改性磷石膏免燒透水磚的制備與性能

李 征

(1.北京新橋技術發展有限公司，北京 100088;2.交通運輸部公路科學研究院,北京 100088)

0 引言

綠色可持續發展既是交通強國建設的重要抓手，也是現代交通業的重要特征。隨著我國對綠色、生態、節能理念的進一步推進，海綿城市和海綿服務區的理念受到越來越多的重視，透水鋪裝是解決水資源利用、生態修復的有效措施之一[1-2]。透水磚是透水鋪裝的一種形式，結構上的大量空隙使雨水能夠順利進入結構內部，從而達到雨水還原地下的目的，此外還能夠吸收車輛行駛時產生的噪聲。透水磚獨特的自身優勢，使其不斷受到廣泛關注，僅北京、上海等一線城市的總需求量已經超過1億m2以上[3-4]，具有較高的研究價值和廣闊的應用前景。

透水磚從生產工藝上主要分為燒結型和免燒型[5]。前者是經高溫燒結得到；后者主要由混凝土材料制備，無需在高溫條件下制得，又可以結合大量廢舊材料，大大地降低了能源的損耗，成為新型綠色節能生態材料。

磷石膏是磷化工企業在濕法制造磷酸過程中排出的工業廢渣，主要成分為二水石膏(CaSO4·2H2O)，以及少量未完全分解的磷礦、氟化合物、磷酸、重金屬等雜質。我國磷石膏的年均排放量近8 000 萬t[6]，加上歷年堆積未處理的磷石膏，總量已超過5億t[7-8]。目前，僅有15%的磷石膏在水泥緩凝劑、建筑材料、農業土壤改良等領域內得到了資源循環利用[9]，絕大部分磷石膏露天堆置、占據大片土地，且其中的酸性物質及其他有害重金屬容易對周邊環境造成污染。我國也相繼發布政策指導文件，加快磷石膏綜合治理與再利用工作[10]。由此可見，對磷石膏減量化、資源化利用的需求越來越迫切。

本研究針對磷石膏的物理化學特性，將改性磷石膏應用到免燒透水磚中，設計試驗研究改性磷石膏摻量在30%的條件下免燒透水磚，得到磷石膏pH值、磷石膏球磨時間及聚合物乳液摻量對透水磚性能指標的影響規律，在減輕生態負擔的同時，對于工程實踐及實際應用具有一定的借鑒和指導意義。

1 原材料與試驗

1.1 原材料

(1)水泥

選用P.O 42.5水泥，水泥質量符合國家標準[11]。主要物理性能指標見表1。

表1 水泥主要性能指標

(2)磷石膏

選用云南工業廢渣磷石膏，淡黃色粉體，自然狀態下含水率約4.5%，pH=3.6，主要化學成分見表2。

表2 磷石膏主要化學成分

(3)集料

試驗中篩取粒徑為5～10 mm的集料備用，主要性能指標見表3。

表3 集料主要性能指標

(4)外加劑

選用KS-199聚羧酸減水劑，主要性能指標見表4。推薦摻量為0.8%～1.5%，通過減水劑調整拌和物的工作狀態，當拌和物用手能輕松攥成團，表面出現光澤，說明拌和物和易性好[12]。

表4 減水劑主要性能指標

選用BC-01苯丙乳液，主要技術參數見表5。

表5 BC-01苯丙乳液主要技術參數

(5)水

本試驗所采用的拌和水均為普通自來水。

1.2 試驗方案設計

(1)配合比設計

設計目標空隙率為25%，水膠比為0.30，磷石膏摻量按膠凝材料總質量的30%采用內摻法計。通過體積法進行配合比設計優化，計算得到透水磚初步配合比見表6。

表6 初步配合比(單位：kg/m3)

(2)影響因素

①磷石膏pH值

未改性的磷石膏含有磷酸(H3PO4)和氫氟酸(HF)，pH值為3。為消除磷石膏中酸性緩凝雜質對試件的危害，將對磷石膏進行改性[13]。通過摻加堿性物質，能中和磷石膏中的酸性，促進基體早期堿度的增長和水化反映的進程，從而提高基體強度[14]。通過添加生石灰作為填料調整磷石膏的pH值，根據pH為8，10和12時的數值來確定生石灰的摻量。

