过硫磷石膏矿渣水泥混凝土中PSC浆磷石膏含量测定方法研究

过硫磷石膏矿渣水泥混凝土中PSC浆磷石膏含量测定方法研究

林宗寿，吕治江

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室,武汉 430070)

摘要：通过分离过硫磷石膏矿渣水泥混凝土中的过硫磷石膏矿渣水泥浆，并测定各原料的SO3含量，然后根据各原料SO3的平衡关系，计算出了过硫磷石膏矿渣水泥混凝土中的过硫磷石膏矿渣水泥浆的磷石膏含量。经实验反复验证，显示磷石膏含量的测定误差均可在1.0%范围之内，可作为过硫磷石膏矿渣水泥混凝土生产过程中磷石膏配合比的日常控制和测定方法。

关键词：过硫磷石膏矿渣水泥混凝土；磷石膏含量；测定方法

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.001

Abstract:Through the separation of the Excess-Sulfate Phosphogypsum Slag pulp from the Excess-Sulfate Phosphogypsum Slag Cement Concrete, and the determination of the SO3 content in each material, this study calculated the Phosphogypsum Content in the Excess-Sulfate Phosphogypsum Slag pulp of the Excess-Sulfate Phosphogypsum Slag Cement Concrete according to the equilibrium relationship of SO3 in each material. Through repeated verification, it showed that the measurement deviation of the Phosphogypsum Content is within 1.0% range, so this method can be used to daily control and determine the mix proportion of the Phosphogypsum during the production of the Excess-Sulfate Phosphogypsum Slag Cement Concrete.

收稿日期：2015-06-14.

基金项目：国家高技术研究发展计划(863)项目(2012AA06A112).

作者简介：林宗寿(1957-)，教授．E-mail:13807182067@163.com

Study of the Determination Methods of the PSC Pulp Phosphogypsum

Content in the Excess-sulfate Phosphogypsum Slag Cement Concrete

LINZong-shou，LVZhi-jiang

(The State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures, Wuhan University of Technology,

Wuhan 430070, China)

Key words:excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete;phosphogypsum content;determination Methods

林宗寿等[1-13]经过多年研究,开发出一种磷石膏基免煅烧水泥,后更名为“过硫磷石膏矿渣水泥”。过硫磷石膏矿渣水泥(PSC)是一种采用40%～50%的磷石膏、40%～50%的矿渣、2%的钢渣和约4%的硅酸盐水泥熟料经混合、粉磨制成的新型水硬性胶凝材料。为进一步节能降耗，林宗寿等[9-13]越过了过硫磷石膏矿渣水泥的生产环节，采用磷石膏浆、矿渣粉、普通硅酸盐水泥、砂、石和外加剂，直接搅拌制成了过硫磷石膏矿渣水泥混凝土(PSCC)，并对过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的工艺参数进行了探索。

根据资料[5]可知，PSCC的PSC浆中磷石膏含量大小对其性能有所影响。PSC浆中磷石膏含量过高(超过50%)，会引起PSCC强度大幅度下降；PSC浆中磷石膏含量过低(小于40%)，PSCC的强度将不再明显提高，节能环保效益下降，将失去生产该产品的意义。因此，在PSCC的实际生产过程中，应控制PSC浆中磷石膏的含量。该文旨在通过分离PSCC中的PSC浆，并测定各原料的SO3含量，根据各原料SO3的平衡关系，计算出PSCC中的PSC浆的磷石膏含量，以达到控制PSC浆中磷石膏含量的目的。

1实验方法

1.1　砂石含水率测定

按PSCC中砂子和石子的比例，将砂石配合后称取1 kg试样，置于105 ℃烘箱中烘干至恒重，根据失量计算出砂石质量百分含水率ωH2O 。

1.2　砂石细粉含量测定

所谓砂石细粉含量是指砂子和石子中含有可通过0.3 mm筛的细颗粒的质量百分含量。按过硫磷石膏矿渣水泥混凝土中砂子和石子的比例，将砂石配合后称取300 g试样(m1)，置于容器中加入适量水搅拌，然后用0.3 mm筛过筛，过筛过程中砂石可用清水洗涤2次。将过筛得到的溶液用中速定性滤纸过滤，连同滤纸置于105 ℃烘箱中烘干至恒重并称量(扣除滤纸质量)即为细粉量m2，按式(1)计算砂石细粉含量。

(1)

式中,ωf为砂石细粉含量，%；ωH2O 为砂石含水率，%；m1为砂石的称量，g；m2细粉量，g。

1.3　PSC细砂浆提取和含固量测定

含有细砂的PSC浆称为PSC细砂浆。

1)提取液制备方法

称取400 g过硫磷石膏矿渣水泥混凝土拌合物放在容器中，人工剔除大颗粒石子，加入500 mL自来水搅拌均匀，沉淀后将溶液用真空抽滤瓶抽滤(抽滤漏斗中垫中速定性滤纸)，所得滤液即为提取液，储存备用。

