過硫磷石膏礦渣水泥混凝土安定性控制方法研究

過硫磷石膏礦渣水泥混凝土安定性控制方法研究

林宗壽，呂治江

(武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

摘要：硅酸鹽水泥熟料摻量對過硫磷石膏礦渣水泥混凝土的后期強度影響很大，熟料摻量過高，過硫磷石膏礦渣水泥混凝土的后期強度將大幅度下降，甚至會造成安定性不良，使混凝土結構破壞。該文對過硫磷石膏礦渣水泥混凝土安定性的控制方法進行了探索，發現通常的水浸法不能在短期內檢驗過硫磷石膏礦渣水泥混凝土的安定性。控制過硫磷石膏礦渣水泥混凝土7 d強度增進率，可有效控制過硫磷石膏礦渣水泥混凝土的后期強度，避免出現安定性不良現象。

關鍵詞：過硫磷石膏礦渣水泥；安定性；控制方法

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.004

Abstract:Addition of the portland cement clinker had great impact on the long-term strength of the excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete. Adding too much portland cement clinker would lead to a significant drop of the long-term strength of the excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete, and it would also cause poor soundness and damage to the concrete structure. This study explored the methods of controlling the soundness of the excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete. Researchers found that the normal water-immersion method could not test the soundness of the excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete in short-term. Researchers found that controlling the rate of 7 days strength development of the excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete could effectively control the long-term strength and the soundness of the excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete.

收稿日期：2015-04-23.

基金項目：國家高技術研究發展計劃(863)項目(2012AA06A112).

作者簡介：林宗壽(1957-),教授.E-mail:13807182067@163.com

Study of Control Methods for the Soundness of the

Excess-sulfate Phosphogypsum Slag Cement Concrete

LINZong-shou,LVZhi-jiang

(The State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures,

Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070, China)

Key words:excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete;soundness;control methods

磷石膏是濕法磷酸生產時排放出的固體廢棄物，每生產1 t磷酸將產生5 t磷石膏。目前，我國磷石膏排放量每年已超過7 000萬t，不但占用大量土地，而且還造成了嚴重的環境污染和安全隱患。研究以磷石膏為主要原料的水泥及混凝土新品種，對于磷石膏的綜合利用、水泥工業的節能減排，具有十分重大的意義。

林宗壽等經過多年研究,開發出一種磷石膏基免煅燒水泥,后經“多元固廢復合制備高性能水泥及混凝土技術”“863”課題組研究,更名為“過硫磷石膏礦渣水泥”。過硫磷石膏礦渣水泥是一種采用40%～50%的磷石膏、40%～50%的礦渣、2%的鋼渣和約4%的硅酸鹽水泥熟料經混合、粉磨制成的新型水硬性膠凝材料[1]。后續的研究人員對該品種水泥及其混凝土的組成和性能做了深入的研究[2-9]。

眾所周知，水泥最關鍵的性能是安定性，關系到混凝土結構的安全。造成水泥安定性不良的原因有三個，一是f-CaO水化膨脹引起；二是方鎂石水化膨脹引起；三是后期形成大量鈣礬石膨脹引起。在過硫磷石膏礦渣水泥中，f-CaO和方鎂石的含量極少，不可能對過硫磷石膏礦渣水泥混凝土的安定性帶來影響。但是，過硫磷石膏礦渣水泥混凝土中存在大量的磷石膏，水化后期還有可能繼續形成大量的鈣礬石，造成膨脹，使混凝土安定性不合格或者造成過硫磷石膏礦渣水泥混凝土后期強度大幅度下降。資料[2]也指出了過硫磷石膏礦渣水泥在高堿度下會由于鈣礬石膨脹導致結構破壞，并使最終強度降低。因此，傳統的沸煮法和壓蒸法不能檢驗過硫磷石膏礦渣水泥的安定性，該文旨在研究一種切實可行的方法，以控制過硫磷石膏礦渣水泥及其混凝土的安定性。

1實驗

1.1　原材料

礦渣粉：取自武漢武新新型材料有限公司生產的S95級礦渣粉，密度為2.87 g/cm3，比表面積為440 m2/kg。

PO 42.5水泥：取自武漢鋼華水泥股份有限公司生產的PO 42.5普通硅酸鹽水泥，密度為3.09 g/cm3，比表面積為385 m2/kg。

改性磷石膏漿：取自湖北省大悟縣全興實業有限責任公司生產的改性磷石膏漿，其組成如表1所示。含固量為59.23%，0.08 mm篩篩余為2.0 %，pH值為12.62。

表1　改性磷石膏漿的組成

減水劑：采用聚羧酸減水劑母液，固含量為40%。

1.2　方法

水泥膠砂強度按GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》進行，并要求調整加水量，使膠砂流動度在180～190 mm之間。

混凝土強度按GB/T50081—2011《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行，并按下式計算7 d強度增進率。

(1)

水泥安定性實驗方法：

雷氏法安定性檢驗，按GB/T1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性》標準進行成型，在20 ℃，相對濕度90%的養護箱中養護48 h后，測定雷氏夾指針間距離d0，然后在規定溫度的水中再養護不同時間，測定雷氏夾指針之間的距離d，雷氏夾膨脹值按照d-d0計算得出，單位為mm。

試餅法安定性檢驗，按照GB/T1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性》標準進行試餅成型，在20 ℃，相對濕度90%的養護箱中養護48 h后，然后在規定溫度的水中再養護不同時間。從養護水中取出試餅，目測試餅無裂縫，用直尺檢查沒有彎曲，則試餅安定性合格，否則為不合格。