②磷石膏球磨時間

球磨使磷石膏中的規則而均勻的二水石膏晶體遭到破壞，使其顆粒形貌呈柱狀、板狀、粒狀等多樣化[15]。磷石膏經球磨后顆粒粒度變小，比表面積進一步降低，增加膠結材料的流動性，顆粒較小的磷石膏充當細集料在凝膠材料中均勻分散，起到微集料效應[16]，從根本上改善了硬化體結構疏松的缺陷。球磨時間過多或過少，會影響透水磚內部的連續空隙率，導致透水系數產生較大變化。因此，本研究選用磷石膏球磨時間的4個水平分別為：球磨0 min，球磨3 min，球磨5 min，球磨9 min的磷石膏，其比表面積分別為1 707，3 755，4 476，8 825 cm2/g。

③聚合物乳液摻量

本研究中選用苯丙乳液作為增強劑，作用是通過聚合物在膠材中的交聯來提高骨料中點與點之間的黏結強度，使膠結體結構密實度更高，提升透水性能[17-18]。本研究采用摻量為(以水泥用量為基準)：0，1%，2%，3%。

(3)正交試驗設計

采用磷石膏pH值、磷石膏球磨時間及聚合物乳液摻量作為正交試驗的3個因素，每個因素設置4個水平，不考慮因素之間的交互作用以簡化結果分析，查正交設計表[19]，選用L16(34)正交表安排16個試驗，經試配后確定因素水平設置如表7所示。

表7 正交試驗因素水平

1.3 試件制備

攪拌工藝：按上述配合比稱取原材料，采用砂漿攪拌機進行攪拌。先將集料與約50%的水攪拌均勻，當集料表面處于飽和面干狀態后，加入膠凝材料及剩余的水和外加劑，繼續拌和，拌和時間5 min。

成型工藝：將拌和物裝入200 mm×100 mm×60 mm 模具和Φ75 mm×60 mm模具中，插搗、振搗密實，靜壓工藝模壓成型(30 MPa)，加載速率為1～3 kN/s，穩壓20 s，脫模后置于20 ℃，90%RH下經過濕養護規定齡期，測試相關性能。

1.4 性能檢測

(1)劈裂抗拉強度

參照《透水路面磚和透水路面板》(GB/T 25993—2010)對透水磚的劈裂抗拉強度進行測定。采用WDW1020微控電子萬能試驗機，加載速率為1～3 kN/s。

(2)透水系數

參照《透水路面磚和透水路面板》(GB/T 25993—2010)對透水磚的透水系數進行測定。

2 結果與討論

2.1 極差分析

改性磷石膏免燒透水磚28 d劈裂抗拉強度及透水系數的試驗結果詳見表8。由表8可知，各因素不同水平摻量下：28 d的劈裂抗拉強度變化幅度范圍為3.06～3.53 MPa。透水系數幅度變化范圍為2.1×10-2～ 2.8×10-2cm/s。

表8 正交試驗結果

改性磷石膏免燒透水磚28 d劈裂抗拉強度及透水系數的極差分析計算結果詳見表9。從表9中各因素Rj1的大小關系:0.21(A)>0.15(B)>0.09(C)，可以推導出影響劈裂抗拉強度的主次順序是：磷石膏pH值>磷石膏球磨時間>聚合物乳液摻量。

表9 正交試驗極差分析表

從表9中各因素Rj2的大小關系:0.003(C)>0.002(B)>0.001(A)，可以推導出影響透水系數的主次順序是：磷石膏球磨時間>磷石膏pH值>聚合物乳液摻量。

