减水剂对磷石膏基胶凝材料性能影响研究

时间：2024-12-29

江晓波，王思明，阮靖，曾龙骅，华苏东，姚晓，杨银银

（1.长江南京航道工程局，江苏南京 210011；2.南京工业大学材料科学与工程学院，江苏南京 211800；3.上饶中材机械有限公司，江西上饶 334000）

0 引言

磷石膏是工业生产磷酸时所生产的固体废弃物，每生产1吨的磷酸将会产生4～5t的磷石膏。我国目前磷石膏堆积量巨大，利用率非常低，仅有20%左右[1-2]。未经处理的原状磷石膏中含有磷、氟等物质，胶凝活性低，使用限制较大，现阶段还未实现有效的资源化利用[3-5]。因此，加快对磷石膏的资源化利用是重中之重。

磷石膏基胶凝材料是一种以原状磷石膏为主要原料，加入矿渣，水泥等外加剂制备的绿色胶凝材料。磷石膏基胶凝材料在使用时，工作性能较差，需要加入减水剂来改善工作性能。但是磷石膏的成分较为复杂，具有较多的杂质[6-7]，通常与水泥混凝土减水剂适应性差[8-9]。胡成[10]等研究了减水剂对磷石膏基自流平砂浆性能的影响。周登峰[11]等论述了不同减水剂对磷石膏基胶凝材料的影响。

为了提升减水剂与磷石膏胶凝材料之间良好的适应性，实现更高的砂浆性能，本文基于磷石膏胶凝材料的制备，通过研究不同的减水剂种类及掺量对磷石膏砂浆性能的影响，以期获得最佳的减水剂种类和掺量[12-13]。

1 实验

1.1 实验原料

磷石膏（PG，中国），其化学成分见表1。

表1 磷石膏的化学成分 %

使用的水泥为海螺32.5级复合硅酸盐水泥（PC32.5）；河砂，细度模数为2.15；矿渣；萘系减水剂（J-1，南京）、聚羧酸减水剂（J-2，南京）和脂肪族减水剂（J-3，南京）；三种细骨料：（1）河砂：来自南京搅拌站，细度模数为2.15，含泥量为3.28%，颗粒级配曲线见图1。（2）标准砂：厦门艾思欧标准砂，符合GB/T 17671—1999，每袋砂净含量为 1350±5g。（3）富镁镍渣：来自江苏，为金属冶炼过程中排放的一种特殊废渣，细度模数为2.79，含泥量为1.38%，颗粒级配曲线见图1，化学成分见表2。

表2 富镁镍渣的化学成分 %

图1 细骨料的级配曲线

1.2 实验方法

将磷石膏，矿渣，水泥按一定配比进行配料，PG掺量为50%，矿渣掺量为40%，水泥掺量为10%。以河砂为细骨料，胶凝材料与细骨料配合比为1∶3，水灰比为0.5。分别加入三种不同的减水剂并控制不同的掺量制备砂浆浆体进行性能测试。依据《水泥胶砂流动度测定方法》砂浆浆体的流动度。测量其砂浆硬化体强度，用压力机测量其抗压和抗折强度。依据GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》中胶砂抗折强度的测试方法[14]。将试件放在试验机上，当试件折断实验结束，读取数据计算抗折强度。此外依据《水泥胶砂强度检验方法》中抗压强度的测试方法，试件破坏读取数据计算抗压强度。

将养护至28 d的试样放入45℃烘箱中烘干至恒重，并称量恒重后的质量G1。烘干后的试样放入（20±2）℃的水槽中，试块间隔不小于20 mm，水面高出试样不小于20 mm，浸泡24 h后用干净抹布除去试块表面的水，测试其饱水状态下的质量G2，吸水率计算见公式（1）。

