磷石膏基膠凝材料復(fù)合特種化纖的性能研究

何玉鑫，瞿縣

磷石膏（PG）是生產(chǎn)磷肥的副產(chǎn)物，國(guó)內(nèi)每年產(chǎn)生PG近5000萬(wàn)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(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)資源再利用，而且能促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1][2][3][4][5]。

以PG為主要原料，復(fù)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(yè)廢石膏制備PGS，其抗凍融損失率達(dá)到30%以上。周富濤[7]發(fā)現(xiàn)Ca(OH)2和AFt晶體都可能致石膏基復(fù)合膠凝材料體系內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋。纖維現(xiàn)已廣泛用于改善膠凝材料的性能，主要起增韌、增強(qiáng)和阻裂的作用，如鋼纖維增強(qiáng)水泥砂漿、碳纖維增強(qiáng)混凝土、纖維增韌補(bǔ)強(qiáng)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(fā)作用下制備了性能優(yōu)良的PGS，通過(guò)評(píng)價(jià)其抗壓強(qiáng)度、抗沖擊功、抗折強(qiáng)度、抗凍性能和分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯微形貌來(lái)表征纖維改性PGS的效果，以期提高工業(yè)廢物的資源化利用和建筑材料生產(chǎn)的節(jié)能水平。

圖1 PG的XRD

圖2 PG晶體的形貌

1 原材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

PG（四川綿陽(yáng)），灰色粉末狀，主要成分是CaSO4·2H2O（見(jiàn)圖1），粒徑較粗（見(jiàn)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(xué)組成見(jiàn)表1）；52.5級(jí)硅酸鹽水泥（江蘇南京）；堿激發(fā)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(shí)驗(yàn)方法

按PG：礦渣：水泥質(zhì)量比為50：40:10配置粉料，在水固比為0.35，外摻堿激發(fā)（外加劑均外摻）、保水劑的條件下制備PGS。試樣在室溫下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期時(shí)，利用WHY-5型壓力試驗(yàn)機(jī)和KZY-30電動(dòng)抗折儀測(cè)試硬化體不同齡期的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。利用GT-60型壓汞儀測(cè)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(duì)硬化體的成分和微觀形貌進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同化纖摻量時(shí)PGS固化體的力學(xué)性能

抗壓強(qiáng)度可以有效評(píng)價(jià)PGS固化體所承受的載荷的大小，抗壓強(qiáng)度高，則PGS固化體所承受的載荷大?？箾_擊功和抗折強(qiáng)度可以有效評(píng)價(jià)PGS固化體的韌性，抗沖擊功和抗折強(qiáng)度大，PGS固化體的韌性則高。在20℃（濕度大于70%）養(yǎng)護(hù)下不同化纖摻量時(shí)PGS固化體的力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 原材料的化學(xué)組成*，%

表2 不同化纖摻量時(shí)PGS固化體的力學(xué)性能

由表2可知，特種化纖的摻入對(duì)PGS固化體力學(xué)性能的影響較大，且摻量在0.3%時(shí)PGS固化體力學(xué)性能最佳，28d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)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?yàn)檫m量特種化纖橋聯(lián)搭接作用顯著，可以提高PGS固化體的強(qiáng)度和韌性；而過(guò)量的纖維取代了過(guò)多PGS固化體基體的位置，且在攪漿過(guò)程中容易引入氣泡，致使PGS固化體強(qiáng)度降低，由于纖維可能形成更復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，會(huì)使PGS固化體的韌性增加。從經(jīng)濟(jì)和力學(xué)性能的角度出發(fā)，本文選取化纖的摻量在0.3%。

2.2 不同化纖摻量時(shí)PGS固化體的耐水性能

在20℃（濕度＞70%）養(yǎng)護(hù)條件下PGS固化體隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)不斷地水化，生成更多的水硬性產(chǎn)物，使其孔結(jié)構(gòu)更加致密，耐水性能更加優(yōu)異。化纖可以補(bǔ)強(qiáng)增韌PGS固化體，阻止PGS固化體在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)裂紋，不同化纖摻量時(shí)PGS固化體的耐水性能見(jiàn)表3。

由表3可知，化纖的摻入對(duì)PGS固化體的耐水性能影響較大，當(dāng)化纖摻量在0.3%時(shí)，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(qiáng)度軟化系數(shù)、抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)和抗沖擊功軟化系數(shù)（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(shí)PGS固化體的孔結(jié)構(gòu)

孔隙率和孔徑分布可以有效評(píng)價(jià)PGS固化體的耐水性，孔隙率小和孔徑分布在小孔區(qū)間，則PGS固化體耐水性優(yōu)異。在20℃（濕度大于70%）養(yǎng)護(hù)條件下PGS固化體28d的總孔隙率和孔徑分布見(jiàn)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(shì)，當(dāng)化纖摻量在0.3%時(shí)，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(wú)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(jiàn)，適量摻入化纖可改善PGS固化體孔結(jié)構(gòu)，有利于阻止介質(zhì)水進(jìn)入體系內(nèi)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(nèi)部因過(guò)量的AFt出現(xiàn)微膨脹，在凍融循環(huán)過(guò)程中，PGS凈漿固化體的裂紋擴(kuò)大，化纖（低彈性模量）通過(guò)拔出、伸長(zhǎng)和拉斷阻止出現(xiàn)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(duì)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(xiàn)大的裂紋（甚至破壞），而化纖摻量為0.3%時(shí)，對(duì)PGS固化體橋聯(lián)搭接效果明顯，其質(zhì)量損失率、抗折強(qiáng)度損失率、抗壓強(qiáng)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(jié)構(gòu)

表3 不同化纖摻量時(shí)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(chǎn)物主要為CaSO4·2H2O晶體以及少量針狀A(yù)Ft晶體（見(jiàn)圖3）。有關(guān)文獻(xiàn)[11]指出，由于水化硅酸鈣C-S-H結(jié)晶形態(tài)差，大部分以無(wú)定形態(tài)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(guò)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(lái)參與水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)不斷地生成，孔結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度和耐水性改善，斷面形貌見(jiàn)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(nèi)部主要的晶相為CaSO4·2H2O以及少量的AFt晶體。根據(jù)Edinger理論可知，堿激發(fā)提高了體系的堿度，使CaSO4·2H2O晶體粒徑變細(xì)（結(jié)合圖2）；大量絮狀的C-S-H凝膠包覆各個(gè)組分形成網(wǎng)狀致密的結(jié)構(gòu)，從宏觀上提高了PGS固化體的力學(xué)性能；具有橋聯(lián)搭接作用的化纖深深地插入PGS固化體內(nèi)部，且C-S-H凝膠粘結(jié)在化纖表面，兩者協(xié)同作用緩解了外力對(duì)整體的破壞作用。

3 結(jié)論

（1）化纖摻量在0.3%時(shí)，PGS固化體28d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)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(shí)，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(qiáng)度軟化系數(shù)、抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)和抗沖擊功軟化系數(shù)（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(shí)，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(wú)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(gè)組分形成網(wǎng)狀致密的結(jié)構(gòu)，從宏觀上提高了PGS固化體的力學(xué)性能；具有橋聯(lián)搭接作用的化纖深深地插入PGS固化體內(nèi)部，且C-S-H凝膠吸附在化纖表面，兩者協(xié)同作用緩解了外力對(duì)整體的破壞作用。

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