利用化工廢石膏制備新型建筑膠凝材料的研究

納科

摘 要：選用水泥為固化劑材料，以粉煤灰和廢石膏為外加劑進(jìn)行道路基材改良，研究了齡期、浸水期、廢石膏綜合摻配下鈦石膏-粉煤灰材料的強(qiáng)度變化規(guī)律。結(jié)果表明，鈦石膏-粉煤灰膠凝材料在7 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較小，在14、28 d齡期，試件抗壓強(qiáng)度隨鈦石膏增加而增加，浸水養(yǎng)護(hù)7、28 d時(shí)，膏灰比3∶7、4∶6、5∶5時(shí)的軟化系數(shù)較大，且膏灰比5∶5時(shí)的抗拉強(qiáng)度最大，軟化系數(shù)均大于0.82。鈦石膏-粉煤灰膠凝材料的膠凝材料水化產(chǎn)物以鈣礬石（AFt）、水化硅酸鈣（C-S-H）為主，摻入的廢石膏形成鈣礬石形成網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)構(gòu)造，并填充進(jìn)空隙中，降低了水泥土孔隙率，提高了水穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：廢石膏；粉煤灰；道路建材

中圖分類號：TQ177.3+9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0091-03

Study on the preparation of new building cementing materials byusing chemical waste gypsum

NA Ke

（Qinghai Chemical Design and Research Institute Co.，Ltd.，Xining 810008，Chaina

）

Abstract：Using cement as curing agent andfly ash and waste gypsum as admixtures，the road base material was improved.The strength variation law of titanium gypsum-fly ash material was studiedafter mixedwith age，immersion period and waste gypsum.The results showed that there was little impact on the unconfined compressive strength of titanium gypsum-fly ash material at the age of 7 days，and the compressive strength of the specimens increased with the increase of titaniumgypsum at the age of 14 and 28 days.The softening coefficient of the specimens was larger at the ratio of plaster to ashat 3∶7，4∶6 and 5∶5 after 7 and 28 days of water curing，and the tensile strength was the largest at the ratio of gypsum to ash at 5∶5，with the softening coefficient greater than 0.82.The hydration products of titanium gypsum-fly ash gelling material weremainly AFt and C-S-H，and the waste gypsum formeda network connection structure，and filledit into the gap，which reducedthe porosity of the cement soil and improvedthe water stability.

Key words：waste gypsum;fly ash;road building materials

天然土體因其高塑性指數(shù)、水穩(wěn)定性差、級配不良的問題難以直接作為道路建筑材料，需要對基層材料進(jìn)行改良［1］。傳統(tǒng)的改良措施包括石灰、水泥固化劑改良［2］，但由于水泥、石灰生產(chǎn)過程中形成CO2氣體容易對環(huán)境造成很大污染［3］，因此，利用無害化工業(yè)固廢物進(jìn)行道路基材的改良，是實(shí)現(xiàn)“環(huán)境友好型”發(fā)展的重要舉措。鈦石膏是在處理酸性廢水中產(chǎn)生的一種以二水石膏為主要成分的工業(yè)廢副產(chǎn)物，是一種很好的道路建材固化劑材料［4-5］。如一些研究指出，將不高于35%的鈦石膏摻入到粉煤灰、石灰基層材料中，有效提高了其水穩(wěn)定性、抗干濕循環(huán)能力和收縮率［6］；在石灰粉煤灰中摻入18%～23%的鈦石膏植被膠凝材料，獲得的膠凝體抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于普通二灰穩(wěn)定土［7］。因此，結(jié)合道路建設(shè)現(xiàn)狀，選用水泥為固化劑材料，以粉煤灰和廢棄石膏為外加劑進(jìn)行道路基材改良，并分析了不同性能參數(shù)下的材料各項(xiàng)力學(xué)特性和固化機(jī)理，獲得最優(yōu)配合比，以期為粉煤灰-石膏-水泥土道路基

材工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

鈦石膏，取自上海鈦白粉廠排除的工業(yè)廢石膏，經(jīng)球磨儀研磨；粉煤灰，取自上海二橋熱電廠；水泥，選用安徽寧國水泥廠P·O525水泥?；U石膏和粉煤灰化學(xué)成分和細(xì)度見表 １。

