磷渣-礦渣-水泥混合材抗硫酸鹽侵蝕性研究

作者簡介：李德智（1966—），高級工程師，主要從事工程管理工作。

文章通過磷渣粉和礦渣粉的復摻試驗，研究了磷渣粉與礦渣粉復摻對水泥力學性能和抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。試驗結果表明，磷渣粉與礦渣粉復摻能夠進一步提升礦渣的抗硫酸鹽侵蝕性能，提高水泥的抗硫酸鹽侵蝕能力，并且礦渣粉的摻入能夠改善因摻入磷渣粉導致早期強度不足的缺點，其中20%磷渣粉+10%礦渣粉+70%水泥組試塊7 d強度有了顯著的提升，28 d強度與空白組相當，抗蝕系數K值為1.159。

磷渣粉;礦渣粉;抗硫酸鹽侵蝕

U416.21A070224

0 引言

在露天環境下，隨著時間的推移，混凝土建筑物會不斷受到酸雨侵蝕的影響，這不僅影響著建筑物的外觀，嚴重時還會引發建筑物的結構安全問題。工程建筑服役期間還會受到不同環境下的硫酸鹽侵蝕，硫酸鹽滲透進混凝土內部，與混凝土內部原有的成分發生反應，破壞混凝土內部組成結構，從而導致構筑物各項性能降低，使用年限縮短，存在一定的安全隱患。因此硫酸鹽侵蝕對水泥混凝土工程建筑的危害是十分巨大的[1]。所以提高水泥混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，一直是相關學者研究的重點內容。

據統計資料表明，我國磷渣年排放量已達到約1 500萬 t，但我國年處理黃磷渣僅占全年產渣量的25%左右[2-4]。黃磷生產是一個高污染的工業門類，據統計，每生產1 t黃磷大約需要9 t磷礦石，產生8～10 t的磷渣[5]。許多黃磷生產企業都是露天堆放處理磷渣，經雨淋后，磷渣中含有的磷、氟及有毒元素會滲透到土壤中進而造成水土資源等環境污染。因此大部分可回收的固體廢棄物如未能得到有效利用，不僅占用大量土地，還會給環境帶來巨大的影響，如何更好地利用磷渣等固體廢棄物成為本文的研究重點。

吳曉蓉[6]等研究發現：磷渣的摻入能夠促進水泥水化反應，提高C-S-H凝膠的生成量，同時減少鈣礬石的生成，能夠有效地提高混凝土的強度和抗硫酸鹽侵蝕性;Peng Y Z[7]等研究表明：制備混凝土制品時，摻入適量磷渣能夠改善混凝土制品的質量，同時礦渣粉作為水泥混凝土摻合料時，可以改善混凝土耐久性，提高水泥混凝土強度[8]。本研究通過磷渣與礦渣的復合使用，改善磷渣粉早期強度不足的缺點，從而可以更好地將其應用在水泥及混凝土中。

1 試驗原料和方法

1.1 試驗原材料

水泥為興安海螺水泥股份有限公司生產的42.5級普通硅酸鹽水泥，其密度為3 150 kg/m3，安定性符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）中的指標，其技術指標如表1所示。實驗使用的標準砂是由廈門艾思歐標準砂有限公司生產的ISO標準砂，質量符合ISO679：1989等國際標準。

實驗選用水淬塊狀磷渣，其主要化學成分如表2～3所示。

實驗選用S95級礦渣粉，其密度為500 kg/m3，比表面積為435 m2/kg，主要化學成分如表3所示。

1.2 試驗方法

表面積按《水泥比表面積測試方法勃氏法》（GB/T 8074-2008）進行;膠砂強度按《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）進行;水泥抗硫酸鹽侵蝕按照《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》（GB/T 749-2008）進行。

試驗前先將塊狀的水淬磷渣粉磨至比表面積為430 m2/kg的磷渣粉，然后進行磷渣粉（10%、20%、30%）與礦渣粉（10%、20%、30%）復摻試驗，具體試驗方案如表4所示。對試塊進行力學強度、抗硫酸鹽侵蝕性能影響的研究，并對28 d硫酸鹽侵蝕試塊進行了SEM分析。

