鎂鹽晶須對磷石膏基膠凝材料性能的影響研究

楊蕓

（武漢城市學院，湖北 武漢 430083）

0 引言

磷石膏基膠凝材料主要是由磷石膏與工業固體廢棄物（如粉煤灰、礦渣、磷渣等）和水泥制備的復合膠凝材料。目前國內外關于磷石膏基混凝土的研究比較少，而我國磷石膏主要用于土壤改良、農業生產、生物降解、化工產品、石膏建材產品等[1-2]，用量偏少且制備材料性能一般，若大摻量磷石膏制備混凝土的方法能應用于實際，既可以大量利用廢渣磷石膏，又可以解決環境污染問題[3]。磷石膏的主要成分為CaSO4·2H2O，此外還含有不溶性雜質（石英、未分解的磷灰石、不溶性P2O5、共晶P2O5、氟化物及氟、鋁、鎂的磷酸鹽和硫酸鹽）和可溶性雜質（水溶性P2O5，溶解度較低氟化物和硫酸鹽）[4]。磷石膏通常為深灰色、灰白色或微黃色潮濕的細粉末，主要以針狀晶體、板狀晶體、密實晶體、多晶核晶體等4種結晶形式存在[5]。目前世界磷石膏年排放量達3億t，我國的年排放量已超過5000萬t，占工業副產石膏的70%以上，因此，磷石膏基膠凝材料有著廣闊的應用前景和研究必要。

本文首先確定研究磷石膏基膠凝材料的最優制備工藝及性能，然后摻入定量的鎂鹽晶須于磷石膏基膠凝材料中，輔以適量的外加劑進行改性，研究鎂鹽晶須對磷石膏基膠凝材料強度和耐久性的影響，為磷石膏基膠凝材料的應用及進一步工業生產提供參考。

1 實驗

1.1 原材料

磷石膏：灰白色粉末，主要成分為CaSO4·2H2O，微觀形貌見圖1；超細礦渣粉（SG）：比表面積800 m2/kg，主要化學成分見表1；鎂鹽晶須：市售，針狀纖維，白色粉體松散顆粒，主要成分為MgSO4·5Mg（OH）2·3H2O，白度（熒光白度）≥93，主要技術性能見表2；水泥（PC）：P·O42.5水泥，比表面積366 m2/kg，主要性能見表3。

圖1 磷石膏的SEM照片

表1 超細礦渣粉的主要化學成分 %

表2 鎂鹽晶須的物理性能

表3 水泥的主要技術性能

1.2 實驗配比

固定磷石膏、礦渣、水泥的質量比為5∶4∶1，水膠比為0.35，鎂鹽晶須摻量為膠凝摻量質量的0~5.0%。將制備的試件在標準條件下養護24 h后脫模，然后再在標準養護室內養護至規定齡期。

1.3 測試與表征

凝結時間：參照GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》進行測試；抗壓、抗折強度：參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行測試；抗沖擊強度：參照JC/T 951—2005《水泥砂漿抗裂性能試驗方法》進行測試；pH值：取標準養護至規定齡期的試樣用研缽砸碎研磨成粉末狀，過250目篩，用去離子水按照水固比10∶1配制溶液，振蕩后靜置24 h，用離心機進行離心，取上層清液，用pH計進行測試；采用日本電子公司生產的JSM-5900型掃描電鏡觀察樣品的微觀形貌，掃描電壓為15 kV，分辨率為3~6 nm。

2 結果與討論

2.1 鎂鹽晶須摻量對磷石膏基膠凝材料凝結時間的影響（見表4）

表4 鎂鹽晶須摻量對磷石膏基膠凝材料凝結時間的影響

由表4可見：隨著鎂鹽晶須摻量的增加，磷石膏基膠凝材料的凝結時間逐漸延長，當鎂鹽晶須摻量為3%時，終凝時間較未摻鎂鹽晶須的延長了3.7%。實驗中發現，當摻入5%鎂鹽晶須后，凈漿在成型過程中稠度較大且流動度較小，不利于成型，而且成型后會發生一定的收縮開裂，影響材料性能，且隨著鎂鹽晶須摻量的增加，成本也會提高；當鎂鹽晶須摻量較低時，磷石膏基膠凝材料的凝結時間變化較小。從凝結時間角度考慮，鎂鹽晶須的適宜摻量為3%。