2結果與分析

對于過硫磷石膏礦渣水泥混凝土而言，過硫磷石膏礦渣水泥漿中堿性物質的含量大小不僅影響混凝土的強度，還影響混凝土的安定性。前期的研究已經顯示[2]，提高過硫磷石膏礦渣水泥中硅酸鹽水泥熟料(或普通硅酸鹽水泥)的摻量，雖然可提高過硫磷石膏礦渣水泥的3 d強度，但后期強度會大幅度下降，嚴重時還會引起安定性不良。為了研究PO42.5普通硅酸鹽水泥摻量對過硫磷石膏礦渣水泥混凝土強度的影響，按表2的配合比配制成過硫磷石膏礦渣水泥混凝土試塊，進行混凝土強度試驗，試驗結果如表2所示。

由表2可見，隨著過硫磷石膏礦渣水泥混凝土中PO42.5水泥摻量的增加，過硫磷石膏礦渣水泥混凝土的3 d強度顯著增加；7 d強度先是增加，但很快就出現下降；而28天強度，則隨著PO42.5水泥摻量的增加，出現大幅度降低的趨勢。而從7 d強度增進率來看，隨著過硫磷石膏礦渣水泥混凝土中PO42.5水泥摻量的增加，也出現大幅度下降的趨勢。

混凝土的安定性，主要決定于混凝土中膠凝材料的安定性。為了研究表2中K1～K7混凝土試樣相對應的過硫磷石膏礦渣水泥的安定性，按K1～K7過硫磷石膏礦渣水泥混凝土試樣中膠凝材料的實際配合比配制了一組對應的過硫磷石膏礦渣水泥漿的試樣，如表3所示，各試樣中的水含量(包括改性磷石膏漿中的水)均固定為29.43%。由于過硫磷石膏礦渣水泥混凝土中膨脹源是鈣礬石，所以必須用水浸法進行安定性試驗，試驗結果如表4～表8所示。

表2　過硫磷石膏礦渣水泥混凝土配合比及性能(濕基)

表3　過硫磷石膏礦渣水泥漿配比

表4　水溫20 ℃下安定性試驗結果

表5　水溫30 ℃下安定性試驗結果

表6　水溫40 ℃下安定性試驗結果

表7　水溫50 ℃下安定性試驗結果

表8　水溫60 ℃下安定性試驗結果

由表4～表8可見，在水溫20 ℃和30 ℃條件下，所進行的安定性試驗，所有試樣的雷氏夾膨脹值均為0。提高養護水的溫度至40 ℃時，才有PO42.5水泥摻量較高的K16和K17兩個試樣發生0.5 mm的微膨脹。再提高養護水的溫度，K16試樣的膨脹值不變，K17試樣的膨脹值繼續提高。養護水溫度提高到60 ℃時，K17試樣的7 d膨脹值達到了4.0 mm，但也在合格范圍(≤5 mm)之內。此外，由表4～表8的試驗結果可見，用試餅法所做的安定性試驗，所有試樣均為合格。說明過硫磷石膏礦渣水泥漿，無論是用雷氏法還是用試餅法，都不能反映出過硫磷石膏礦渣水泥混凝土后期強度的變化情況，只有當過硫磷石膏礦渣水泥混凝土后期強度下降非常巨大，混凝土結構接近崩潰狀態時才會有所反映，如K7試樣28 d強度為22.6 MPa。因此，作者認為用水浸法作為檢驗過硫磷石膏礦渣水泥混凝土安定性的方法，是不夠靈敏的，無法避免混凝土由于鈣礬石膨脹所引起的后期強度的降低。

相反，由表2可見，過硫磷石膏礦渣水泥混凝土的7 d強度增進率，卻非常靈敏地反映出了混凝土后期強度的變化。因此，將7 d強度增進率作為控制指標，可有效避免混凝土由于鈣礬石膨脹所引起的后期強度的大幅度下降，確保過硫磷石膏礦渣水泥混凝土的設計強度等級，避免過硫磷石膏礦渣水泥混凝土出現安定性不良的現象。

根據以上試驗數據，為確保過硫磷石膏礦渣水泥混凝土后期強度的增長率和根據過硫磷石膏礦渣水泥混凝土制品的實際生產經驗，確定過硫磷石膏礦渣水泥混凝土3 d到7 d的強度增進率應≥20%。

3結論

a.隨著過硫磷石膏礦渣水泥混凝土中PO42.5水泥摻量的提高，過硫磷石膏礦渣水泥混凝土3 d強度提高，但28 d強度下降。如果PO42.5水泥摻量過高，則過硫磷石膏礦渣水泥混凝土28 d強度將大幅度降低。

b.用水浸法不能在短期內檢驗出過硫磷石膏礦渣水泥混凝土的安定性是否合格。

c.過硫磷石膏礦渣水泥混凝土的7 d強度增進率，可靈敏地反映出過硫磷石膏礦渣水泥混凝土后期強度的變化，可作為過硫磷石膏礦渣水泥混凝土安定性的控制指標。

d.控制過硫磷石膏礦渣水泥混凝土3～7 d的強度增進率≥20%，可避免過硫磷石膏礦渣水泥混凝土出現安定性不良的現象。

參考文獻

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[2]林宗壽，黃赟. 堿度對磷石膏基免煅燒水泥性能的影響[J].武漢理工大學學報，2009，31(4):132-135.

[3]黃赟.磷石膏基水泥的開發研究[D].武漢:武漢理工大學,2010.

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