現(xiàn)澆磷石膏墻體材料制備研究

張逸超 王 瑩

沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧沈陽 110168

磷石膏是磷酸生產(chǎn)過程中用硫酸處理磷礦石時產(chǎn)生的一種工業(yè)副產(chǎn)品，每生產(chǎn)1.0t的磷酸就要產(chǎn)生4.5～5.0t的磷石膏。而目前磷石膏主要以堆存處理。2015年，我國磷石膏排放量達(dá)8000萬t，累計堆存量達(dá)30000萬t[1]。因此，開發(fā)磷石膏的資源化、規(guī)模化綜合利用技術(shù)，對工業(yè)固廢的利用以及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)意義重大。俞波[2]以磷石膏、礦渣、黃砂、水泥為基本組分，在高壓條件下，制備了磷石膏砌塊，制備的磷石膏砌塊的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了15MPa以上。高輝[3]以磷石膏、黃砂、水泥、生石灰為基本組分，制備了磷石膏磚。制備的磷石膏磚的性能滿足非燒結(jié)垃圾尾礦磚的性能要求。張衛(wèi)豪[4]以磷石膏、粉煤灰、水泥為基本組分，通過摻加纖維，制備了磷石膏板。制備的磷石膏板的性能滿足建筑用輕質(zhì)隔墻條板的性能要求。齊艷濤[5]以磷石膏、機(jī)制砂為基本組分，通過摻加外加劑，制備了底層抹灰石膏。磷石膏墻體材料的研究主要集中在磷石膏砌塊、磷石膏磚、磷石膏板及抹灰磷石膏。目前，尚無輕質(zhì)保溫化的現(xiàn)澆磷石膏墻體材料的制備研究。因此，本文進(jìn)行了現(xiàn)澆磷石膏墻體材料的制備研究，在實(shí)現(xiàn)固廢利用的同時，實(shí)現(xiàn)建筑的高效節(jié)能。

1 實(shí)驗(yàn)原料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

磷基β-建筑石膏初凝時間4min，終凝時間8min，抗壓強(qiáng)度3.72MPa，導(dǎo)熱系數(shù)0.25W/(m·K)。天然放射性核素滿足建筑主體材料放射性核素限量的要求；粉煤灰取自武漢陽邏電廠，導(dǎo)熱系數(shù)為0.23W/(m·K)；玻化微珠取自河南新華玻化微珠有限公司，導(dǎo)熱系數(shù)為0.04W/(m·K)；緩凝劑為蛋白質(zhì)類緩凝劑（SC），減水劑為三聚氰胺類減水劑（F10）；保水劑為纖維素類保水劑（HPMC）。

1.2 試驗(yàn)方法

凝結(jié)時間的測定參考《建筑石膏凈漿物理性能的測定》（GB/T 17669.4—1999）及《抹灰石膏》（GB/T 28627—2012），測定的時間間隔為2min；抗壓強(qiáng)度的測定參考《建筑石膏力學(xué)性能的測定》（GB/T 17669.3—1999）；導(dǎo)熱系數(shù)的測定參考《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定 防護(hù)熱板法》（GB/T 10294—2008）。試驗(yàn)時，采用智能型雙平板導(dǎo)熱系數(shù)測定儀（IMDRY3001），測定通過試件的熱流、熱表面平均溫度以及冷表面平均溫度，計算試件的導(dǎo)熱系數(shù)；軟化系數(shù)的測定參考《石膏砌塊》（JC/T 698—2010）。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

以磷基β-建筑石膏為主要原料，通過引入不同組分對磷基β-建筑石膏進(jìn)行改性，制備現(xiàn)澆磷石膏墻體材料。設(shè)計的現(xiàn)澆磷石膏墻體材料組分為磷基β-建筑石膏+粉煤灰+緩凝劑+減水劑+玻化微珠。磷基β-建筑石膏、粉煤灰質(zhì)量配合比總和為100%，緩凝劑、減水劑、玻化微珠的質(zhì)量配合比按質(zhì)量配合比總和計算。

2.1 粉煤灰對膠凝材料性能的影響

研究粉煤灰摻量0、10%、20%、30%、40%對膠凝材料性能的影響。不同粉煤灰摻量膠凝材料軟化系數(shù)如表1所示。

表1 不同粉煤灰摻量膠凝材料軟化系數(shù)

隨著粉煤灰摻量由0增加至30%時，膠凝材料的軟化系數(shù)增大，而粉煤灰摻量由30%增加至40%時，軟化系數(shù)下降。分析其原因，當(dāng)摻入一定量的粉煤灰時，粉煤灰水化物分布于二水石膏，提高了耐水性能，當(dāng)摻入過量的粉煤灰時，未水化粉煤灰顆粒引起硬化體的密實(shí)度下降，降低了耐水性能。故現(xiàn)澆磷石膏墻體材料的粉煤灰摻量取20%～30%為宜。