2)PSC细砂浆提取方法

称取200 g过硫磷石膏矿渣水泥混凝土拌合物放在容器中，人工剔除大颗粒石子，加250 mL提取液，然后用0.3 mm标准筛过筛，再用少量提取液将砂石冲洗干净。将筛选出来的水泥细砂浆用真空抽滤瓶抽滤(抽滤漏斗中垫中速定性滤纸)。将滤泥搅拌均匀，即为PSC细砂浆。

3)PSC细砂浆含固量测定方法

称取PSC细砂浆10 g(精确至0.01 g)(m1)置于200 mL烧杯中,加入15 mL无水乙醇搅拌后，用中速定性滤纸过滤，再用少量无水乙醇冲洗两遍。连同滤纸一起放入40 ℃的烘干箱中烘干至恒量，并称量得质量m2(扣除滤纸质量)。根据下式计算PSC细砂浆的含固量ωg。

(2)

1.4　PSC细砂浆三氧化硫含量测定

称取有代表性的PSC细砂浆试样约1.5 g，精确至0.000 1 g。置于300 mL烧杯中，在电炉上加热15 min(目的是使钙矾石脱水分解)。然后冷却至室温后，加入90～100 mL水使其分散。加30 mL盐酸(1+1)。用平头玻璃棒压碎块状物，慢慢地加热溶液，直至试样分解完全。将溶液加热微沸5 min。用中速滤纸过滤，用热水洗涤10～12次。调整滤液体积至200 mL，煮沸。在搅拌下滴加30 mL热的氯化钡溶液(将100 g二水氯化钡BaCl2·2H2O溶于水中，加水稀释至1 L)。继续煮沸数分钟，然后移至温热处静置4 h或过夜。用慢速滤纸过滤，用温水洗涤，直至检验无氯离子为止。

将沉淀及滤纸一并移入已灼烧恒量的瓷坩埚中，灰化后在800 ℃的马弗炉内灼烧30 min，取出坩埚置于干燥器中冷却至室温，称量。反复灼烧，直至恒量m2。

三氧化硫的质量百分含量按式(3)计算

(3)

式中,ωCS为PSC细砂浆的三氧化硫质量百分含量，%；m2为灼烧后沉淀的质量，g；m1为PSC细砂浆试样的质量，g；ωG为PSC细砂浆的含固量，%；0.343为硫酸钡对三氧化硫的换算系数。

1.5　磷石膏三氧化硫含量测定

取有代表性的磷石膏试样5 g左右，用玛瑙研钵磨细并均化均匀，置于40 ℃烘干箱中烘干至恒量后，称取约0.1g试样，精确至0.000 1 g。置于300 mL烧杯中，加入30～40 mL水使其分散。加10 mL盐酸(1+1)。用平头玻璃棒压碎块状物，慢慢地加热溶液，直至试样分解完全。将溶液加热微沸5 min。用中速滤纸过滤，用热水洗涤10～12次。调整滤液体积至200 mL，煮沸。在搅拌下滴加10 mL热的氯化钡溶液(将100 g二水氯化钡BaCl2·2H2O溶于水中，加水稀释至1 L)。继续煮沸数分钟，然后移至温热处静置4 h或过夜(此时溶液的体积应保持在200 mL)。用慢速滤纸过滤，用温水洗涤，直至检验无氯离子为止。

将沉淀及滤纸一并移入已灼烧恒量的瓷坩埚中，灰化后在800 ℃的马弗炉内灼烧30 min，取出坩埚置于干燥器中冷却至室温，称量。反复灼烧，直至恒量m2。

磷石膏三氧化硫的质量百分含量按式(4)计算

(4)

式中，ωGS为磷石膏三氧化硫质量百分含量，%；m2为灼烧后沉淀的质量，g；m1为磷石膏试样的质量，g；0.343为硫酸钡对三氧化硫的换算系数。

1.6　PSCC中PSC浆的磷石膏含量计算

设：每立方米过硫磷石膏矿渣水泥混凝土中砂子和石子的总量为akg；每立方米过硫磷石膏矿渣水泥混凝土中熟料粉(或水泥及钢渣粉)、磷石膏及矿渣粉的总量(PSC)为bkg；干基PSC浆中熟料粉(或硅酸盐水泥，当含有钢渣时即指熟料或水泥与钢渣的混合物)的质量百分含量为ωs(%)；干基PSC浆中矿渣粉的质量百分含量为ωk(%)。

