減水劑對磷石膏基膠凝材料性能影響研究

江曉波，王思明，阮 靖，曾龍驊，華蘇東，姚 曉，楊銀銀

（1.長江南京航道工程局，江蘇 南京 210011；2.南京工業大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 211800；3.上饒中材機械有限公司，江西 上饒 334000）

0 引言

磷石膏是工業生產磷酸時所生產的固體廢棄物，每生產1噸的磷酸將會產生4～5t的磷石膏。我國目前磷石膏堆積量巨大，利用率非常低，僅有20%左右[1-2]。未經處理的原狀磷石膏中含有磷、氟等物質，膠凝活性低，使用限制較大，現階段還未實現有效的資源化利用[3-5]。因此，加快對磷石膏的資源化利用是重中之重。

磷石膏基膠凝材料是一種以原狀磷石膏為主要原料，加入礦渣，水泥等外加劑制備的綠色膠凝材料。磷石膏基膠凝材料在使用時，工作性能較差，需要加入減水劑來改善工作性能。但是磷石膏的成分較為復雜，具有較多的雜質[6-7]，通常與水泥混凝土減水劑適應性差[8-9]。胡成[10]等研究了減水劑對磷石膏基自流平砂漿性能的影響。周登峰[11]等論述了不同減水劑對磷石膏基膠凝材料的影響。

為了提升減水劑與磷石膏膠凝材料之間良好的適應性，實現更高的砂漿性能，本文基于磷石膏膠凝材料的制備，通過研究不同的減水劑種類及摻量對磷石膏砂漿性能的影響，以期獲得最佳的減水劑種類和摻量[12-13]。

1 實驗

1.1 實驗原料

磷石膏（PG，中國），其化學成分見表1。

表1 磷石膏的化學成分 %

使用的水泥為海螺32.5級復合硅酸鹽水泥（PC32.5）；河砂，細度模數為2.15；礦渣；萘系減水劑（J-1，南京）、聚羧酸減水劑（J-2，南京）和脂肪族減水劑（J-3，南京）；三種細骨料：（1）河砂：來自南京攪拌站，細度模數為2.15，含泥量為3.28%，顆粒級配曲線見圖1。（2）標準砂：廈門艾思歐標準砂，符合GB/T 17671—1999，每袋砂凈含量為 1350±5g。（3）富鎂鎳渣：來自江蘇，為金屬冶煉過程中排放的一種特殊廢渣，細度模數為2.79，含泥量為1.38%，顆粒級配曲線見圖1，化學成分見表2。

表2 富鎂鎳渣的化學成分 %

圖1 細骨料的級配曲線

1.2 實驗方法

將磷石膏，礦渣，水泥按一定配比進行配料，PG摻量為50%，礦渣摻量為40%，水泥摻量為10%。以河砂為細骨料，膠凝材料與細骨料配合比為1∶3，水灰比為0.5。分別加入三種不同的減水劑并控制不同的摻量制備砂漿漿體進行性能測試。依據《水泥膠砂流動度測定方法》砂漿漿體的流動度。測量其砂漿硬化體強度，用壓力機測量其抗壓和抗折強度。依據GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》中膠砂抗折強度的測試方法[14]。將試件放在試驗機上，當試件折斷實驗結束，讀取數據計算抗折強度。此外依據《水泥膠砂強度檢驗方法》中抗壓強度的測試方法，試件破壞讀取數據計算抗壓強度。

將養護至28 d的試樣放入45℃烘箱中烘干至恒重，并稱量恒重后的質量G1。烘干后的試樣放入（20±2）℃的水槽中，試塊間隔不小于20 mm，水面高出試樣不小于20 mm，浸泡24 h后用干凈抹布除去試塊表面的水，測試其飽水狀態下的質量G2，吸水率計算見公式（1）。

