磷石膏掺量对陶粒混凝土早期抗压强度的影响

磷石膏掺量对陶粒混凝土早期抗压强度的影响

温永钦  ,郑杰 ,赵子豪 

吉林建筑大学   长春130118

摘  要：本文在LC30混凝土基准配合比的基础上，采用混凝土的内掺法研究了不同掺合料对陶粒混凝土早期抗压强度的影响，并运用EMS方法进行了微观结构的分析.研究表明：磷石膏掺量为2%和4%时，强度可以达到混凝土适配强度的54%，满足相关标准的要求.

关键词：     页岩陶粒混凝土；矿物掺合料；抗压强度；微观结构

1． 引言

    陶粒混凝土具有良好的工作性、高强轻质、耐火保温、安全耐久，在工程中应用越来越广泛.应用陶粒混凝土可减轻结构自重 25%以上，节约材料用量，其在资源综合利用及改善建筑物功能方面有着良好的经济效益和社会效益.[1]磷石膏是湿法生产磷酸或磷肥时排放的工业废渣，主要成分为二水硫酸钙（CaSO4·2H2O）还含有有机磷、硫、氟类化合物，由于磷石膏中含有的磷、氟等元素是有害物质，影响了磷石膏制品的产品相关性能，从而导致磷石膏综合利用率较低，[2]侵占大量的土地资源，还会对生态环境造成严重污染，甚至构成安全隐患，因此原装磷石膏应用利用率仍较低，但是在不影响混凝土强度前提下适量掺加磷石膏不但可以弥补混凝土水化过程中产生的裂缝还会为磷石膏综合利用提供新途径.[3]

    本文将两者结合，采用了内掺法将磷石膏作为掺合料添加到陶粒混凝土中，并将磷石膏和粉煤灰、矿粉分别复掺深入的研究了磷石膏掺量对陶粒混凝土早期（3天）抗压强度的影响.结果表明，制备的磷石膏轻骨料混凝土能满足相关标准的要求，且具有一定的经济和社会效益.[4]

2． 试验原料与方法

2.1原材料试验

水泥：吉林省长春市双阳区生产的亚泰P·O42.5R级普通硅酸盐水泥，其安定性合格。

磷石膏：辽宁省西洋特肥业有限公司生产,二水石膏含量87.6%，磷酸含量 2%，粉磨后

        细度为（0.045 mm方孔筛筛余）25%

砂：河砂，细度模数2.5，堆积密度1465kg/m3，表观密度 2650kg/m3，含泥量2%，

陶粒：850级页岩陶粒，堆积密度830㎏/m³，筒压强度6.58Mpa，2h吸水率2%，粒径5~20mm粉煤灰:Ⅱ级粉煤灰，细度为（45um方孔筛筛余量）25.6%

矿粉：通化钢铁集团股份有限公司生产，细度为（45um方孔筛筛余）1.0%

高效减水剂：聚羧酸高效减水剂（溶液已稀释），掺量占胶凝材料总质量的 4%

水：实验室自来水

2.2试样制备

    本文按照《普通混凝土力学性能试验方法》（GB/T50081-2002）中的规定，进行了轻骨料混凝土立方体抗压强度试验。试验采用边长为100mm的标准立方体试件，150tCH-5型压力试验机上进行。加载速率控制在0.5MPa/s。每组3个试件。以Lc30基准配合比为基础，制作 100 mm×100 mm×100 mm 立方体试块.分别进行了如下试验:

1)单掺2%~8%磷石膏（替代水泥含量）试件编号A1-- A4

2)复掺20%粉煤灰与磷石膏[6] 试件编号B1-- B4

3)复掺20℅矿粉与磷石膏[7][8]，试件编号C1-- C4

试验配合比见表1，

表1  LC30陶粒轻骨料混凝土试件配合比（kg/m3）

2.3 试验方法及试件养护

    准确称量所需原料后均匀混合，先加入预湿后的页岩陶粒和胶凝材料进行充分搅拌（做到陶粒表面能够包裹一层胶凝材料增加陶粒重量，从而减少陶粒混凝土拌和过程中上浮现象）；搅拌均匀后加入砂子再次搅拌均匀，最后加入水和减水剂进行搅拌；最后将搅拌好的拌合物装入模具中制备出100mm×100mm×100mm的立方体试块试件.制备完成后经过24h后拆模后对试块进行标准养护（温度20℃±2℃，湿度95%）3天，3天后取出按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》( GB /T 50081—2019)将其放置万能压力机上进行强度测试.

[10]

3． 试验结果及分析

3.1陶粒轻骨料混凝土试验结果及分析

试验所得的各组不同掺量的陶粒轻骨料混凝土的力学性能试验结果详见图1

图1   不同外掺剂掺量下陶粒轻骨料混凝土抗压强度

    由图1可见，随着磷石膏掺量的增加Lc30混凝土试块3天强度在不断降低，掺量在2%~4%时强度基本持平两者强度差在0.4Mpa，均达到21Mpa，两者都达到了Lc30混凝土设计强度38Mpa的54%.当掺量继续增大到6%时其强度下降十分明显，基本上下降了2~3Mpa，下降率在10%以上. 与单独掺磷石膏相比,掺20%矿粉后,其强度有微小的提高，强度达到了22Mpa，掺20%粉煤灰后强度有所降低.