其中，Rw—胶凝材料硬化体的吸水率，%；G1—硬化体烘干后质量，g；G2—硬化体浸泡24 h后的质量，g。

测试其饱水状态及烘干状态下的抗压强度，软化系数计算见公式（2）。

其中，Ru—胶凝材料硬化体的软化系数，%；Pu0—硬化体烘干后抗压强度，MPa；Pu1—硬化体浸泡24 h后抗压强度，MPa。

2 结果与讨论

2.1 不同减水剂及掺量对磷石膏基砂浆流动度的影响

减水剂掺量分别为0%、0.2%、0.4%和0.6%（外掺法），研究减水剂的种类及掺量对磷石膏基砂浆流动度的影响，结果见图2。

图2 减水剂对磷石膏基砂浆流动度的影响

由图2可知，加入减水剂后，相同水灰比条件下，磷石膏基砂浆浆体流动度均呈增大趋势，且随掺量增加而增大。减水剂掺量为0.4%时，掺J-1、J-2和J-3型减水剂的砂浆浆体流动度为：17.0 cm、15.0 cm和14.5 cm。其中J-1型减水剂对流动度的影响最大，其掺量为0.2%、0.4%和0.6%时浆体流动度分别为15.5 cm、17.0 cm和27.1 cm，较未掺减水剂时（13.2 cm）分别增加了17.42%、28.79%和105.30%。

2.2 不同减水剂及掺量对磷石膏基砂浆硬化体强度的影响

2.2.1 J-1型减水剂对磷石膏基砂浆硬化体强度的影响

实验测定了外掺0%、0.2%、0.4%和0.6%J-1型减水剂后磷石膏基砂浆硬化体7 d、28 d和90 d的抗压强度和抗折强度，实验结果分别见图3和图4。

图3 J-1减水剂掺量对磷石膏基砂浆硬化体抗压强度的影响

图4 J-1减水剂掺量对磷石膏基砂浆硬化体抗折强度的影响

由图3可知，在不同龄期时，磷石膏基砂浆抗压强度随J-1型减水剂掺量的增加呈减小的趋势，且掺量越大，抗压强度越低，其中掺量为0.4%时，砂浆硬化体7 d、28 d和90 d抗压强度分别为18.1 MPa、33.1 MPa和37.6 MPa，较未掺减水剂时砂浆硬化体的抗压强度分别降低了8.59%、3.02%和3.09%，各龄期砂浆硬化体抗压强度呈不同程度的降低，早期抗压强度降低明显，后期降低幅度减小。当J-1型减水剂掺量超过0.4%时，砂浆硬化体各龄期抗压强度降低较明显，掺量为0.6%时，砂浆硬化体7 d、28 d和90 d抗压强度分别为16.9 MPa、30.8 MPa和35.2 MPa，抗压强度下降幅度较大。由图4的抗折强度结果可知，砂浆硬化体各龄期抗折强度随减水剂的掺量增加而降低，且28 d和90 d龄期的硬化体抗折强度随减水剂掺量的增加几乎呈线性下降。

2.2.2 J-2型减水剂对磷石膏基砂浆硬化体强度的影响

实验测定了外掺0%、0.2%、0.4%和0.6%J-2型减水剂后磷石膏基砂浆硬化体7 d、28 d和90 d抗压强度和抗折强度，实验结果分别见图5和图6。

图5 J-2减水剂掺量对磷石膏基砂浆硬化体抗压强度的影响

图6 J-2减水剂掺量对磷石膏基砂浆硬化体抗折强度的影响

由图5可知，J-2型减水剂对磷石膏基砂浆硬化体抗压强度降低幅度较为明显，随着掺量增加，7 d、28 d和90 d抗压强度呈线性下降，当减水剂掺量为0.4%时，砂浆硬化体7 d、28 d和90 d抗压强度分别为17.6 MPa、30.9 MPa和32 MPa，较未掺减水剂时硬化体的抗压强度分别降低了11.11%、9.65%和11.86%，各龄期降低程度相差较小。砂浆硬化体抗折强度随减水剂掺量改变的变化规律与抗压强度基本一致（见图6）。

