生石灰：取自四川重慶天陽建材公司，純度99%以上。

緩凝劑：取自北京萬圖科技有限公司，類型為蛋白類石膏緩凝劑，表面呈灰白色粉末狀，軟化系數(shù)0.2~0.5。

1.2 試件制備

將遴選后的稻草進(jìn)行剪切或者粉碎后浸入5%NaOH溶液12h后取出，干燥水洗，測定pH酸堿度為6左右，晾干備用。為了增加對磷石膏的利用效率，在磷石膏基復(fù)合材料制備中，石膏的使用量應(yīng)適量提高，控制在50%以上。礦渣摻入過多增加磷石膏復(fù)合材料比重，使磷石膏基復(fù)合材料密度增大，導(dǎo)致比熱系數(shù)增大[6]，故而將礦渣控制在40%以內(nèi)。生石灰的摻入會增加OH-的含量，促進(jìn)鈣礬石生成，增加膨脹應(yīng)力，膨脹應(yīng)力過大時容易產(chǎn)生裂隙[7]，故而生石灰的摻量控制在2%～6%以內(nèi)。稻草纖維的摻量控制在10%以內(nèi)，長度為0.5~4.5cm。

試件參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（GBT 17671）進(jìn)行制取，需注意以下要點(diǎn)：

嚴(yán)格按照設(shè)計要求設(shè)計磷石膏基復(fù)合材料配合比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，室內(nèi)濕度為50%左右，溫度為20±1℃。攪拌時，先將緩凝劑放入稱量好的水中，用玻璃棒充分?jǐn)嚢?。使得緩凝劑充分融入水中。然后將處理好的磷石膏粉末倒入攪拌鍋，?jīng)過60s攪拌初步均勻后，將浸潤濕透的稻草均勻放入?yún)⑴c攪拌90s至各成分完全均勻。然后裝入模具，放在振搗臺上進(jìn)行振搗。振搗前，用插搗棒均勻插搗60次，然后進(jìn)行振搗，抹平后覆蓋上塑料薄膜，防止水分快速蒸發(fā)流失，保持試模濕度。24h后拆除試模，將試件置放于濕度為90%、20℃恒溫恒濕條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.3 測試方法

1.3.1 表觀密度及吸水率

參照標(biāo)準(zhǔn)《排水法測定材料密度》（GB/T 134772-2022）測定試件表觀密度，參照《紙面石膏板表面吸水率測定方法》（GB/T 9775-2008）測定材料吸水率。

1.3.2 抗壓/抗折強(qiáng)度

試件參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（GBT 17671）進(jìn)行強(qiáng)度檢驗(yàn)。

1.3.3 相關(guān)性分析

在上述單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取礦渣含量、生石灰摻量、纖維摻量、纖維長度4個因素作為試驗(yàn)因素，磷石膏基復(fù)合膠凝材料表觀密度、吸水率、抗壓及抗折性能為響應(yīng)值，用SPSSAU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 對磷石膏基復(fù)合材料密度的影響

各因素改變對表觀密度的影響試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，礦渣和生石灰的增加，增大了磷石膏基復(fù)合材料樣品的密度。當(dāng)?shù)V渣摻量從10%增加到30%的時候，密度從1122.42kg/m3增加到1496.37kg/m3，增量為24.98%；隨著生石灰從2%增加到6%，試件密度從1286.34kg/m3增加到1336.26kg/m3，增量為24.98%。稻草纖維摻量的增加，降低了試件的密度。隨著稻草纖維的增加，密度呈曲線下降，且當(dāng)纖維的含量逐漸增大，其密度改變的速率逐漸加快，當(dāng)?shù)静堇w維摻量達(dá)到10%時，試件的密度下降到1119.72kg/m3。稻草纖維長度在0.5~1.5cm之間時，對于密度影響較大，稻草纖維長度在1.5~4.5cm之間時，稻草纖維的長度變化對于試件的密度無明顯改變。