    随着磷石膏含量增加它与水泥等胶凝材料反应生成了钙矾石，生成的钙矾石会包裹在胶凝材料表面阻碍水泥与水继续接触，使得水化反应进行缓慢，另外原状磷石膏中含有的磷、氟等元素也会影响反应的进行，使得强度降低，因此随着磷石膏掺量增加混凝土强度在不断下降.掺入粉煤灰后，由于粉煤灰的活性和水化速度小于水泥，固掺加粉煤灰会使得陶粒混凝土前期强度较不掺粉煤灰时还低。而加入矿粉时由于矿粉本身含有CaO、SiO2、Al2O3，这些成分在水泥水化生成的Ca（OH）2反应生成稳定的水化硅酸钙和水化铝酸钙，有利于混凝土的硬化，会抵消一部分磷石膏所降低的强度，从而对早期强度有轻微提高.[14]

3.2扫描电镜（ＳＥＭ）试验结果及分析

    将标准养护箱养护到3天龄期试块破碎后，挑选几片小碎片将其放入酒精中进行脱水处理，然后取出置于６０ ℃烘箱中烘干至恒重，然后取出小碎片冷却至常温后对破碎的小石块再进行切块、研磨、喷金后，将准备好的小石块放入扫描电镜仪中并观察和保存水泥水化产物的微观形貌图见图2.[11]

图2   不同外加剂掺量下陶粒轻骨料混凝土微观形貌图

    由上图可见，掺加4%磷石膏的试验组微观结构致密性和整体性优于8%的实验组；上述图片中掺量8%时仍存在许多片状、棱状物，水化聚集物较4%时偏低，清晰可见胶材本身形状。加入粉煤灰和矿粉后相比单掺磷石膏时，从电镜扫描图片可以看出其图中针状和片状物减少，纹路更加错综复杂，杂乱无章，结构更加密实。掺入粉煤灰相较于掺入矿粉的致密度而言，掺入粉煤灰的内部还有较明显的孔状、片状、棱状物其一部分可能是磷石膏一部分可能是活性较低的粉煤灰本身，可知掺入粉煤灰时胶凝材料的水化效果没有掺入矿粉时效果好,所以掺入粉煤灰时混凝土早期强度会有所降低.因此也从微观角度解释了混凝土中掺入磷石膏、矿粉和粉煤灰不同掺合料对于陶粒混凝土早期强度的不同影响结果

4． 结论

1）用单一变量试验设计方法，研究了磷石膏掺量对页岩陶粒混凝土力学性能的影响，试验结果表明当磷石膏惨量为4%时，强度达到21Mpa，磷石膏惨量在4%时为最佳.

2）利用磷石膏的性能特点，将矿粉、粉煤灰和磷石膏按一定比例掺入到陶粒混凝土中，可制备陶粒混凝土多功能掺合料，并且由强度对比图可知，掺入粉煤灰会降低陶粒混凝土前期强度，矿粉会略微提升混凝土强度.

3）由于掺入的磷石膏、粉煤灰、矿粉均为废料，用这些掺合料可以减少水泥用量，降低混凝土一部分成本，也有利于提高磷石膏资源化利用水平，为磷石膏利用开辟一条新途径

参考文献

[1]毕建静,高震.陶粒混凝土研究[J].四川水泥2019,01: 1007-6344（2019）01-0009-01

[2]杜采颐，严云胡，胡志华，等. 利用磷石膏制备轻质材料初探[J].建筑材料学报，2008，06：007－9629（2008）03－0353－06

[3]武新民，杨再银.磷石膏综合利用现状和展望[J].硫酸工业,2017,08: 1002 － 1507( 2017) 08 － 0018 － 04.

[4]于万增，潘俊廷，温永钦，等.原状磷石膏用作混凝土添加剂的性能研究[J].新型建筑材料，2020,04: 1001-702X（2020）04-0028-03

[5]普通混凝土配合比设计规程:JGJ 55—2011 [S].北京：中国建筑工业出版社，2011.和 轻骨料混凝土技术规程:JGJ 51—2002 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2002.

[6]孙建卫,刘海增,闵凡飞.粉煤灰综合利用现状[J]. 煤矿环保2011,01: 1006 － 6772( 2011) 01 － 0101 － 04

[7]肖万,马鸿文.矿渣微细粉掺量对水泥水化产物的影响［J］．岩石矿物学杂志.2013，32( 6) : 882-888．

[8]李彩玉.磷渣-粉煤灰-磷石膏-水泥轻质混凝土制备及性能研究[D].贵州: 贵州大学，2016: 12-13

[9]陈新贵.浅谈混凝土试件标准养护的条件[J] 四川建材2013,04: 1672 － 4011( 2013) 02 － 0037 － 02

[10]田琦,李鹏飞，秦文博.全轻混凝土微观结构特征分析[J].科学技术创新,2018,04:2018,11: 2096-4390（2018）11-0134-02

[11]混凝土强度检验评定标准:GB50107-2010 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010

[12]朱文成,覃金忠.混凝土中粉煤灰与矿粉双掺的应用[J].江西建材2019,07: 1006-2890（2019）07-0030-02

[13]苑克增,高桂波，李红新,等.粉煤灰与矿渣微粉对混凝土强度的影响[J. 山东建材2004,04: 003－1324（2004）02－0037－03

[14]李瑞.粉煤灰陶粒轻集料混凝土性能实验研究[D] 宁夏：宁夏大学，2015: 50-56

基金项目:吉林省教育厅科研项目JJKH20210301KJ