1.2 試樣制備

以廢石膏、粉煤灰、水泥植被堿激發(fā)凝膠材料，固定水泥含量10%，廢石膏與粉煤灰按照質(zhì)量比3∶4、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3進(jìn)行組分配比。每一組試件均制造3個(gè)平行試件，共制備240個(gè)，采用7、14、28 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和1、7、24 d浸水養(yǎng)護(hù)方式。

根據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)定》， 試驗(yàn)前將水泥充分?jǐn)嚢杈鶆颍瑢⒐袒瘎┌凑罩贫烤鶆蚣尤氲剿嘀袛嚢?～8 min，充分混合，取少量攪拌好土均分為5層置于50 mm×50 mm圓柱形模具中擊實(shí)，將制成的試件置于溫度場（20±2）℃，濕度場95%±2%養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行7、14、28 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，浸水養(yǎng)護(hù)將試件置于（20±2）℃水中，水面漫過試件頂約2.5 cm，于1、7、24 d的浸水養(yǎng)護(hù)后備用。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)JTG E51—2009進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)用萬能試驗(yàn)機(jī)以1 mm/min加載速率加壓。通過試件浸水強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度計(jì)算軟化系數(shù)，評價(jià)試件的水穩(wěn)定劑，即：

Kf=RfR0

式中：Kf表示軟化系數(shù);Rf和RO分別為試件浸水養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度，MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同齡期的材料強(qiáng)度

由表2可知，在28 d齡期內(nèi)，隨著齡期的增大，不同膏灰比下的試件抗拉強(qiáng)度均表現(xiàn)出增大趨勢，在7 d齡期時(shí)，不同配合比試件抗壓強(qiáng)度隨鈦石膏含量提升而上升，但早期增幅效果并不明顯，其中在膏灰比3∶7時(shí)的抗壓強(qiáng)度為1.68 MPa，隨著鈦石膏比例的增加，當(dāng)膏灰比達(dá)到7∶3時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.63 MPa，增幅明顯。在14～28 d齡期內(nèi)，各組試件的抗壓強(qiáng)度均顯著增加，在膏灰比為5∶5時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，14 d齡期的抗壓強(qiáng)度為4.48 MPa，28 d齡期時(shí)的試件抗壓強(qiáng)度為5.32 MPa。

2.2 不同浸水期下膠凝材料的水穩(wěn)定性

由表3可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，不同配比試件的浸水抗壓強(qiáng)度均得到增大。當(dāng)膏灰比5∶5時(shí)，7 d浸水時(shí)間下的試件抗壓強(qiáng)度為4.12 MPa，24 d浸水時(shí)間下的試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到4.36 MPa，均達(dá)到最大值。相較于表2可以發(fā)現(xiàn)，浸水7 d和24 d的抗壓強(qiáng)度均有所下降，但是抗壓強(qiáng)度在膏灰比5∶5時(shí)依然達(dá)到最大值。

由表4可知，隨著鈦石膏的含量不斷增加，各組浸水試件的軟化系數(shù)均在不同程度的下降，其中浸水1 d時(shí)的試件中，膏灰比6∶4和7∶3條件下的軟化系數(shù)降幅明顯高于膏灰比3∶7和4∶6條件下的試件。浸水7 d時(shí)的試件中，膏灰比3∶7時(shí)的試件組軟化系數(shù)稍有增加，其余膏灰比組試件的軟化系數(shù)均表現(xiàn)出下降趨勢，且鈦石膏含量比例越高，其浸水軟化系數(shù)越低，當(dāng)膏灰比為3∶7、4∶6、5∶5時(shí)的試件軟化系數(shù)均在0.9以上。浸水24 d時(shí)的試件軟化系數(shù)相較于浸水7 d軟化系數(shù)均由一定程度的降低，其中膏灰比3∶7、4∶6、5∶5時(shí)的試件軟化系數(shù)均在0.82以上。

