摻磷渣粉水泥基材料的抗化學腐蝕性能研究

李軒花

(鄭州商學院建筑工程學院,河南 鄭州 451200)

磷渣粉是通過磷渣研磨制成的粉末狀材料,而磷渣作為生產黃磷材料時的固體廢棄物,通常的處理方法都是將其集中堆放,磷渣中含有有毒成分,該部分成分在長期堆放過程中會不斷侵入到地表甚至地下,進而導致大量土地無法使用或污染地下水[1-3]。但是磷渣中也含有大量的礦物成分,有些磷渣內部的玻璃體成分達到80%以上,將磷渣磨成粉末后,作為摻料摻入到混凝土或水泥集料中可以較好地促進水化反應,也可減少天然砂材料用量以及降低對環境的污染[4-5]。

磷渣粉水泥基材料作為一種水泥、磷渣粉、水以及其他固化劑組成的混合物,它在水、磷渣粉、水泥與其他固化劑的化學反應作用下,使自身強度和變形模量得到了提升。王棟民等[6]采用磷渣粉對水泥進行改性,得到了3D 打印材料最佳可堆積性能的磷渣粉摻量。蘇澤淳等[7]分析了不同粒徑作用下磷渣粉對水泥性能的影響,發現磷渣粉越細對水泥性質的提升效果越好。胡雷等[8]對不同摻量作用下的磷渣粉混凝土性能進行了研究,得到了材料抗壓強度和抗滲性能最佳的磷渣粉摻量。

本研究以磷渣粉水泥基材料為例,分析了磷渣粉對水泥基材料在不同堿鹽條件下力學、物理性質變化規律的影響,進而揭示了磷渣粉水泥基材料力學性質劣化和物理性質變化機理。

1 原材料基本性質

原材料主要有磷渣粉、水泥、河砂、拌和水和減水劑。其中,水泥采用普通硅酸鹽水泥(型號為PO32.5),該型水泥的性能指標為:28 d 抗壓強度30.5 MPa、初凝時間1.1 h、終凝時間4.1 h、燒失量2.6%和細度3.1%。減水劑為非緩凝型聚羧酸,濃度為15%。砂為中砂,中砂采用細度2.5、含泥量0.96%、表觀密度2 623 kg/m3的河砂。磷渣粉來源于湖北興發化工集團,采用EDX2800B 型XRF 衍射儀,測定該磷渣粉的化學成分為CaO (38.35%)、Fe2O3(1.68%)、SiO2(45.80%)、MgO (1.62%)、MnO(0.09%)、P2O5(3.54%)、Al2O3(5.98%)、TiO2(0.56%)和SO3(2.38%)。

2 試驗方法

(1)化學腐蝕的磷渣粉水泥基材料力學特性試驗。選用濃度為3%、6%、9%、12%的氫氧化鈉溶液、氯化鈉和硫酸鈉溶液以及清水,將制備的磷渣粉水泥基材料試樣(磷渣粉水泥基材料尺寸為100 mm×100 mm×100 mm)放置在溶液浸泡7 d 后,取出進行力學和物理性質的測試。本研究分別從磷渣粉水泥基材料密度、比重、強度等方面,分析磷渣粉水泥基材料在浸泡堿性溶液、硫酸鹽、氯鹽和清水后性質的變化,揭示磷渣粉水泥基材料力學性質劣化和物理性質變化機理。

(2)化學腐蝕和凍融循環的磷渣粉水泥基材料力學特性試驗。采用上述制備的磷渣粉水泥基材料試樣,按照所選區域常年氣溫變化值設定試樣的凍結溫度為-10 ℃,消融溫度為室溫,凍結時將試樣放入標準的低溫工業冰箱中凍結24 h,消融時將試樣分別放入氫氧化鈉溶液、氯化鈉以及硫酸鈉溶液浸泡24 h,每一個凍融循環時間為48 h,每一種溶液作用下試樣的凍融循環次數為10、30、50、70 次。

