利用化工廢石膏制備新型建筑膠凝材料的研究

納科

摘 要：選用水泥為固化劑材料，以粉煤灰和廢石膏為外加劑進行道路基材改良，研究了齡期、浸水期、廢石膏綜合摻配下鈦石膏-粉煤灰材料的強度變化規律。結果表明，鈦石膏-粉煤灰膠凝材料在7 d齡期無側限抗壓強度影響較小，在14、28 d齡期，試件抗壓強度隨鈦石膏增加而增加，浸水養護7、28 d時，膏灰比3∶7、4∶6、5∶5時的軟化系數較大，且膏灰比5∶5時的抗拉強度最大，軟化系數均大于0.82。鈦石膏-粉煤灰膠凝材料的膠凝材料水化產物以鈣礬石（AFt）、水化硅酸鈣（C-S-H）為主，摻入的廢石膏形成鈣礬石形成網狀聯結構造，并填充進空隙中，降低了水泥土孔隙率，提高了水穩定性。

關鍵詞：廢石膏；粉煤灰；道路建材

中圖分類號：TQ177.3+9

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0091-03

Study on the preparation of new building cementing materials byusing chemical waste gypsum

NA Ke

（Qinghai Chemical Design and Research Institute Co.，Ltd.，Xining 810008，Chaina

）

Abstract：Using cement as curing agent andfly ash and waste gypsum as admixtures，the road base material was improved.The strength variation law of titanium gypsum-fly ash material was studiedafter mixedwith age，immersion period and waste gypsum.The results showed that there was little impact on the unconfined compressive strength of titanium gypsum-fly ash material at the age of 7 days，and the compressive strength of the specimens increased with the increase of titaniumgypsum at the age of 14 and 28 days.The softening coefficient of the specimens was larger at the ratio of plaster to ashat 3∶7，4∶6 and 5∶5 after 7 and 28 days of water curing，and the tensile strength was the largest at the ratio of gypsum to ash at 5∶5，with the softening coefficient greater than 0.82.The hydration products of titanium gypsum-fly ash gelling material weremainly AFt and C-S-H，and the waste gypsum formeda network connection structure，and filledit into the gap，which reducedthe porosity of the cement soil and improvedthe water stability.

Key words：waste gypsum;fly ash;road building materials

天然土體因其高塑性指數、水穩定性差、級配不良的問題難以直接作為道路建筑材料，需要對基層材料進行改良［1］。傳統的改良措施包括石灰、水泥固化劑改良［2］，但由于水泥、石灰生產過程中形成CO2氣體容易對環境造成很大污染［3］，因此，利用無害化工業固廢物進行道路基材的改良，是實現“環境友好型”發展的重要舉措。鈦石膏是在處理酸性廢水中產生的一種以二水石膏為主要成分的工業廢副產物，是一種很好的道路建材固化劑材料［4-5］。如一些研究指出，將不高于35%的鈦石膏摻入到粉煤灰、石灰基層材料中，有效提高了其水穩定性、抗干濕循環能力和收縮率［6］；在石灰粉煤灰中摻入18%～23%的鈦石膏植被膠凝材料，獲得的膠凝體抗壓強度遠高于普通二灰穩定土［7］。因此，結合道路建設現狀，選用水泥為固化劑材料，以粉煤灰和廢棄石膏為外加劑進行道路基材改良，并分析了不同性能參數下的材料各項力學特性和固化機理，獲得最優配合比，以期為粉煤灰-石膏-水泥土道路基

材工程應用提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

鈦石膏，取自上海鈦白粉廠排除的工業廢石膏，經球磨儀研磨；粉煤灰，取自上海二橋熱電廠；水泥，選用安徽寧國水泥廠P·O525水泥。化工廢石膏和粉煤灰化學成分和細度見表 １。

1.2 試樣制備

以廢石膏、粉煤灰、水泥植被堿激發凝膠材料，固定水泥含量10%，廢石膏與粉煤灰按照質量比3∶4、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3進行組分配比。每一組試件均制造3個平行試件，共制備240個，采用7、14、28 d的標準養護和1、7、24 d浸水養護方式。

根據JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規定》， 試驗前將水泥充分攪拌均勻，將固化劑按照制定量均勻加入到水泥中攪拌5～8 min，充分混合，取少量攪拌好土均分為5層置于50 mm×50 mm圓柱形模具中擊實，將制成的試件置于溫度場（20±2）℃，濕度場95%±2%養護箱內進行7、14、28 d的標準養護，浸水養護將試件置于（20±2）℃水中，水面漫過試件頂約2.5 cm，于1、7、24 d的浸水養護后備用。

1.3 試驗方法

根據JTG E51—2009進行無側限抗壓強度試驗，試驗用萬能試驗機以1 mm/min加載速率加壓。通過試件浸水強度與標準養護強度計算軟化系數，評價試件的水穩定劑，即：

