不同纖維對磷建筑石膏性能的影響研究

王思驊 文 江 王 錦 謝玉菡

（畢節職業技術學院工礦建筑系，貴州 畢節 551700）

0 引言

磷石膏作為濕法生產磷酸產生的工業固體廢棄物，屬于危廢污染物，其性能極不穩定，通常每生產磷酸（以ω(P2O5)100%計）1t 副產磷石膏4.5～5.0t[1-2]。磷石膏的堆存會造成嚴重的環境污染，阻礙綠色可持續發展，因此有必要尋求磷石膏的合理利用途徑，以實現磷肥工業的可持續發展和磷石膏的合理化利用。

磷石膏中摻入聚乙烯醇（PVA）纖維、玄武巖（BF）纖維、聚丙烯腈（PAN）纖維等材料，形成磷建筑石膏。磷建筑石膏屬于脆性材料，容易發生變形、開裂等現象[3]。而纖維具有良好的韌性和較大的拉伸性能，能夠改善材料的缺陷：呂方濤[4]將PVA 纖維、BF 纖維加入至脫硫石膏復合膠凝材料中，改進其性能。高真[5]設置養護時間、纖維長度、摻量為變量，通過數值模擬與試驗相結合，在混凝土中摻入玄武巖纖維，探究其性能指標的優化。李國忠[6-7]添加聚丙烯纖維、玻璃纖維、植物纖維等到石膏基復合材料中，對性能指標進行研究分析。PVA纖維分散性能良好，將其摻入至石膏基復合材料中，纖維與石膏基體的緊密程度，優化提高其工作性能[8]；BF纖維價格低廉，能顯著改善混凝土性能[9]；PAN纖維能改善混凝土的耐久性[10]。目前，關于對比聚乙烯醇（PVA）纖維、玄武巖（BF）纖維、聚丙烯腈（PAN）纖維摻入到磷建筑石膏中的研究相對較少。鑒于此，本文選用PVA 纖維、BF 纖維、PAN 纖維摻入到磷建筑石膏中，探究纖維對其性能的影響，并對其作用機理進行分析。

1 磷石膏摻纖維試驗

1.1 原料

（1）磷石膏：取自云南云天化三環公司，呈灰黃色，附著水含量0.745%，加入50%自來水測pH 值約為6。其主要成分為CaSO4·2H2O，其含量為86.49%，主要礦物組成成分見表1。

表1 磷石膏礦物組成（單位：%）

（2）纖維：聚乙烯醇（PVA）纖維、玄武巖（BF）纖維、聚丙烯腈（PAN）纖維，均為上海某公司生產。BF纖維呈現褐色，PVA、PAN纖維呈現淡黃色。

1.2 原料處理

水洗法：將水：磷石膏=1:3 充分攪拌，靜置，反復洗滌3～4次加入Ca(OH)2將溶液pH調制中性，將處理后的磷石膏放入烘箱烘至恒重后過100目篩。

1.3 試驗方法

選取三種纖維，長度均為6mm。將不同摻量的纖維、減水劑和水混合均勻后，加入磷建筑石膏中，制備成纖維磷建筑石膏復合材料。

凝結時間測定：參照《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》（GB/T 1346-2011）進行測定。

磷建筑石膏力學性能測定：參照《建筑石膏力學性能的測定》（GB/T17669.3-1999）進行測定。

2 試驗結果與分析

2.1 三種纖維對磷建筑石膏凝結時間的影響

對聚乙烯醇（PVA）、玄武巖（BF）、聚丙烯腈（PAN）三種纖維分別進行實驗，PVA 纖維、BF 纖維摻量在0.4%～2.0%范圍內，PAN 纖維摻量在0.2%～1.0%范圍內。纖維在不同摻量下對磷建筑石膏凝結時間的影響，見圖1、圖2。

圖1 不同纖維對磷建筑石膏初凝時間的影響

圖2 不同纖維對磷建筑石膏終凝時間的影響

由圖1可得，不同纖維隨著摻量的增加對磷建筑石膏初凝時間的影響均呈現下降的趨勢，呈明顯的線性負相關。三種纖維中，PAN 纖維使磷建筑石膏的初凝時間下降速率最快，其次是PVA 纖維，最緩慢的是BF纖維。隨著摻量的增加，初凝時間逐漸下降，復合材料就沒有足夠的時間進行加工處理，在工程中的應用不太理想。當BF、PVA 纖維摻量達到2.0%時，磷建筑石膏的初凝時間降低29.23%、70.80%；當PAN 纖維摻量達到1.0%時，初凝時間降低至65.40%。三種纖維在相同摻量的情況下，初凝時間大小呈現：BF 纖維＞PVA纖維＞PAN纖維。