表2 各因素改變對表觀密度的影響試驗(yàn)結(jié)果

在以生石灰作為堿性激發(fā)劑的條件下，礦渣水化生成C-S-H，然后部分C-S-H與磷建筑石膏水化物二水硫酸鈣（2.32g/cm3）生成鈣礬石，鈣礬石的密度小于二水硫酸鈣（1.73g/cm3）的密度，但是未參與生成鈣礬石的部分，密度大于鈣礬石與二水硫酸鈣。隨著礦渣的增加，C-S-H生成量增加，故而試件密度先緩慢增長，然后逐漸加快。隨著生石灰的增加，其堿激發(fā)作用加強(qiáng)，分離出的OH-增加，促進(jìn)鈣礬石的生成，從而一定程度降低了表觀密度。由于稻草纖維的密度較小，隨著稻草纖維增量的不斷加大，其體積不斷增大，材料密度減小。同時因?yàn)榈静堇w維具有親水性，使得磷石膏基復(fù)合材料內(nèi)部的水分增加，試件成型后，隨著自由水的流失，使得磷石膏基復(fù)合材料的內(nèi)部孔隙率增加，減小磷石膏基復(fù)合材料密度。

2.2 對磷石膏基復(fù)合材料吸水率的影響

各因素改變對吸水率影響試驗(yàn)結(jié)果,如表3，礦渣摻量的增加，降低了樣品的吸水率，隨著礦渣從10%增加到30%，試件的吸水率從22.45%降低到12.32%，減少了44.90%。在試驗(yàn)條件下，隨著生石灰的比例不斷上升，試件的吸水率從22.45%降低到12.32%，減少量為44.90%。稻草纖維摻量的增加，增加了試件的吸水率隨著稻草纖維的增加，吸水率呈曲線上升，且當(dāng)纖維的含量逐漸增大，其吸水率改變的速率逐漸加快，當(dāng)?shù)静堇w維摻量達(dá)到10%時，試件的吸水率上升到23.59%。稻草纖維長度在0.5~1.5cm之間時，吸水率較小，稻草纖維長度在1.5~4.5cm之間時，稻草纖維的長度對于試件的吸水率無明顯改變。

表3 各因素改變對吸水率影響試驗(yàn)結(jié)果

C-S-H凝膠的生成，減少了水的蒸發(fā)作用，而隨著鈣礬石帶來的體積膨脹，填充磷石膏基復(fù)合材料內(nèi)部部分孔隙，降低孔隙率，試件的密實(shí)度得到增長，吸水率降低。稻草纖維作為一種常見的植物纖維，其主要成分為纖維素，其親水性較強(qiáng)，從而影響基體界面和纖維本身的耐久性[8]。同時，稻草纖維具有親水性，使得磷石膏基復(fù)合材料內(nèi)部的水分增加，試件成型后，隨著自由水的不斷蒸發(fā)，使得磷石膏基復(fù)合材料的內(nèi)部孔隙率增加。當(dāng)?shù)静堇w維長度<1cm時，其與水的接觸面較大，且更容易在磷石膏基復(fù)合材料內(nèi)部離散分布，減少了交叉等情況產(chǎn)生的孔隙，降低材料的吸水率。

2.3 對磷石膏基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖4所示。

2.3.1 磷石膏基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度

由圖1可知，礦渣比例的增加，使得磷石膏基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度得以增強(qiáng)。隨著礦渣比例從10%增加到30%，磷石膏基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度從4.60MPa增加到8.70MPa，增長率為89.13%，抗折強(qiáng)度增長速率由平緩逐漸加快。由圖2可知，生石灰的加入對于磷石膏基復(fù)合材料的強(qiáng)度有增強(qiáng)作用，當(dāng)生石灰的摻量為3%時，磷石膏基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值9.5MPa。由圖3可知，當(dāng)?shù)静堇w維增加到4%時，試件的抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值7.8MPa，然后逐漸降低。由圖4可知，當(dāng)?shù)静堇w維的長度在1.5～4.5cm之間變化時，對于材料的影響并不明顯，而長度在0.5cm左右碎末狀變?yōu)?.5cm長條狀時，抗折強(qiáng)度則從6.5MPa增加到7.5MPa。

