磷石膏基膠凝材料復合特種化纖的性能研究

何玉鑫，瞿縣

磷石膏（PG）是生產磷肥的副產物，國內每年產生PG近5000萬噸，其中僅20%左右被利用。大量未處理的PG堆積或直接排放，污染了土地和水資源。充分利用PG不僅可以保護環境、實現資源再利用，而且能促進經濟發展[1][2][3][4][5]。

以PG為主要原料，復配適量的礦渣微粉制備磷石膏基膠凝材料（PGS），可以作為二次利用PG的途徑。張毅等[6]利用工業廢石膏制備PGS，其抗凍融損失率達到30%以上。周富濤[7]發現Ca(OH)2和AFt晶體都可能致石膏基復合膠凝材料體系內部出現微裂紋。纖維現已廣泛用于改善膠凝材料的性能，主要起增韌、增強和阻裂的作用，如鋼纖維增強水泥砂漿、碳纖維增強混凝土、纖維增韌補強PGS等[8][9][10]。筆者在未處理的PG中摻入礦渣微粉，在水泥和液體的激發作用下制備了性能優良的PGS，通過評價其抗壓強度、抗沖擊功、抗折強度、抗凍性能和分析內部結構顯微形貌來表征纖維改性PGS的效果，以期提高工業廢物的資源化利用和建筑材料生產的節能水平。

圖1 PG的XRD

圖2 PG晶體的形貌

1 原材料與實驗方法

1.1 原材料

PG（四川綿陽），灰色粉末狀，主要成分是CaSO4·2H2O（見圖1），粒徑較粗（見圖2）；礦渣（江蘇南京），粉末狀，比表面積為410m2/kg（以上兩種原材料的化學組成見表1）；52.5級硅酸鹽水泥（江蘇南京）；堿激發劑為水玻璃、氫氧化鈉溶液和硫酸鈉按一定比例自制；保水劑為市售甲基纖維素。

1.2 實驗方法

按PG：礦渣：水泥質量比為50：40:10配置粉料，在水固比為0.35，外摻堿激發（外加劑均外摻）、保水劑的條件下制備PGS。試樣在室溫下養護至規定齡期時，利用WHY-5型壓力試驗機和KZY-30電動抗折儀測試硬化體不同齡期的抗壓強度和抗折強度。利用GT-60型壓汞儀測試試塊的孔隙率和孔徑分布，并利用X’TRA型X衍射儀和JSM-5900型掃描電子顯微鏡對硬化體的成分和微觀形貌進行分析。

2 結果與討論

2.1 不同化纖摻量時PGS固化體的力學性能

抗壓強度可以有效評價PGS固化體所承受的載荷的大小，抗壓強度高，則PGS固化體所承受的載荷大。抗沖擊功和抗折強度可以有效評價PGS固化體的韌性，抗沖擊功和抗折強度大，PGS固化體的韌性則高。在20℃（濕度大于70%）養護下不同化纖摻量時PGS固化體的力學性能見表2。

表1 原材料的化學組成*，%

表2 不同化纖摻量時PGS固化體的力學性能

由表2可知，特種化纖的摻入對PGS固化體力學性能的影響較大，且摻量在0.3%時PGS固化體力學性能最佳，28d抗壓強度、抗折強度和抗沖擊功（為48.1MPa、4.8MPa和1213 J/m2）分別較凈漿提高了20.6%、18.8%和69.7%。這主要是因為適量特種化纖橋聯搭接作用顯著，可以提高PGS固化體的強度和韌性；而過量的纖維取代了過多PGS固化體基體的位置，且在攪漿過程中容易引入氣泡，致使PGS固化體強度降低，由于纖維可能形成更復雜的網狀結構，會使PGS固化體的韌性增加。從經濟和力學性能的角度出發，本文選取化纖的摻量在0.3%。

2.2 不同化纖摻量時PGS固化體的耐水性能

在20℃（濕度＞70%）養護條件下PGS固化體隨著養護齡期的延長不斷地水化，生成更多的水硬性產物，使其孔結構更加致密，耐水性能更加優異。化纖可以補強增韌PGS固化體，阻止PGS固化體在養護過程中出現裂紋，不同化纖摻量時PGS固化體的耐水性能見表3。

由表3可知，化纖的摻入對PGS固化體的耐水性能影響較大，當化纖摻量在0.3%時，耐水性能最佳，PGS固化體的吸水率（3.2%）較PGS固化體凈漿降低了131.3%，PGS固化體的抗折強度軟化系數、抗壓強度軟化系數和抗沖擊功軟化系數（0.96、0.86和0.95）較凈漿固化體分別提高了38.5%、37.2%和21.1%。