2.2 緩凝劑對膠凝材料性能的影響

研究緩凝劑摻量0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%對膠凝材料性能的影響。不同緩凝劑摻量的膠凝材料的凝結(jié)時間、抗壓強(qiáng)度如表2所示。

表2 不同緩凝劑摻量膠凝材料凝結(jié)時間、抗壓強(qiáng)度

隨著緩凝劑摻量的增加，膠凝材料的凝結(jié)時間增大，膠凝材料的抗壓強(qiáng)度降低；當(dāng)緩凝劑摻量由0.2%增加到0.3%時，抗壓強(qiáng)度損失嚴(yán)重。工程上對現(xiàn)澆墻體材料初凝時間的要求是不小于30min。考慮凝結(jié)時間的要求和抗壓強(qiáng)度的損失趨勢，現(xiàn)澆磷石膏墻體材料的緩凝劑摻量取0.1%～0.2%為宜。

2.3 減水劑對膠凝材料性能的影響

研究減水劑摻量0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%對膠凝材料性能的影響。不同減水劑摻量的膠凝材料的擴(kuò)散度、抗壓強(qiáng)度如表3所示。

表3 不同減水劑摻量膠凝材料擴(kuò)散度、抗壓強(qiáng)度

隨著減水劑摻量的增加，膠凝材料的擴(kuò)散度增大；減水劑摻量由0.3%增加到0.4%時，出現(xiàn)泌水現(xiàn)象；隨著減水劑摻量的增加，膠凝材料的抗壓強(qiáng)度有一定的增加。工程上對現(xiàn)澆墻體材料的擴(kuò)散度要求是200～220mm。考慮擴(kuò)散度的要求，現(xiàn)澆磷石膏墻體材料的減水劑摻量取0.2%～0.3%為宜。

2.4 玻化微珠對膠凝材料性能的影響

研究玻化微珠摻量0、10%、20%、30%、40%對膠凝材料性能的影響。不同玻化微珠摻量的膠凝材料的導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度如表4所示。

表4 不同玻化微珠摻量膠凝材料導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度

當(dāng)玻化微珠的摻量為0、10%、20%、30%、40%時，膠凝材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.248、0.184、0.163、0.144、0.211W/(m·K)。隨著玻化微珠摻量的增加，膠凝材料的導(dǎo)熱系數(shù)降低，玻化微珠摻量由30%增加到40%時，膠凝材料的導(dǎo)熱系數(shù)陡增至0.211W/(m·K)。分析其原因，摻入一定量的玻化微珠時，膠凝材料實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)化，導(dǎo)熱系數(shù)降低，玻化微珠摻量較大時，膠凝材料的孔隙率過大，保溫性能較差。保溫性能要求較高的墻體對材料的導(dǎo)熱系數(shù)要求是不大于0.2W/(m·K)。在未摻入玻化微珠時，膠凝材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.248W/(m·K)，玻化微珠摻量為20%時，膠凝材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.163W/(m·K)。綜合考慮導(dǎo)熱系數(shù)的要求和抗壓強(qiáng)度的折減趨勢，現(xiàn)澆磷石膏墻體材料的玻化微珠摻量取10%～20%為宜。

3 結(jié)語

（1）隨著粉煤灰摻量由0增加至30%時，膠凝材料的軟化系數(shù)增大，而粉煤灰摻量由30%增加至40%時，軟化系數(shù)下降。故現(xiàn)澆磷石膏墻體材料的粉煤灰摻量取20%～30%為宜。考慮凝結(jié)時間的要求和抗壓強(qiáng)度的損失趨勢，現(xiàn)澆磷石膏墻體材料的緩凝劑摻量取0.1%～0.2%為宜。

（2）隨著減水劑摻量的增加，膠凝材料的抗壓強(qiáng)度有一定的增加。工程上對現(xiàn)澆墻體材料的擴(kuò)散度要求是200～220mm。考慮擴(kuò)散度的要求，現(xiàn)澆磷石膏墻體材料的減水劑摻量取0.2%～0.3%為宜。

（3）隨著玻化微珠摻量的增加，膠凝材料的導(dǎo)熱系數(shù)降低，玻化微珠摻量由30%增加到40%時，膠凝材料的導(dǎo)熱系數(shù)陡增至0.211W/(m·K)。綜合考慮導(dǎo)熱系數(shù)的要求和抗壓強(qiáng)度的折減趨勢，現(xiàn)澆磷石膏墻體材料的玻化微珠摻量取10%～20%為宜。