大摻量磷石膏泡沫輕質土的制備

鄭波濤，譚旺，郭廣銀，丁慶軍，施建軍，解鵬洋

（1.保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510620；2.廣州市高速公路有限公司，廣東 廣州 510290；3.武漢理工大學 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北 武漢 430070；4.中國新型建材設計研究院有限公司，浙江 杭州 310022）

0 引 言

磷石膏是濕法生產磷酸過程中的副產物，通常每生產l t磷酸就會產生大約5 t 的磷石膏，我國已有約4 億t 的磷石膏堆存量，近年來年均排放量超7000 萬t[1-3]。磷石膏的露天堆存不僅會侵占大量的土地資源，而且會污染周圍空氣和地下水，對周邊居民的身體健康造成威脅，因此，實現磷石膏的資源化利用是亟待解決的問題。

泡沫輕質土是將泡沫引入水泥漿體固化成型的多孔材料，通過控制泡沫的摻量，可調節泡沫輕質土的密度為300~1800 kg/m3。泡沫輕質土具有輕質、強度可調節、高流動性及自立性等特點，可以較好控制路基沉降和降低后期養護運營成本[4-5]。傳統的泡沫輕質土以水泥為主要原料，水泥摻量往往大于50%，目前常用的水泥有：硫鋁酸鹽水泥、硅酸鹽水泥、高鋁水泥等[6]。但是，隨著水泥經濟和環境成本的上升，以及大量的工業固體廢棄物排放、堆積對環境造成的危害，要求我們合理利用工業固廢，減少水泥用量。以磷石膏為原料制備用于路基填筑的泡沫輕質土，既可以實現磷石膏的資源化利用，又可以減少水泥摻量，降低泡沫輕質土的成本，具有顯著的經濟和社會效益。

本文研究成果已應用于南中高速民眾南互通立交路基施工，路基下軟土覆蓋層深達36 m，其中流塑狀態淤泥層深度達14 m，設計采用“塑料排水板+真空預壓”作為軟基處理方式。通過大摻量磷石膏泡沫輕質土在路基中的應用，有效減小了路基自重荷載，路基沉降得到了有效控制，且該新型泡沫輕質土力學性能穩定，可為今后同類工程提供參考。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：湖北亞東水泥有限公司，P·Ⅱ52.5 級水泥。礦粉：石家莊市靈壽縣土運礦產品加工廠，S95 級。二水磷石膏：宜昌市某堆場磷石膏，粉磨過60 目（0.3 mm）不銹鋼方孔篩。半水磷石膏：宜昌市某堆場磷石膏，110 ℃烘2 d，粉磨過60 目（0.3 mm）不銹鋼方孔篩。減水劑：江蘇蘇博特公司產聚羧酸系PC 減水劑，固含量40%，減水率為25%。發泡劑：廣東首誠建設科技有限公司產，其主要成分為十二烷基硫酸鈉。水玻璃：蚌埠市精誠化工有限責任公司產，固含量35%，模數3.1，波美度40°Be。水：自來水。

1.2 試驗方案

以m（水泥）∶m（礦粉）∶m（磷石膏）=20∶65∶15 為基準配合比，水膠比固定為0.32，外摻2.5%、模數為1.2 的水玻璃為激發劑，減水劑摻量為0.5%，摻量均按占膠凝材料質量計，磷石膏以等質量取代礦粉的形式摻入泡沫輕質土中，研究磷石膏摻量對泡沫輕質土流動性能、力學性能、耐水性能與抗凍性能的影響。田甜[7]研究表明，一定量的半水磷石膏可防止泡沫輕質土塌模，因此固定磷石膏中m（半水磷石膏）∶m（二水磷石膏）=1∶4。試驗配合比如表1 所示。

表1 磷石膏摻量配合比

1.3 試驗方法

1.3.1 混凝土成型

按配合比稱量好粉料、減水劑、激發劑和水，將粉料倒入攪拌桶干拌混合均勻，然后加入部分水（80%左右）和減水劑濕拌，最后加入與剩余水混合的激發劑溶液，攪拌得到混凝土漿體。采用發泡機進行發泡，用額定體積的量筒量取泡沫，加入攪拌鍋與漿體攪拌均勻。取樣測試泡沫輕質土的容重和流動度，最后將漿體倒入100 mm×100 mm×100 mm 和40 mm×40 mm×160 mm 的三聯鋼模中，漿體略高于試模表面，蓋上保鮮膜，自然養護48 h 拆模，拆模后的試塊套上保鮮袋密封，放入養護室養護到規定齡期進行測試。