2 試驗結果與分析

2.1 磷渣和礦粉混合材對水泥力學性能的影響

由圖1和表5可知，無論是7 d還是28 d齡期，膠砂試塊的抗壓強度都隨著總摻量的增加呈現逐漸下降的趨勢，主要是水泥的用量隨著磷渣粉和礦渣粉摻量的增加而減少，從而導致強度的下降。由圖1（a）可以發現，磷渣粉摻量的增加，對試塊7 d齡期抗壓強度影響比較明顯，其主要是因為磷渣粉本身早期活性比較低，且具有一定的緩凝特性，會對混凝土早期強度產生影響;由圖1（b）可以看出，10%磷渣+10%礦渣復摻強度優于空白組強度，10%磷渣+20%礦渣以及20%磷渣+10%礦渣復摻形式的強度與空白組相當，優于30%礦渣的強度，說明磷渣與礦渣復摻形式優于單摻礦渣粉，與空白組相比，強度得到了明顯的提高。

2.2 磷渣粉和礦渣粉復摻對水泥抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

由表6和圖2可知，無論是摻30%的磷渣粉、礦渣粉，還是磷渣粉和礦渣粉復摻形式，其抗硫酸鹽侵蝕系數K值均>1，說明磷渣粉和礦渣粉都能夠提高水泥抗硫酸鹽侵蝕性能，但是磷渣對于提高水泥抗硫酸鹽侵蝕性效果優于礦渣。由圖2可以看出在摻量為磷渣20%+礦粉30%時，抗蝕系數K值為1.329，抗硫酸鹽侵蝕效果最好。

2.3 SEM電鏡分析

綜合磷渣、礦渣不同摻量對水泥力學性能及抗硫酸鹽侵蝕性能影響結果分析，選取空白組和20%磷渣+10%礦渣實驗組試塊進行掃描電鏡分析。

分析結果顯示，針棒狀的鈣礬石雜亂地生長在孔隙中，且附著在薄片狀的C-S-H凝膠上，結合性不強，不過鈣礬石本身具有膨脹特性，會導致水泥石結構容易發生破壞。絮狀C-S-H凝膠受到侵蝕后結構變得疏松且雜亂無章，從而表現為水泥（空白組）抗硫酸鹽侵蝕系數低，不具備抗硫酸鹽侵蝕能力。

磷渣20%+礦粉10%實驗組試塊受到硫酸鹽溶液侵蝕后，C-S-H凝膠結構整體完整，只是表面的形狀變得有些模糊，說明其有一定的抗硫酸鹽侵蝕能力。C-S-H凝膠結構整體密實度比較好，在空隙中比沒有出現棒狀的鈣礬石，從而使得水泥石具備了較高的抗硫酸侵蝕能力，宏觀表現為抗蝕系數高。

3 結語

（1）磷渣與礦渣復摻能夠提升礦渣抗硫酸鹽侵蝕性能，更夠顯著地提高水泥的抗硫酸鹽侵蝕性能，并且礦渣的摻入可以改善前期磷渣強度不足的問題。

（2）綜合分析力學性能和抗硫酸鹽侵蝕性能，20%磷渣+10%礦粉復摻其力學性能和抗硫酸鹽侵蝕效果都很好，能夠滿足力學和抗硫酸鹽侵蝕性能的要求。

[1]楊 凱，邱秀姣，李依芮，等.礦物摻合料對水泥膠砂抗硫酸鹽侵蝕性能的影響[J].鐵道建筑，2017，57（9）：143-147.

[2]胡紅梅，馬保國.混凝土礦物摻合料[M].北京：中國電力出版社，2016.

[3]段遵莉，武俊宇，龔曉宇，等.改性磷渣粉及利用該磷渣粉制備的混凝土及混凝土的制法[P].中國專利：201310720258.4，2015-11-25.

[4]周 芳.摻磷渣粉混凝土的性能研究[D].武漢：武漢理工大學，2011.

[5]陳永忠.磷化工廢渣特性及其在水泥中的應用研究[D].武漢：武漢理工大學，2007.

[6]吳曉蓉，甄向賢，張惠敏.磷渣對水泥抗硫酸鹽性能的影響[J].中國建材科技，1996（2）：35-37.

[7]Peng Y Z，Huang J，Ke J. Preparation of ultra-high performance concrete using phosphorous slag powder[J]. Applied Mechanics & Material，2013，357-360：588-591.

[8]劉 杰.磨細礦渣摻量對水泥基復合材料微結構的影響[J].石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2013，26（1）：56-60，92.