Kf=RfR0

式中：Kf表示軟化系數;Rf和RO分別為試件浸水養護強度和標準養護強度，MPa。

2 結果與討論

2.1 不同齡期的材料強度

由表2可知，在28 d齡期內，隨著齡期的增大，不同膏灰比下的試件抗拉強度均表現出增大趨勢，在7 d齡期時，不同配合比試件抗壓強度隨鈦石膏含量提升而上升，但早期增幅效果并不明顯，其中在膏灰比3∶7時的抗壓強度為1.68 MPa，隨著鈦石膏比例的增加，當膏灰比達到7∶3時，抗壓強度達到2.63 MPa，增幅明顯。在14～28 d齡期內，各組試件的抗壓強度均顯著增加，在膏灰比為5∶5時，抗壓強度達到最大，14 d齡期的抗壓強度為4.48 MPa，28 d齡期時的試件抗壓強度為5.32 MPa。

2.2 不同浸水期下膠凝材料的水穩定性

由表3可知，隨著養護齡期的增大，不同配比試件的浸水抗壓強度均得到增大。當膏灰比5∶5時，7 d浸水時間下的試件抗壓強度為4.12 MPa，24 d浸水時間下的試件抗壓強度達到4.36 MPa，均達到最大值。相較于表2可以發現，浸水7 d和24 d的抗壓強度均有所下降，但是抗壓強度在膏灰比5∶5時依然達到最大值。

由表4可知，隨著鈦石膏的含量不斷增加，各組浸水試件的軟化系數均在不同程度的下降，其中浸水1 d時的試件中，膏灰比6∶4和7∶3條件下的軟化系數降幅明顯高于膏灰比3∶7和4∶6條件下的試件。浸水7 d時的試件中，膏灰比3∶7時的試件組軟化系數稍有增加，其余膏灰比組試件的軟化系數均表現出下降趨勢，且鈦石膏含量比例越高，其浸水軟化系數越低，當膏灰比為3∶7、4∶6、5∶5時的試件軟化系數均在0.9以上。浸水24 d時的試件軟化系數相較于浸水7 d軟化系數均由一定程度的降低，其中膏灰比3∶7、4∶6、5∶5時的試件軟化系數均在0.82以上。

2.3 掃描電鏡結果分析

根據不同膏灰比對試件材料的影響，選擇膏灰比為5∶5試件材料進行微觀結構的掃描電鏡分析，設定掃描電鏡放大倍數20 000倍。

圖1為不同浸水期微觀結構。

由圖1（a）可看到明顯的交錯細長針柱狀產物，為反應初期生成的鈣礬石（AFt）水化產品。試樣內可觀察到大量層狀氫氧化鈣晶體以及少量團聚凝膠物，即生成的水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠，逐漸形成水泥土骨架。細長針狀鈣礬除發生自身的膨脹外，同時與水化硅酸鹽形成特殊的網絡架構，支撐空間空隙［12］。圖1（b）為浸水養護24 d的微觀結構圖，水泥與鈦石膏間通過水化膠凝產物連接，其中的基本單元結構以針狀結晶、片狀體和小顆粒不規則彎曲形幾何體為主，片狀體相互重疊聚成基層，少量團粒分布在片層結構間，隨機不定項的排列［13］。通過鈦石膏和粉煤灰改良水泥土，一方面利用鈣礬石將宿松的骨材集中連接起來，增加了骨材的接觸連接［14］，另一方面，鈣礬石直接填充于縫隙內部，充分發揮了水泥水化產物的膠結作用，提升了固化強度和結構的柔性［15］。

2.4 鈦石膏-粉煤灰膠凝材料水穩定性機理分析

鈦石膏不僅降低了水泥孔隙率，支撐了水泥空隙骨架結構，同時提升了水泥土早期強度，使得整個土系結構內部空隙被填充物充滿，整個凝膠體相互連接。在凝膠水穩定性方面，是由于水化產物AFt和C-S-H凝膠生成的耐水性產物。反應早期水泥水化和粉煤灰生成C-S-H和AFt，水泥產生Ca2+、OH-與石膏中SO42-擴散至粉煤灰表面，破壞粉煤灰結構，使粉煤灰內部的活性SiO2和Al2O3溶出［17］，進一步促進C-S-H和AFt生成，產物直接包裹部分石膏，降低了二水石膏受到水的侵蝕。同時水化的粉煤灰和水化產物填充于硬化體空隙中，使結構更緊密，提升了膠凝材料水穩定性［18］。

3 結語

（1）鈦石膏-粉煤灰膠凝材料在7 d齡期無側限抗壓強度影響較小，在14 d和28 d齡期，試件抗壓強度隨鈦石膏增加而增加，浸水養護7、24 d時，膏灰比3∶7、4∶6、5∶5時的軟化系數較大，且膏灰比5∶5時的抗拉強度最大，軟化系數均大于0.82；

（2）膠凝材料水化產物以AFt、C-S-H為主，摻入的廢棄石膏形成鈣礬石產生支撐骨架，

形成網狀聯結構造，提高了道路建材強度，同時形成單珍珠狀鈣礬石填充入空隙中，構成之別的膠粒結構，降低了水泥土孔隙率，提高了水穩定性。

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收稿日期：2023-06-11；修回日期：2023-09-15

作者簡介：納 科（1988-），男，本科，研究方向：化工設計；E-mail：635296789@qq.com。

引文格式：納 科.利用化工廢石膏制備新型建筑膠凝材料的研究［J］.粘接，2023，50（11）：91-93.