2.3 不同化纖摻量時PGS固化體的孔結構

孔隙率和孔徑分布可以有效評價PGS固化體的耐水性，孔隙率小和孔徑分布在小孔區間，則PGS固化體耐水性優異。在20℃（濕度大于70%）養護條件下PGS固化體28d的總孔隙率和孔徑分布見表4。

由表4可知，PGS固化體的孔隙率和密度隨著化纖摻量的增加呈減少的趨勢，當化纖摻量在0.3%時，PGS固化體28d的總孔隙率（8.32%）較PGS凈漿固化體降低了176.0%，密度（1.60g/cm3）較PGS凈漿固化體降低了10.0%，且PGS固化體28d的0～50nm無害孔（占75.77%）較PGS凈漿固化體提高了65.8%，＞100nm有害孔（占19.86%）較PGS凈漿固化體降低了54.4%。可見，適量摻入化纖可改善PGS固化體孔結構，有利于阻止介質水進入體系內部。

2.4 不同化纖摻量下的PGS固化體的抗凍融性能

PGS凈漿固化體內部因過量的AFt出現微膨脹，在凍融循環過程中，PGS凈漿固化體的裂紋擴大，化纖（低彈性模量）通過拔出、伸長和拉斷阻止出現裂紋，提高PGS固化體的抗凍融性能。

由表5可知，特種化纖的摻入對PGS固化體的抗凍融性能影響較大，PGS凈漿固化體抗凍融性能較差，局部表面出現大的裂紋（甚至破壞），而化纖摻量為0.3%時，對PGS固化體橋聯搭接效果明顯，其質量損失率、抗折強度損失率、抗壓強度損失率和抗沖擊功損失率（為1.4%、8.2%、5.3%和4.5%）最小。

3 微觀結構

表3 不同化纖摻量時PGS固化體的耐水性能

表4 PGS固化體總孔隙率和孔徑分布(50℃×24h)

表5 PGS固化體的抗凍融性能

PGS固化體的水化產物主要為CaSO4·2H2O晶體以及少量針狀AFt晶體（見圖3）。有關文獻[11]指出，由于水化硅酸鈣C-S-H結晶形態差，大部分以無定形態凝膠的形式存在，一些彌散的衍射峰被CaSO4·2H2O晶體的衍射峰覆蓋，因此難以看出水化過程中C-S-H的存在。

礦渣在水泥作用下，活性二氧化硅和三氧化鋁不斷地從礦渣玻璃體中解離出來參與水化反應，水化產物隨著養護齡期的延長不斷地生成，孔結構致密，強度和耐水性改善，斷面形貌見圖4，其中a為PGS凈漿固化體斷面相貌，b為摻0.3%的PGS斷面相貌。

由圖4可知，PGS凈漿固化體內部主要的晶相為CaSO4·2H2O以及少量的AFt晶體。根據Edinger理論可知，堿激發提高了體系的堿度，使CaSO4·2H2O晶體粒徑變細（結合圖2）；大量絮狀的C-S-H凝膠包覆各個組分形成網狀致密的結構，從宏觀上提高了PGS固化體的力學性能；具有橋聯搭接作用的化纖深深地插入PGS固化體內部，且C-S-H凝膠粘結在化纖表面，兩者協同作用緩解了外力對整體的破壞作用。

3 結論

（1）化纖摻量在0.3%時，PGS固化體28d抗壓強度、抗折強度和抗沖擊功（為48.1MPa、4.8MPa和 1213J/m2）分別較凈漿提高了20.6%、18.8%和69.7%。

圖3 PGS固化體的XRD圖譜

圖4 PGS固化體的斷面形貌

（2）化纖摻量在0.3%時，PGS固化體的吸水率（3.2%）較PGS固化體凈漿降低了131.3%，PGS固化體的抗折強度軟化系數、抗壓強度軟化系數和抗沖擊功軟化系數（0.96、0.86和0.95）分別較凈漿固化體提高了38.5%、37.2%和21.1%。

（3）化纖摻量在0.3%時，PGS固化體28d的總孔隙率（8.32%）較PGS凈漿固化體降低了176.0%，密度（1.60g/cm3）較PGS凈漿固化體降低了10%，且PGS固化體28d的0～50nm無害孔（占75.77%）較PGS凈漿固化體提高了65.8%，＞100nm有害孔（占19.86%）較PGS凈漿固化體降低了54.4%。

（4）大量絮狀的C-S-H凝膠包覆各個組分形成網狀致密的結構，從宏觀上提高了PGS固化體的力學性能；具有橋聯搭接作用的化纖深深地插入PGS固化體內部，且C-S-H凝膠吸附在化纖表面，兩者協同作用緩解了外力對整體的破壞作用。

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