由此可以看出，磷石膏pH值對強度影響最大，磷石膏球磨時間對透水系數影響最大。

2.2 因素水平分析

采用正交試驗，通過綜合分析法從3個因素中找到最優組合，見圖1～圖3。

(1)磷石膏pH值對透水磚性能的影響

由圖1可知，透水磚的強度隨著磷石膏的pH值先增加后降低。當pH值調整為10時，透水磚的劈裂抗拉強度處于最優狀態。這是因為未改性的磷石膏呈酸性，會大量消耗水泥水化產生的Ca(OH)2從而影響試件的強度發展。通過摻加生石灰調整磷石膏的pH值，可以促進試件水化反應的進程和堿度的增長從而提高強度。對于透水系數而言，隨著磷石膏的pH值升高逐漸降低，呈現先加速下降后逐漸平穩的趨勢。我們發現，透水磚的力學性能和透水性是一對相互矛盾的指標：力學性能好，透水性就差，反之，透水性好，力學性能就會降低。綜合考慮經濟成本及透水磚相關性能，特選取pH值為10的磷石膏為最佳pH值。

圖1 磷石膏pH值綜合分析曲線

(2)磷石膏球磨時間對透水磚性能的影響

由圖2可知，透水磚的強度隨著磷石膏球磨時間的增加先增大后減少，當磷石膏球磨3 min時，透水磚的劈裂抗拉強度處于最優狀態。透水磚的透水系數隨著磷石膏的球磨時間的增加先下降后趨于穩定，在球磨3 min后，磷石膏的透水系數降低不再明顯。為了提高磷石膏水泥復合凝膠材料的性能，同時節約能源，磷石膏改性的最佳球磨時間設置在3 min。

圖2 磷石膏球磨時間綜合分析曲線

(3)聚合物乳液對透水磚性能的影響

由圖3可以看出，通過摻加聚合物乳液質量為膠凝材料的2%時，對透水磚的劈裂抗拉強度處于最優狀態。透水系數隨著聚合物乳液摻量的增加先加速下降后逐漸平穩，在聚合物乳液摻量為2%后，磷石膏的透水系數降低不再明顯。為了提高磷石膏水泥復合凝膠材料的性能，同時提高經濟效益，磷石膏改性的聚合物乳液含量設置為2%。

圖3 聚合物乳液含量綜合分析曲線

由驗證性試驗可知，摻入30%磷石膏的透水磚，其透水系數一直保持在2.1×10-2cm/s以上，滿足規范要求，故透水系數在本研究中不作考量。綜合考慮經濟效益及透水磚相關性能，選擇磷石膏pH值為10，球磨時間設置為3 min，聚合物乳液含量為2%為最佳組合。

2.3 生產驗證

根據上述分析，選擇磷石膏pH值為10，球磨時間設置為3 min，聚合物乳液含量為2%時進行改性磷石膏免燒透水磚的生產。批量生產抽樣實測該透水磚28 d劈裂抗拉強度為3.57 MPa，透水系數為2.1×10-2cm/s，滿足《透水路面磚和透水路面板》(GB/T 25993—2010)標準要求。

由于批量生產，試樣拌和均勻性及壓磚機的穩定性要優于試驗室制備試樣，透水磚骨料結合更加緊密牢固，故力學性能有少許提高及透水系數有略微降低。

3 結論

本研究以磷石膏pH值、磷石膏球磨時間及聚合物乳液摻量為影響因素設計正交試驗，進行30%改性磷石膏取代膠凝材料制備透水磚及性能研究。通過極差分析、影響因素分析及生產驗證，得出滿足改性磷石膏透水磚性能的最優配合比。

(1)磷石膏的pH值是改性磷石膏透水磚的劈裂抗拉強度影響最重要的因素，在磷石膏pH值相同的情況下，磷石膏的球磨時間和聚合物乳液含量也是決定透水磚強度的影響因素。

(2)聚合物乳液含量是改性磷石膏透水磚的透水性能最重要的因素，其次是磷石膏的球磨時間和磷石膏的pH值。

(3)通過因素水平分析與室內試驗驗證，得到改性磷石膏免燒透水磚的最佳配合比是磷石膏pH值為10，球磨時間設置為3 min，聚合物乳液含量為2%。

(4)經生產驗證，透水磚28 d劈裂抗拉強度為3.57 MPa，透水系數為2.1×10-2cm/s，滿足《透水路面磚和透水路面板》(GB/T 25993—2010)標準要求。