1.3.2 測試及養護方法

（1）泡沫輕質土的泡沫質量、流動性、抗壓強度和養護方法均按照CJJ/T 177—2012《氣泡混合輕質土填筑工程技術規范》進行測試。泡沫輕質土抗折強度按照GB/T 17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法》進行測試。

（2）凍融循環試驗參照GB/T 11969—2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》進行測試。將養護到規定齡期的試件進行15次凍融循環，循環制度為凍8 h，融6 h。

（3）由于泡沫輕質土的抗壓強度為“濕狀態”下的強度，泡沫輕質土本身含有一定水分，為表征泡沫輕質在飽水狀態時抗壓強度與設計強度的偏差，以試塊飽水時的抗壓強度與試塊“濕狀態”下抗壓強度的比值表征水軟化系數。

（4）XRD 測試采用荷蘭帕納科公司生產的EmpyreanX 射線衍射儀，進行XRD 測試。

（5）采用日本電子株式會社生產的JSM-IT 300 型場發射掃描電鏡進行微觀形貌分析。

2 結果與討論

2.1 磷石膏摻量對泡沫輕質土流動度的影響（見表2）

表2 磷石膏摻量對泡沫輕質土流動度的影響

由表2 可以看出，隨著磷石膏取代礦粉量增加，泡沫輕質土的流動性能下降，磷石膏摻量由15%增至70%，流動度由198 mm 下降到149 mm。這是因為，磷石膏的表觀密度比礦粉小，等質量取代礦粉造成粉料體積增大，在相同的水膠比下，漿體變得粘稠，流動性能下降；另一方面，隨著磷石膏摻量增加，半水磷石膏含量也會增加，半水磷石膏遇水會迅速生成二水石膏，這個過程會消耗一部分自由水，導致泡沫輕質土流動性能下降。流動度太低會影響泡沫輕質土的工作性能和力學性能，當磷石膏摻量為65%和70%時，泡沫輕質土的流動度分別為156、149 mm，低于CJJ/T 177—2012 要求的160 mm，因此，對于高磷石膏摻量（≥60%）的泡沫輕質土應適當提高水膠比或減水劑摻量。

2.2 磷石膏摻量對泡沫輕質土力學性能的影響（見圖1）

圖1 磷石膏摻量對泡沫輕質土力學性能的影響

由圖1 可知：

（1）隨著磷石膏摻量增加，泡沫輕質土的強度逐漸降低，這是因為磷石膏本身并沒有活性，大部分是以填料的形式存在泡沫輕質土中，取代礦粉后造成膠凝體系整體活性下降，從而表現為泡沫輕質土強度降低。

（2）路基材料對力學性能要求低，可以通過犧牲部分強度來達到消納固廢，降低路基材料成本的目的。在水泥-礦粉-磷石膏膠凝體系中，當磷石膏摻量為15%時，泡沫輕質土28 d 抗壓強度為3.42 MPa，強度有一定富余，可以繼續提高磷石膏的摻量，以達到消納更多磷石膏的目的。

（3）從強度下降趨勢來看，泡沫輕質土的力學性能隨磷石膏摻量增加而緩慢下降，但當磷石膏摻量由55%增加到60%時，泡沫輕質土的28 d 抗壓強度出現驟降，由2.24 MPa 下降到1.60 MPa，此時磷石膏摻量的增加對泡沫輕質土強度影響較大，綜合力學性能和經濟效益，磷石膏摻量不應超過55%。

2.3 半水磷石膏摻量對泡沫輕質土的影響

本文采用的半水磷石膏是原狀磷石膏在110 ℃下失去1.5 個水分子產生的，半水磷石膏遇水可以迅速轉化為二水磷石膏，促進漿體凝結，在一定程度上緩解磷石膏的緩凝作用，同時與原狀磷石膏不同，由半水磷石膏生成的二水磷石膏具有一定強度，可以改善泡沫輕質土的力學性能，但半水磷石膏摻入會影響泡沫輕質土的流動性能和增加泡沫輕質土的成本，因此，需要尋找合適的半水磷石膏摻量。以A8 組配比[m（水泥）∶m（礦粉）∶m（磷石膏）=20∶30∶50]為基準配合比，改變半水石膏與二水石膏的比例，研究半水石膏摻量對泡沫輕質土性能的影響，試驗結果如表3 所示。