由圖2可以看出，隨著纖維摻量的逐漸增加，會使磷建筑石膏的終凝時間呈現不同程度逐步下降的趨勢，總體呈線性負相關。三種纖維，在相同摻量的情況下，PAN纖維摻入到磷建筑石膏中終凝時間下降速率最快，其次是PVA纖維，下降速率最慢的是BF纖維。對于BF纖維，當其纖維摻量為2.0%時，磷建筑石膏的終凝時間由空白組的30.2min下降至23.6min，相較于空白組下降21.85%；對于PVA 纖維、PAN 纖維，當其摻量達到2.0%時，磷建筑石膏的終凝時間相較于空白組分別下降73.5%、76.82%。

2.2 不同纖維對磷建筑石膏力學性能的影響

不同纖維對磷建筑石膏絕干狀態下的力學性能影響情況如圖3、圖4所示。

圖3 不同纖維對磷建筑石膏絕干抗壓強度的影響

圖4 不同纖維對磷建筑石膏絕干抗折強度的影響

由圖3可得，在磷建筑石膏中摻入纖維均可以提高其絕干抗壓強度，提高程度不盡相同，總體趨勢均是隨著纖維摻量的增加，絕干抗壓強度呈現先上升后下降。當纖維摻量一定時，BF纖維對磷建筑石膏的絕干抗壓強度提升最為明顯，效果最優，當其摻量為1.2%時，抗壓強度達到峰值，為29.5MPa，相對于空白組提高了132.4%。PVA纖維摻入到磷建筑石膏中，能使其絕干抗壓強度達到最大值22MPa，此時摻量為1.20%。PAN 纖維摻入量為0.6%時，絕干抗壓強度為21.4MPa，達到最大值。當BF、PAN 摻量在0.8%前，PAN 纖維摻入至磷建筑石膏中，其絕干抗壓強度優于BF纖維，當摻量超過0.8%時，PAN纖維優于BF纖維。

由圖4可得，在磷建筑石膏中摻入纖維均可以提高其絕干抗折強度，提高程度不盡相同，總體趨勢均是隨著纖維摻量的增加，絕干抗折強度呈現先上升后下降。當纖維摻量一定時，BF纖維對磷建筑石膏的絕干抗折強度提升最為明顯，效果最優，當其摻量為1.2%時，抗壓強度達到峰值，為12MPa，相對于空白組提高了93.5%。

3 影響機理分析

在磷建筑石膏中添加纖維，纖維能夠與磷建筑石膏結合產生拉結作用，可使原本脆性的磷建筑石膏在受到荷載時，不會瞬間失去承載能力，增加其延性[11]。BF纖維與磷建筑石膏相結合，分子之間形成握裹力，使其連接更為緊密[12]。PVA纖維表面不光滑，與磷建筑石膏能夠較好地粘結，能夠有效地傳遞應力，從而可以提高其強度。PAN纖維與磷建筑石膏結合狀態不緊密，存在一定的空隙，只有少量物質附著。當面對較大荷載時，界面難以承受較大的荷載，不能夠及時發揮復合材料抵抗荷載的優勢。

BF纖維具有高彈性模量，PVA纖維彈性模量較低，復合材料能抵抗較高的荷載需要高彈性模量，因此，BF纖維磷建筑石膏復合材料無論是絕干抗折強度還是絕干抗壓強度，都優于PVA纖維磷建筑石膏復合材料。

當磷建筑石膏中纖維摻量較少時，纖維起不到明顯的增強作用；當纖維含量適宜時，纖維能夠較為均勻地分布在磷建筑石膏基體中，此時，纖維可發揮較大的增強作用，承載能力達到最優值，力學性能也最好；當纖維含量較多時，纖維在磷建筑石膏中分散能力降低，出現一部分纖維相互交叉、纏繞，未被磷建筑石膏所包裹，當面對荷載時，則出現薄弱區成為應力集中區域，對強度產生不利的影響。

4 結束語

（1）在本試驗中，隨著三種纖維摻入量的逐步增加，磷建筑石膏的凝結時間呈現縮短的趨勢，因凝結時間會縮短，在工程應用中會造成不利的影響。對比三種纖維，BF纖維對磷建筑石膏凝結時間下降趨勢最為緩慢，當BF纖維摻量為2.0%時，磷建筑石膏的初凝、終凝時間分別由空白組13min 和30.2min 降低至9.2min 和23.6min。

（2）三種纖維均會對磷建筑石膏的力學性能產生一定的影響，并且影響趨勢幾乎一致，影響趨勢體現為隨著摻量的增加，磷建筑石膏絕干抗折、抗壓強度均呈現先上升后下降的趨勢。其中，BF纖維能夠使其力學性能達到最優。當BF纖維摻量為1.2%時，磷建筑石膏絕干抗壓、抗折強度均達到最好，分別為：29.5MPa，12MPa，對比空白組分別提高：132.4%、93.5%。