2.2 鎂鹽晶須摻量對磷石膏基膠凝材料力學性能的影響

2.2.1 對磷石膏基膠凝材料抗壓強度的影響（見圖2）

圖2 鎂鹽晶須摻量對磷石膏基膠凝材料抗壓強度的影響

由圖2可見，鎂鹽晶須摻量為2%、3%時，試樣各齡期的抗壓強度均較未摻鎂鹽晶須的空白樣有明顯提高；而當鎂鹽晶須摻量為1%時，試樣的3、7 d抗壓強度低于空白樣，但28 d抗壓強度大幅提高。當摻入1%、2%、3%鎂鹽晶須時，與空白樣相比，3 d抗壓強度增長率分別為-2.3%、40.7%、70.5%；7 d抗壓強度增長率分別為-1.2%、6.8%、41.3%；28 d抗壓強度增長率分別為31.5%、24.3%、26.1%。鎂鹽晶須摻量相同時，試樣的早期強度增幅大于后期增幅。這是因為磷石膏基膠凝材料會因為基體中的磷石膏組分導致后期強度偏低，隨著時間的延長，磷石膏基膠凝材料中的膠凝組分水化完畢，各組分達到其最高強度，進而降低了鎂鹽晶的增強作用。

2.2.2 對磷石膏基膠凝材料抗折強度的影響（見圖3）

圖3 鎂鹽晶須摻量對磷石膏基膠凝材料抗折強度的影響

由圖3可見，隨著鎂鹽晶須的摻入，試樣的抗折強度明顯提高。當摻入1%、2%、3%鎂鹽晶須時，與空白樣相比，3 d抗折強度分別提高了11.5%、32.3%、33.5%；7 d抗折強度分別提高了9.2%、29.3%、39.8%；14 d抗折強度分別提高了6.6%、16.2%、44.5%；28 d抗折強度分別提高了10.2%、32.7%、50.1%。且隨著齡期的延長，抗折強度明顯提高。其原是在于，早期膠凝材料基體與鎂鹽晶須之間的界面粘附性較低，鎂鹽晶須容易被排出，但隨著時間的延長，鎂鹽晶須與基體的界面粘附性增強，晶須增強材料的優異性能逐漸體現出來，并且越明顯。

2.2.3 對磷石膏基膠凝材料抗沖擊強度的影響（見圖4）

圖4 鎂鹽晶須摻量對磷石膏基膠凝材料抗沖擊強度的影響

由圖4可見，隨著鎂鹽晶須的摻入，試樣的抗沖擊強度較空白樣有所提高，但增幅基本不超過5%。摻入1%、2%、3%鎂鹽晶須時，與空白樣相比，3 d抗沖擊強度分別提高了4%、1%、4%；7 d抗沖擊強度分別提高了3%、3%、4%；14 d抗沖擊強度分別提高了3%、5%、4%；28 d抗沖擊強度分別提高了-2%、2%、5%。可以看出，鎂鹽晶須對磷石膏基膠凝材料的抗沖性能影響不明顯。

2.3 鎂鹽晶須摻量對磷石膏基膠凝材料pH值的影響（見圖5）

由圖5可見，在3~28 d齡期內，2組試樣的pH差值在0.15~0.28，變化較小。隨著養護齡期的延長，2組試樣的pH值均有一定幅度的下降，這說明基體中的組分隨著齡期的延長，逐漸與材料中的堿性物質發生反應。2組試樣的pH值以相對穩定的幅度下降，可以得出鎂鹽晶須在磷石膏基膠凝材料中并無直接參與水化過程，晶須在高堿性環境中具有良好耐久性[6]。

3 結論

（1）摻入鎂鹽晶須，磷石膏基膠凝材料的凝結時間會有一定延長，但摻量過少時對凝結時間影響不大，摻量過多時不利于成型。當鎂鹽晶須摻量為3%時，終凝時間較空白樣延長了3.7%。

（2）摻入鎂鹽晶須，可使磷石膏基膠凝材料的抗壓和抗折強度較空白樣明顯提高。當鎂鹽晶須摻量為3%時，試樣的3、7、28 d抗壓強度較空白樣分別提高了70.5%、41.3%、26.1%，3、7、14、28 d抗折強度較空白樣分別提高了33.5%、39.8%、44.5%、50.1%。鎂鹽晶須對磷石膏基膠凝材料的抗沖擊性能無明顯改善作用。

（3）摻加3%鎂鹽晶須后，試樣的pH值有一定的降低，鎂鹽晶須不參與水化過程，其在高堿性環境中具有良好耐久性。