其中，Rw—膠凝材料硬化體的吸水率，%；G1—硬化體烘干后質量，g；G2—硬化體浸泡24 h后的質量，g。

測試其飽水狀態及烘干狀態下的抗壓強度，軟化系數計算見公式（2）。

其中，Ru—膠凝材料硬化體的軟化系數，%；Pu0—硬化體烘干后抗壓強度，MPa；Pu1—硬化體浸泡24 h后抗壓強度，MPa。

2 結果與討論

2.1 不同減水劑及摻量對磷石膏基砂漿流動度的影響

減水劑摻量分別為0%、0.2%、0.4%和0.6%（外摻法），研究減水劑的種類及摻量對磷石膏基砂漿流動度的影響，結果見圖2。

圖2 減水劑對磷石膏基砂漿流動度的影響

由圖2可知，加入減水劑后，相同水灰比條件下，磷石膏基砂漿漿體流動度均呈增大趨勢，且隨摻量增加而增大。減水劑摻量為0.4%時，摻J-1、J-2和J-3型減水劑的砂漿漿體流動度為：17.0 cm、15.0 cm和14.5 cm。其中J-1型減水劑對流動度的影響最大，其摻量為0.2%、0.4%和0.6%時漿體流動度分別為15.5 cm、17.0 cm和27.1 cm，較未摻減水劑時（13.2 cm）分別增加了17.42%、28.79%和105.30%。

2.2 不同減水劑及摻量對磷石膏基砂漿硬化體強度的影響

2.2.1 J-1型減水劑對磷石膏基砂漿硬化體強度的影響

實驗測定了外摻0%、0.2%、0.4%和0.6%J-1型減水劑后磷石膏基砂漿硬化體7 d、28 d和90 d的抗壓強度和抗折強度，實驗結果分別見圖3和圖4。

圖3 J-1減水劑摻量對磷石膏基砂漿硬化體抗壓強度的影響

圖4 J-1減水劑摻量對磷石膏基砂漿硬化體抗折強度的影響

由圖3可知，在不同齡期時，磷石膏基砂漿抗壓強度隨J-1型減水劑摻量的增加呈減小的趨勢，且摻量越大，抗壓強度越低，其中摻量為0.4%時，砂漿硬化體7 d、28 d和90 d抗壓強度分別為18.1 MPa、33.1 MPa和37.6 MPa，較未摻減水劑時砂漿硬化體的抗壓強度分別降低了8.59%、3.02%和3.09%，各齡期砂漿硬化體抗壓強度呈不同程度的降低，早期抗壓強度降低明顯，后期降低幅度減小。當J-1型減水劑摻量超過0.4%時，砂漿硬化體各齡期抗壓強度降低較明顯，摻量為0.6%時，砂漿硬化體7 d、28 d和90 d抗壓強度分別為16.9 MPa、30.8 MPa和35.2 MPa，抗壓強度下降幅度較大。由圖4的抗折強度結果可知，砂漿硬化體各齡期抗折強度隨減水劑的摻量增加而降低，且28 d和90 d齡期的硬化體抗折強度隨減水劑摻量的增加幾乎呈線性下降。

2.2.2 J-2型減水劑對磷石膏基砂漿硬化體強度的影響

實驗測定了外摻0%、0.2%、0.4%和0.6%J-2型減水劑后磷石膏基砂漿硬化體7 d、28 d和90 d抗壓強度和抗折強度，實驗結果分別見圖5和圖6。

圖5 J-2減水劑摻量對磷石膏基砂漿硬化體抗壓強度的影響

圖6 J-2減水劑摻量對磷石膏基砂漿硬化體抗折強度的影響

由圖5可知，J-2型減水劑對磷石膏基砂漿硬化體抗壓強度降低幅度較為明顯，隨著摻量增加，7 d、28 d和90 d抗壓強度呈線性下降，當減水劑摻量為0.4%時，砂漿硬化體7 d、28 d和90 d抗壓強度分別為17.6 MPa、30.9 MPa和32 MPa，較未摻減水劑時硬化體的抗壓強度分別降低了11.11%、9.65%和11.86%，各齡期降低程度相差較小。砂漿硬化體抗折強度隨減水劑摻量改變的變化規律與抗壓強度基本一致（見圖6）。

2.2.3 J-3型減水劑對磷石膏基砂漿硬化體強度的影響

實驗測定了外摻0%、0.2%、0.4%和0.6%J-3型減水劑后磷石膏基砂漿硬化體7 d、28 d和90 d的抗壓強度和抗折強度，實驗結果分別見圖7和圖8。

圖7 J-3減水劑摻量對磷石膏基砂漿硬化體抗壓強度的影響

由圖7可知，J-3型減水劑對磷石膏基砂漿硬化體抗壓強度的影響與J-2型減水劑相比較小，但各齡期硬化體抗壓強度均隨減水劑摻量的增加而降低，摻量越大，抗壓強度降低越多。其中當減水劑摻量為0.4%時，砂漿硬化體7 d、28 d和90 d抗壓強度分別為17.9 MPa、31.1 MPa和35.1 MPa，分別降低了9.60%、9.06%和9.54%。砂漿硬化體抗折強度隨減水劑摻量改變的變化規律與抗壓強度基本一致（見圖8）。