3 試驗結果分析

3.1 密度變化規律

分別對浸泡溶液、清水以及浸泡溶液前的試樣質量進行測定,計算出磷渣粉水泥基材料在不同濃度溶液浸泡后的密度,繪制了不同濃度下試樣密度的變化曲線如圖1 所示。

圖1 試樣密度變化曲線Fig.1 Variation curves of density of specimen

由圖1 可知:隨著溶液濃度增大,浸泡溶液7 d后磷渣粉水泥基材料的密度也呈現增大趨勢。當溶液濃度為6%時,浸泡氫氧化鈉溶液(堿性溶液)的磷渣粉水泥基材料密度變化幅度小于浸泡氯化鈉溶液和硫酸鈉溶液的磷渣粉水泥基材料,但是在濃度增大至9%以后,浸泡氫氧化鈉溶液(堿性溶液)的磷渣粉水泥基材料密度變化幅度大于浸泡氯化鈉溶液和硫酸鈉溶液的磷渣粉水泥基材料,且增長幅度越來越大。總體而言,浸泡氯化鈉溶液和硫酸鈉溶液的磷渣粉水泥基材料在溶液濃度為3%以后,密度變化幅度很小。造成上述現象的原因可能是:①由于氯化鈉溶液和硫酸鈉溶液可以將磷渣粉水泥基材料內部膠結鹽類進行溶解或者與試樣中的離子進行化學反應,產生一定量的反應沉淀物,這些反應沉淀物充斥在材料內部孔隙中,且其密度遠遠大于材料內部顆粒的密度;② 由于氯化鈉溶液和硫酸鈉溶液密度大于清水的密度,在上述化學反應過后氯化鈉溶液和硫酸鈉溶液會代替空隙中的殘余清水,從而使得在浸泡過氯化鈉溶液和硫酸鹽溶液后的磷渣粉水泥基材料密度大于浸泡清水后的磷渣粉水泥基材料。

3.2 比重變化規律

一般取一定體積的磷渣粉水泥基材料稱其質量,取相同體積的4 ℃純水也稱其質量,將兩者比值作為試樣的比重。計算出了磷渣粉水泥基材料在不同濃度溶液浸泡后的比重,繼而繪制了不同濃度下試樣比重的變化曲線,如圖2 所示。

圖2 試樣比重變化曲線Fig.2 Variation curves of specific gravity of specimen

由圖2 可知:隨著溶液濃度增大,浸泡溶液7 d后磷渣粉水泥基材料的比重均呈現增大趨勢,增大幅度也越來越大,且磷渣粉水泥基材料在浸泡氧化鈉溶液(堿性溶液)后,在同一溶液濃度下其比重最大。由于比重主要是指磷渣粉水泥基材料內部礦物成分、游離的礦物離子等物質的加權平均比重,在浸泡堿性和硫酸鈉、氯化鈉溶液后,磷渣粉水泥基材料內部礦物成分、游離的礦物離子等發生了不同程度的化學反應且產生了大量新的沉淀物質,代替原生礦物物質等充滿在空隙之間,這些新生成物質的加權平均比重遠遠大于原生礦物。同時,溶液濃度越大,化學反應進行越徹底,磷渣粉水泥基材料內部產生的新沉淀物就越多,故比重與濃度呈現正相關增大趨勢。

3.3 強度變化規律

按照要求將磷渣粉水泥基材料制備成150 mm×150 mm×150 mm 的標準試樣,對試樣的基本尺寸和質量進行測定后,用保鮮膜將其完全包住后放入養護箱內進行養護;養護后將制備的磷渣粉水泥基材料試樣放置在溶液(選用濃度為3%、6%、9%、12%的氫氧化鈉溶液、硫酸鈉以及清水)中進行浸泡,浸泡養護天數分別設置為7、14、21、28 d;采用萬能試驗機對試樣進行壓縮試驗,每一組試驗做3 個平行試驗。最終得到磷渣粉水泥基材料的無側限抗壓強度變化曲線,如圖3 所示。

由圖3 可知:在相同溶液濃度下,磷渣粉水泥基材料的抗壓強度隨著浸泡時間增長而增大;在相同浸泡天數下,磷渣粉水泥基材料的強度隨著溶液濃度增大而逐漸減小。浸泡濃度為3%的硫酸鈉溶液磷渣粉水泥基材料的強度略高于浸泡清水的磷渣粉水泥基材料的強度,浸泡其他濃度的硫酸鈉溶液磷渣粉水泥基材料的強度都小于浸泡清水的磷渣粉水泥基材料的強度,且在浸泡21 d 后磷渣粉水泥基材料的強度出現明顯的下降趨勢。故一般情況下,當磷渣粉水泥基材料遇到氫氧化鈉溶液侵蝕時,應及時采取措施確保磷渣粉水泥基材料強度滿足工程要求。

圖3 試樣無側限抗壓強度變化特征Fig.3 Variation characteristics of unconfined compressive strength of specimens

4 化學腐蝕和凍融循環雙重影響

在經過化學溶液浸泡和凍融循環雙重作用后,對磷渣粉水泥基材料進行了無側限抗壓強度測試[9-11],進而繪制了不同化學溶液侵蝕和凍融循環雙重作用下的抗壓強度變化曲線,如圖4 所示。

圖4 磷渣粉水泥基材料的抗壓強度變化特征Fig.4 Variation characteristics of compressive strength of phosphorus slag powder cement-based material