分析其原因可能是膠凝磷石膏基復(fù)合材料內(nèi)部礦渣水化生成的絮狀C-S-H凝膠包覆住CaSO4·2H2O以及AFt晶體，形成密實(shí)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[9]，使得磷石膏基復(fù)合材料抗折性能增加。生石灰的加入，為礦渣的水化提供了堿性條件，使礦渣的活性得以激發(fā)，水化生成C-S-H凝膠，但是當(dāng)生石灰的含量增多時，鈣礬石的生成量也會提高[10]，其在磷石膏基復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致磷石膏基復(fù)合材料內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，降低了磷石膏基復(fù)合材料的抗折能力。由于稻草纖維在磷石膏基復(fù)合材料內(nèi)部的復(fù)雜的網(wǎng)狀分布，產(chǎn)生了橋梁搭接的功能，稻草纖維本身的韌性一方面抵消了一部分鈣礬石的大量生成引起的膨脹應(yīng)力；另一方面，對磷石膏基材料在受外荷載過程中起到牽拉作用，抵消一部分荷載。但是當(dāng)?shù)静堇w維含量過大，會使得磷石膏基復(fù)合材料其他材料的含量降低，減少C-A-H凝膠生成，使得磷石膏基復(fù)合材料力學(xué)性能下降。纖維摻量適量時（4%）時，其在磷石膏基復(fù)合材料內(nèi)部分散較為均勻，對于荷載的傳遞和吸收作用隨著纖維的增大而增大；但是當(dāng)纖維摻量過大時，纖維容易成團(tuán)、糾結(jié)，造成內(nèi)部受力的不均勻，從而影響磷石膏基復(fù)合材料的性能。稻草纖維的摻量不變時，隨著長度的增加，稻草纖維與磷石膏基C-S-H凝膠的接觸面減少，以及稻草纖維在單位截面上的分布量減少，對抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)能力下降。

2.3.2 對磷石膏基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的影響

不同因素對復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的影響與對抗折強(qiáng)度的影響相似。由圖1可知，隨著礦渣摻量的增加，抗壓強(qiáng)度從8.70MPa增長到17.70MPa，增量為103.45%，抗壓強(qiáng)度增長速率由平緩逐漸加快。從圖2可知，生石灰的加入對于磷石膏基復(fù)合材料的強(qiáng)度有增強(qiáng)作用，當(dāng)生石灰的摻量為3%時，磷石膏基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值18.3MPa，然后逐漸降低。由圖3可知，當(dāng)?shù)静堇w維的摻量逐漸增加，試件的抗折強(qiáng)度在逐漸降低。由圖4可知，當(dāng)?shù)静堇w維的長度在1.5～4.5cm之間變化時，對于材料的影響并不明顯，而長度在0.5cm左右碎末狀變?yōu)?.5cm長條狀時，抗壓強(qiáng)度則從19.3MPa減小到14.8MPa。

稻草纖維的增加，雖然一定程度減少了材料的膨脹應(yīng)力，但會讓磷石膏基復(fù)合材料其他組成部分的含量降低，使得磷石膏基復(fù)合材料抗壓性能下降。隨著稻草纖維的長度增加，抗壓強(qiáng)度由17.3MPa減小到14.8MPa，可能是由于稻草纖維的長度增加，攪拌時磷石膏基材料內(nèi)部容易呈團(tuán)、糾結(jié)，使得材料內(nèi)部產(chǎn)生受力弱點(diǎn)。

2.4 相關(guān)性分析

由表4可知，稻草纖維摻量、礦渣摻量、石灰摻量、稻草纖維長度對磷石膏基復(fù)合材料的表觀密度的影響有如下關(guān)系：稻草纖維摻量＞礦渣摻量＞石灰摻量＞稻草纖維長度;對吸水率、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度的影響如下：礦渣摻量＞稻草纖維摻量＞生石灰摻量。由表4可知，稻草纖維長度與吸水率、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.564、0.149、-0.603，接近于0，且p值分別為0.322、0.811、0.281，皆大于0.05，說明稻草纖維長度與吸水率、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度之間無顯著的相關(guān)關(guān)系。

表4 Pearson相關(guān)-詳細(xì)格式

3 結(jié)束語

（1）加入礦渣，改善了磷石膏基復(fù)合材料的吸水率以及力學(xué)性能。適量的稻草纖維的摻入會增加磷石膏基復(fù)合材料在抗折方面的性能，同時減輕礦渣增加的自重。

（2）對材料表觀密度影響的排序是：稻草纖維摻量＞礦渣摻量＞石灰摻量＞稻草纖維長度；對材料抗壓強(qiáng)度及吸水率影響的排序是：礦渣摻量＞稻草纖維摻量＞生石灰摻量＞稻草纖維長度。

（3）對磷石膏基復(fù)合材料的耐久性以及抗沖擊性能的影響以及各因素之間的相互影響還需要進(jìn)一步探究。