圖8 J-3減水劑摻量對磷石膏基砂漿硬化體抗折強度的影響

根據三種類型減水劑對磷石膏基砂漿材料硬化體抗壓、抗折強度的測試結果，結果表明摻入減水劑后硬化體的抗壓、抗折強度均減小。分析其原因，可能是減水劑雖然能夠提高膠凝材料的減水率，但其表面活性作用還能使膠凝材料漿體的含氣量增加，從而引入了更多的氣泡，進而降低了膠凝材料的力學性能。

2.3 不同減水劑及摻量對磷石膏基砂漿硬化體吸水率和軟化系數的影響

石膏硬化體的吸水率和軟化系數通常用來表征石膏制品的耐水性。吸水率越低說明試樣內部密實，孔隙率小，耐水性好；軟化系數是表示試樣吸水前后機械強度變化的物理量，軟化系數越大表明材料的耐水性越好。通過測試磷石膏基砂漿硬化體28 d的吸水率及軟化系數來檢測硬化體的耐水性效果。

實驗測定了外摻0%、0.2%、0.4%和0.6%三種類型減水劑后磷石膏基砂漿硬化體28 d的吸水率和軟化系數，實驗結果分別見圖9和圖10。

圖9 減水劑對磷石膏基砂漿硬化體吸水率的影響

圖10 減水劑對磷石膏基砂漿硬化體軟化系數的影響

由圖9可以看出，與未摻減水劑的磷石膏基砂漿硬化體相比，摻入減水劑后，硬化體的吸水率均呈現不同程度的增大，且隨著減水劑摻量的增加而增大。比較不同類型減水劑對硬化體吸水率的影響，可以看出J-1型減水劑對硬化體吸水率的影響較小，硬化體吸水率隨J-1型減水劑摻量的增加略微增大，其中摻量為0.4%的硬化體吸水率為2.51%，較未摻時硬化體吸水率（2.45%）增加了僅2.45%。而J-2和J-3型減水劑對硬化體吸水率影響較大，當減水劑摻量為0.4%時，摻J-2和J-3型減水劑硬化體的吸水率分別為2.76%和2.63%，分別增加了12.65%和7.35%。其原因在于減水劑的加入使得硬化體孔隙率增加，結構致密度降低，因而吸水率增加，而J-2和J-3型減水劑對吸水率影響更大，可能跟減水劑與漿體的適應性較差有關。

由圖10可知，減水劑對磷石膏基砂漿硬化體軟化系數的影響較小，且隨減水劑摻量的增加而逐漸減小。減水劑摻量為0.4%時，摻J-1、J-2和J-3型減水劑硬化體28 d軟化系數分別為0.91、0.88和0.90，與未摻減水劑時硬.化體軟化系數（0.92）相比，分別降低了1.09%、35%和2.17%。

綜合上述磷石膏基砂漿漿體的流動度、硬化體抗壓強度、抗折強度、吸水率和軟化系數的測試結果，可以看出J-1型減水劑與漿體的適應性較好。漿體流動度均隨著減水劑摻量的增加而增加，但過量減水劑的摻入對硬化體力學強度和耐水性不利，因此最佳的減水劑種類為J-1型，并確定摻量為0.4%。

3 結論

（1）減水劑的加入可大幅增加磷石膏基砂漿漿體的流動度，提高工作性能，萘系（J-1）型減水劑對其流動度的影響最大，摻量為0.4%時，流動度為17.0cm。

（2）減水劑的摻入會略微降低磷石膏砂漿的力學性能，萘系（J-1）型減水劑對強度影響最小，摻量為0.4%時7 d、28 d和90 d抗壓強度分別為18.1 MPa、33.1 MPa和37.6 MPa。

（3）減水劑對磷石膏基砂漿硬化體軟化系數的影響較小，無明顯差距。綜合磷石膏基砂漿漿體的流動度、硬化體抗壓強度、抗折強度、吸水率和軟化系數測試結果，萘系（J-1）型減水劑與漿體的適應性較好。摻量達到0.4%時，總體性能最佳。