2.2.3 J-3型减水剂对磷石膏基砂浆硬化体强度的影响

实验测定了外掺0%、0.2%、0.4%和0.6%J-3型减水剂后磷石膏基砂浆硬化体7 d、28 d和90 d的抗压强度和抗折强度，实验结果分别见图7和图8。

图7 J-3减水剂掺量对磷石膏基砂浆硬化体抗压强度的影响

由图7可知，J-3型减水剂对磷石膏基砂浆硬化体抗压强度的影响与J-2型减水剂相比较小，但各龄期硬化体抗压强度均随减水剂掺量的增加而降低，掺量越大，抗压强度降低越多。其中当减水剂掺量为0.4%时，砂浆硬化体7 d、28 d和90 d抗压强度分别为17.9 MPa、31.1 MPa和35.1 MPa，分别降低了9.60%、9.06%和9.54%。砂浆硬化体抗折强度随减水剂掺量改变的变化规律与抗压强度基本一致（见图8）。

图8 J-3减水剂掺量对磷石膏基砂浆硬化体抗折强度的影响

根据三种类型减水剂对磷石膏基砂浆材料硬化体抗压、抗折强度的测试结果，结果表明掺入减水剂后硬化体的抗压、抗折强度均减小。分析其原因，可能是减水剂虽然能够提高胶凝材料的减水率，但其表面活性作用还能使胶凝材料浆体的含气量增加，从而引入了更多的气泡，进而降低了胶凝材料的力学性能。

2.3 不同减水剂及掺量对磷石膏基砂浆硬化体吸水率和软化系数的影响

石膏硬化体的吸水率和软化系数通常用来表征石膏制品的耐水性。吸水率越低说明试样内部密实，孔隙率小，耐水性好；软化系数是表示试样吸水前后机械强度变化的物理量，软化系数越大表明材料的耐水性越好。通过测试磷石膏基砂浆硬化体28 d的吸水率及软化系数来检测硬化体的耐水性效果。

实验测定了外掺0%、0.2%、0.4%和0.6%三种类型减水剂后磷石膏基砂浆硬化体28 d的吸水率和软化系数，实验结果分别见图9和图10。

图9 减水剂对磷石膏基砂浆硬化体吸水率的影响

图10 减水剂对磷石膏基砂浆硬化体软化系数的影响

由图9可以看出，与未掺减水剂的磷石膏基砂浆硬化体相比，掺入减水剂后，硬化体的吸水率均呈现不同程度的增大，且随着减水剂掺量的增加而增大。比较不同类型减水剂对硬化体吸水率的影响，可以看出J-1型减水剂对硬化体吸水率的影响较小，硬化体吸水率随J-1型减水剂掺量的增加略微增大，其中掺量为0.4%的硬化体吸水率为2.51%，较未掺时硬化体吸水率（2.45%）增加了仅2.45%。而J-2和J-3型减水剂对硬化体吸水率影响较大，当减水剂掺量为0.4%时，掺J-2和J-3型减水剂硬化体的吸水率分别为2.76%和2.63%，分别增加了12.65%和7.35%。其原因在于减水剂的加入使得硬化体孔隙率增加，结构致密度降低，因而吸水率增加，而J-2和J-3型减水剂对吸水率影响更大，可能跟减水剂与浆体的适应性较差有关。

由图10可知，减水剂对磷石膏基砂浆硬化体软化系数的影响较小，且随减水剂掺量的增加而逐渐减小。减水剂掺量为0.4%时，掺J-1、J-2和J-3型减水剂硬化体28 d软化系数分别为0.91、0.88和0.90，与未掺减水剂时硬.化体软化系数（0.92）相比，分别降低了1.09%、35%和2.17%。

综合上述磷石膏基砂浆浆体的流动度、硬化体抗压强度、抗折强度、吸水率和软化系数的测试结果，可以看出J-1型减水剂与浆体的适应性较好。浆体流动度均随着减水剂掺量的增加而增加，但过量减水剂的掺入对硬化体力学强度和耐水性不利，因此最佳的减水剂种类为J-1型，并确定掺量为0.4%。