表3 半水磷石膏摻量對泡沫輕質土流動性能和強度的影響

由表3 可知：

（1）半水磷石膏的摻入會降低泡沫輕質土的流動性能，這是因為，半水磷石膏遇水會迅速轉化為二水磷石膏，消耗一些自由水，隨著半水磷石膏摻量增加，漿體中自由水減少，從而導致泡沫輕質土的流動性能降低。

（2）半水磷石膏的摻入并沒有改善泡沫輕質土的力學性能，這是因為，半水磷石膏的加入使漿體中的自由水減少，漿體變得粘稠，泡沫與漿體混合時受到阻力加大，泡沫更容易受損。此外，當漿體中的自由水不足時，漿體會吸走泡沫的水分，從而導致泡沫破滅。當半水磷石膏摻量增加到10%時，泡沫輕質土的抗壓強度變化不大，這是因為，一方面，半水磷石膏摻入使漿體變得粘稠，泡沫分散不均勻，同時泡沫在混泡過程中受到阻力增大，更容易受損，從而導致泡沫輕質土的力學性能下降；另一方面，半水磷石膏遇水生成具有一定強度的二水磷石膏，該反應進行比較快，有助于孔結構的固化，從而提高泡沫輕質土的力學性能。但本文采用的半水磷石膏是由二水磷石膏烘干制得，半水磷石膏各方面性能較差，因此，半水石膏摻入并未改善泡沫輕質土的力學性能。

2.4 磷石膏摻量對泡沫輕質土耐水性能的影響

用于路基填筑的泡沫輕質土會因地下水和路面水滲透等原因處于飽水狀態，泡沫輕質土在飽水狀態時，水分子的存在會消弱分子間結合力，導致泡沫輕質土力學性能下降，同時增加泡沫輕質土的容重，影響泡沫輕質土的服役效果。此外，石膏本身在水中溶解度大，石膏的溶解會使晶體間結合力減弱，劣化泡沫輕質土的力學性能，因此需要對磷石膏泡沫輕質土耐水性能進行研究。

由于路基填筑用泡沫輕質土在設計時是以濕容重為指標，強度設計也是“濕狀態”時泡沫輕質土的強度，為更直接反應泡沫輕質土在飽水狀態時抗壓強度的損失，在計算泡沫輕質土水軟化系數時，對照組的強度為泡沫輕質土在“濕狀態”時的抗壓強度。以磷石膏摻量為變量，研究磷石膏摻量對泡沫輕質土耐水性能的影響，試驗結果如表4 所示。

表4 磷石膏摻量對泡沫輕質土耐水性能的影響

由表4 可知，泡沫輕質土在飽水狀態時，強度均出現不同程度的下降，但水軟化系數均≥0.80，說明磷石膏泡沫輕質土有良好的耐水性能。磷石膏的摻量對泡沫輕質土的耐水性能有顯著影響，隨著磷石膏摻量增加泡沫輕質土的吸水率先減小后增大，水軟化系數先增大后減小，這是因為在同密度等級下，磷石膏的密度比礦粉低，在等質量取代礦粉時，泡沫摻量下降，泡沫輕質土變得更加密實，因此耐水性能更好。但當磷石膏過多時，由于緩凝作用，泡沫輕質土會存在很多缺陷，使水分更容易進入泡沫輕質土中，從而導致耐水性能下降。

2.5 磷石膏摻量對泡沫輕質土抗凍性能的影響

用于路基填筑的泡沫輕質土往往含有較多自由水，當氣溫下降到0 ℃以下時，泡沫輕質土中的自由水就會凝固膨脹，在泡沫輕質土中產生內應力，縮短泡沫輕質土的服役壽命，因此，需要對泡沫輕質土的抗凍性能進行研究。以磷石膏摻量為變量，研究磷石膏摻量對泡沫輕質土抗凍性能的影響，結果如表5 所示。

表5 磷石膏摻量對泡沫輕質土抗凍性能的影響

由表5 可知：

（1）泡沫輕質土在經歷15 次凍融循環后，抗壓強度均有所下降，其下降幅度大小與磷石膏摻量成正比。當磷石膏摻量由20%增加到60%時，抗壓強度損失率由14%增長到26%。

分析原因：一方面，隨著磷石膏摻量的增加，泡沫輕質土本身強度逐漸下降，更容易因內部水膨脹產生微裂紋，造成抗壓強度損失，這是影響泡沫輕質土抗凍性能的主要因素；另一方面，磷石膏摻量的變化會對泡沫輕質土的吸水率產生影響，從而對抗凍性能產生一定影響，這是因為，磷石膏摻量的增加使漿體需水量增加和凝結時間延長，不利于孔結構的固化，造成吸水率增大，但磷石膏表觀密度小，等質量取代礦粉造成粉料體積增大，泡沫輕質土致密性增加，導致吸水率減小，在二者共同作用下，泡沫輕質土的吸水率產生一定變化，結合表4吸水率變化規律可知，吸水率變化對泡沫輕質土抗凍性能影響不大。