由圖4 可知:隨著凍融次數增大,磷渣粉水泥基材料的抗壓強度逐漸降低,這說明凍融循環作用具有削弱磷渣粉水泥基材料抵抗變形能力和降低承載力的作用。原因為:在磷渣粉水泥基材料內部孔隙中所含水分在低溫凍結時轉變為固態冰,固態冰的體積遠大于水的體積,大量固態冰充填在孔隙中使得磷渣粉水泥基材料產生了膨脹,進而破壞了材料內部原有的微觀結構。在相同的凍融循環次數作用下,磷渣粉水泥基材料在氫氧化鈉溶液中的抗壓強度略大于硫酸鈉和氯化鈉溶液中的抗壓強度,原因為:①硫酸鈉和氯化鈉溶液與磷渣粉水泥基材料中的膠凝物產生水化反應生成水化產物硅酸鈣,進而降低了內部顆粒之間的膠結性,使得磷渣粉水泥基材料更容易發生變形破壞且承載力大幅度降低;② 堿性環境使得溶液中的堿性離子與磷渣粉水泥基材料更易發生水化反應,但是生成的水化產物也具有一定的膠結性,使得材料內部顆粒之間的膠結性優于浸泡硫酸鈉和氯化鈉溶液的試樣。

根據圖5 所示強度變化曲線及相關試驗結果,對化學侵蝕和凍融循環雙重影響下的磷渣粉水泥基材料的變形破壞機理進行如下分析[12-15]:①凍融循環1～3 次時,在凍融循環作用下磷渣粉水泥基材料表面出現些許裂縫,且表面有磷渣粉水泥基材料脫落現象,該階段磷渣粉水泥基材料的承載力出現較大幅度降低。② 凍融循環3～5 次時,此時化學腐蝕和凍融循環對磷渣粉水泥基材料的影響都很大。其中,凍融循環使得磷渣粉水泥基材料表面產生大量裂縫,在消融時化學溶液通過裂縫大量侵入到材料內部,溶液與磷渣粉水泥基材料中的膠凝物產生水化反應生成水化產物,產生的水化產物充填在孔隙結構內,有效地延緩了凍融循環對磷渣粉水泥基材料強度的破壞。③凍融循環5～7 次時,該階段磷渣粉水泥基材料的抗壓強度下降較為平緩,且隨著溶液不斷通過裂縫侵入材料內部,化學侵蝕對材料強度的影響起主要作用;該階段生成的水化產物更多,使得材料的體積膨脹更加嚴重,進而加速降低了磷渣粉水泥基材料抵抗外部荷載的能力。同時,在化學溶液內浸泡使得磷渣粉水泥基材料表面出現大量孔洞,甚至產生磷渣粉水泥基材料脫落現象,而凍融循環又會促使裂隙集中產生在這些缺陷的周圍區域,使得磷渣粉水泥基材料表面出現大面積脫落。化學溶液通過裂縫大量侵入到材料內部發生水化反應生成水化產物,短暫地提升了材料強度。在下一次凍融循環時材料內部的水分又會凍結為固態冰,使得磷渣粉水泥基材料體積發生膨脹,以此反復循環造成材料的變形破壞。

5 結論

(1)隨著溶液濃度增大,浸泡溶液7 d 后磷渣粉水泥基材料的密度也呈現增大趨勢,溶液濃度為6%時,浸泡氫氧化鈉溶液(堿性溶液)的磷渣粉水泥基材料密度變化幅度小于浸泡硫酸鹽、氯鹽溶液的磷渣粉水泥基材料,但濃度增大到9%以后,浸泡氫氧化鈉溶液(堿性溶液)的磷渣粉水泥基材料密度變化幅度大于浸泡硫酸鹽、氯鹽溶液磷渣粉水泥基材料,且增長幅度越來越大。總體上,浸泡氯化鈉和硫酸鈉溶液的磷渣粉水泥基材料在溶液濃度為3%以后,其密度變化幅度都很小。

(2)在相同溶液濃度下,磷渣粉水泥基材料的抗壓強度隨著浸泡時間的增長而增大;在相同浸泡天數下,磷渣粉水泥基材料的強度隨著溶液濃度增大而逐漸減小,但是浸泡氫氧化鈉溶液后,在浸泡21 d 時磷渣粉水泥基材料的強度開始下降。由此可知,當磷渣粉水泥基材料遇到氫氧化鈉溶液侵蝕時,應及時采取措施確保磷渣粉水泥基材料強度滿足工程要求。

(3)隨著凍融循環次數和化學腐蝕次數增加,磷渣粉水泥基材料的變形破壞更加明顯,主要體現在表面起皮脫落以及裂隙橫縱擴展貫通裂縫;同時,在化學侵蝕和凍融循環雙重影響下,磷渣粉水泥基材料體積不斷膨脹變形,進而造成材料的變形破壞。

(4)磷渣粉水泥基材料在堿性溶液中的抗壓強度略大于酸性溶液中的抗壓強度,且鹽性溶液在凍融循環次數小于3 次時磷渣粉水泥基材料的抗壓強度略大,在凍融循環次數大于3 次時磷渣粉水泥基材料的抗壓強度開始急劇下降。