2.3 掃描電鏡結(jié)果分析

根據(jù)不同膏灰比對試件材料的影響，選擇膏灰比為5∶5試件材料進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡分析，設(shè)定掃描電鏡放大倍數(shù)20 000倍。

圖1為不同浸水期微觀結(jié)構(gòu)。

由圖1（a）可看到明顯的交錯(cuò)細(xì)長針柱狀產(chǎn)物，為反應(yīng)初期生成的鈣礬石（AFt）水化產(chǎn)品。試樣內(nèi)可觀察到大量層狀氫氧化鈣晶體以及少量團(tuán)聚凝膠物，即生成的水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠，逐漸形成水泥土骨架。細(xì)長針狀鈣礬除發(fā)生自身的膨脹外，同時(shí)與水化硅酸鹽形成特殊的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，支撐空間空隙［12］。圖1（b）為浸水養(yǎng)護(hù)24 d的微觀結(jié)構(gòu)圖，水泥與鈦石膏間通過水化膠凝產(chǎn)物連接，其中的基本單元結(jié)構(gòu)以針狀結(jié)晶、片狀體和小顆粒不規(guī)則彎曲形幾何體為主，片狀體相互重疊聚成基層，少量團(tuán)粒分布在片層結(jié)構(gòu)間，隨機(jī)不定項(xiàng)的排列［13］。通過鈦石膏和粉煤灰改良水泥土，一方面利用鈣礬石將宿松的骨材集中連接起來，增加了骨材的接觸連接［14］，另一方面，鈣礬石直接填充于縫隙內(nèi)部，充分發(fā)揮了水泥水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用，提升了固化強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的柔性［15］。

2.4 鈦石膏-粉煤灰膠凝材料水穩(wěn)定性機(jī)理分析

鈦石膏不僅降低了水泥孔隙率，支撐了水泥空隙骨架結(jié)構(gòu)，同時(shí)提升了水泥土早期強(qiáng)度，使得整個(gè)土系結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙被填充物充滿，整個(gè)凝膠體相互連接。在凝膠水穩(wěn)定性方面，是由于水化產(chǎn)物AFt和C-S-H凝膠生成的耐水性產(chǎn)物。反應(yīng)早期水泥水化和粉煤灰生成C-S-H和AFt，水泥產(chǎn)生Ca2+、OH-與石膏中SO42-擴(kuò)散至粉煤灰表面，破壞粉煤灰結(jié)構(gòu)，使粉煤灰內(nèi)部的活性SiO2和Al2O3溶出［17］，進(jìn)一步促進(jìn)C-S-H和AFt生成，產(chǎn)物直接包裹部分石膏，降低了二水石膏受到水的侵蝕。同時(shí)水化的粉煤灰和水化產(chǎn)物填充于硬化體空隙中，使結(jié)構(gòu)更緊密，提升了膠凝材料水穩(wěn)定性［18］。

3 結(jié)語

（1）鈦石膏-粉煤灰膠凝材料在7 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較小，在14 d和28 d齡期，試件抗壓強(qiáng)度隨鈦石膏增加而增加，浸水養(yǎng)護(hù)7、24 d時(shí)，膏灰比3∶7、4∶6、5∶5時(shí)的軟化系數(shù)較大，且膏灰比5∶5時(shí)的抗拉強(qiáng)度最大，軟化系數(shù)均大于0.82；

（2）膠凝材料水化產(chǎn)物以AFt、C-S-H為主，摻入的廢棄石膏形成鈣礬石產(chǎn)生支撐骨架，

形成網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)構(gòu)造，提高了道路建材強(qiáng)度，同時(shí)形成單珍珠狀鈣礬石填充入空隙中，構(gòu)成之別的膠粒結(jié)構(gòu)，降低了水泥土孔隙率，提高了水穩(wěn)定性。

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收稿日期：2023-06-11；修回日期：2023-09-15

作者簡介：納 科（1988-），男，本科，研究方向：化工設(shè)計(jì)；E-mail：635296789@qq.com。

引文格式：納 科.利用化工廢石膏制備新型建筑膠凝材料的研究［J］.粘接，2023，50（11）：91-93.