（2）與抗壓強度損失規律一致，隨著磷石膏摻量增加，泡沫輕質土質量損失率逐漸增大，這是因為磷石膏在泡沫輕質土中主要以填料的形式存在，其膠粘性不佳且溶解度高，隨著泡沫輕質土的凍融破壞，有部分磷石膏剝落、溶出，造成泡沫輕質土的質量損失。但與抗壓強度損失相比，泡沫輕質土質量損失率較小，這是因為泡沫輕質土（濕密度1000 kg/m3）在凍融循環過程中并未出現邊角等薄弱區剝落的現象，其主要破壞形式為試塊表面出現裂縫。泡沫輕質土凍融破壞的形式如圖2 所示。

圖2 泡沫輕質土凍融破壞形式

2.6 XRD/SEM 分析

圖3 為磷石膏泡沫輕質土（A2、A4、A6、A8、A10）養護3、28 d 的XRD 圖譜。

圖3 磷石膏泡沫輕質土養護3、28 d 的XRD 圖譜

由圖3 可以看出，磷石膏泡沫輕質土養護3 d 主要結晶相為鈣礬石、二水石膏，養護28 d 主要結晶相為鈣礬石、二水石膏和Ca（OH）2，其中，Ca（OH）2的峰在磷石膏摻量為20%的泡沫輕質土（A2）中比較明顯。

在水泥-礦粉-磷石膏膠凝體系中，Ca（OH）2是由水泥水化產生，早期水泥水化產生的Ca（OH）2一部分用于中和磷石膏中的酸性組分，為泡沫輕質土提供堿性環境，另一部分與礦粉、磷石膏反應生成鈣礬石為泡沫輕質土提供強度，在養護3 d的XRD 圖譜中幾乎沒有Ca（OH）2的存在，說明此時的Ca（OH）2全部參與了反應。后期隨著水泥繼續水化，Ca（OH）2繼續生成，在養護28 d 的XRD 圖譜中可以看到Ca（OH）2的存在，并且其峰高隨磷石膏摻量增加而逐漸降低。Ca（OH）2與磷石膏協同激發礦粉生成C-S-H 凝膠和鈣礬石，泡沫輕質土逐漸變得密實，強度提高，因此與養護3 d 的XRD 圖譜相比，養護28 d 的XRD 圖譜中磷石膏含量減少，鈣礬石含量增多。

由XRD 圖譜可以看出，不同磷石膏摻量的泡沫輕質土水化產物相同，因此，以磷石膏摻量為50%的泡沫輕質土（A8）為例，用SEM 分析磷石膏泡沫輕質土3、28 d 水化產物的微觀形貌，結果如圖4 所示。

圖4 磷石膏泡沫輕質土的SEM 照片

由圖4 可以看出，磷石膏泡沫輕質土早期的水化產物為C-S-H 凝膠、針棒狀鈣礬石和短柱狀鈣礬石，鈣礬石穿插在C-S-H 凝膠中共同為泡沫輕質土提供早期強度。隨著水化反應進行，泡沫輕質土中C-S-H 凝膠與結晶相（短柱狀鈣礬石）所占比例增加，漿體結構也更加密實，鈣礬石和C-S-H 凝膠將未水化的磷石膏粘結在一起，共同為泡沫輕質土提供強度。

3 結 論

（1）以水玻璃為激發劑，磷石膏等質量取代礦粉，隨著磷石膏摻量增加，泡沫輕質土的力學性能和流動性能逐漸下降，綜合力學性能與經濟效益，磷石膏摻量不應大于55%。

（2）在耐水性能方面，隨磷石膏摻量增加，泡沫輕質土耐水性能先上升后下降，影響泡沫輕質土耐水性能主要是吸水率，吸水率越高，耐水性能越差；在抗凍性能方面，隨著磷石膏摻量增加，質量損失率和抗壓強度損失率逐漸增大，這主要是因為磷石膏摻量增加，泡沫輕質土力學性能下降，更易被凍脹破壞。

（3）磷石膏泡沫混凝土主要水化產物為C-S-H 凝膠和鈣礬石，未反應的磷石膏填充在水化產物中，共同為泡沫混凝土提供強度。