则：每克干基PSC浆对应的砂石总量为：(a/b) g。

每克干基PSC浆所能带入的砂石细粉量总量为：(aωf/100b) g。

设：干基PSC浆中的磷石膏质量百分含量为ωP，则：每克干基PSC浆中的磷石膏质量为：(ωp/100) g。

设：干基PSC细砂浆中的三氧化硫质量百分含量为：ωCS(%)；

熟料粉(或硅酸盐水泥，当含有钢渣时即指熟料或水泥与钢渣的混合物)的三氧化硫质量百分含量为：ωCS(%)；

矿渣粉的三氧化硫质量百分含量为：ωks(%)；

则：根据三氧化硫的平衡关系，可得如下等式

(5)

整理得

(6)

式中,ωP为干基PSC浆中的磷石膏质量百分含量，%；ωf为砂石细粉含量，%；ωGS为磷石膏的三氧化硫质量百分含量，%；ωCS为干基PSC细砂浆的三氧化硫质量百分含量，%；a为1 m3过硫磷石膏矿渣水泥混凝土中的砂、石配合量，kg；b为1 m3过硫磷石膏矿渣水泥混凝土中的PSC配合量，kg。ωS为干基PSC浆中熟料粉(或硅酸盐水泥，当含有钢渣时即指熟料或水泥与钢渣的混合物)的质量百分含量，%，可以采用已知的设计配比；ωk为干基PSC浆中矿渣粉的质量百分含量,%，可以采用已知的设计配比；ωSS为熟料粉(或硅酸盐水泥，当含有钢渣时即指熟料或水泥与钢渣的混合物)的三氧化硫质量百分含量，%；ωks为矿渣粉的三氧化硫质量百分含量，%。

2实验验证

2.1　第一次验证实验

1)磷石膏：取自湖北省黄麦岭磷化工有限公司的磷石膏，置于60 ℃烘箱中烘干至恒重，测定含固量为99.7%；ωGS为44.7%。

2)矿渣粉：取武汉武新新型材料有限公司生产的S95级矿渣粉，测定密度为2.87 g/cm3，比表面积为449.7 m2/kg。

3) PO水泥：取自湖北金兰水泥有限公司生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，测定密度为3.09 g/cm3，比表面积为385 m2/kg。

4)砂、石：取自大悟全兴实业有限责任公司，测定ωf为13.08%。

5)母液：采用聚羧酸减水剂母液，固含量为40%。

将上述原料，按表1的配比进行实验。可见，PSCC的PSC浆中的磷石膏含量的测定值与实际配合比的误差均在±0.82%范围之内。

表1　PSCC配合比及PSC浆中的磷石膏含量测定

注：a=473.7 kg，b=100 kg，熟料三氧化硫含量为2.24%，矿渣三氧化硫含量为0.07%。

2.2　第二次验证实验

1)磷石膏：取自湖北省黄麦岭磷化工有限公司的磷石膏，置于40 ℃烘箱中烘干至恒重，测定含固量为99.7%；ωGS为43.8 %。

2)矿渣粉：取武汉武新新型材料有限公司生产的S95级矿渣粉，测定密度为2.87 g/cm3，比表面积为449.7 m2/kg。

3)PO水泥：取自湖北金兰水泥有限公司生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，测定密度为3.09 g/cm3，比表面积为385 m2/kg。

4)砂、石：取自大悟全兴实业有限责任公司，测定ωf为17.95%。

5)母液：采用聚羧酸减水剂母液，固含量为40%。

将上述原料，按表2的配比进行实验。可见，PSCC的PSC浆中的磷石膏含量的测定值与实际配合比的误差在±0.84%范围之内。

表2　PSCC配合比及PSC浆中的磷石膏含量测定

注：a=473.7 kg，b=100 kg。P.O42.5水泥的三氧化硫含量为 2.24%，矿渣三氧化硫含量为0.07%。

2.3　第三次验证实验

磷石膏取自湖北省黄麦岭磷化工有限公司的磷石膏，置于40 ℃烘箱中烘干至恒重，测定含固量为99.7%；ωGS为40.67%。其他原料与第二次验证实验所用的原料相同。按表3的配比重复进行5次实验，结果如表3所示。可见，PSCC的PSC浆中的磷石膏含量的测定值与实际配合比的误差在±0.82%范围之内。

表3　PSCC配合比及PSC浆中的磷石膏含量测定

注：a=473.7 kg，b=100 kg。P.O42.5水泥的三氧化硫含量为2.24%，矿渣三氧化硫含量为0.07%。

由资料[1-5]可知，过硫磷石膏矿渣水泥中磷石膏的适宜含量为40%～50%。以上实验说明：采用上述的PSCC的PSC浆中的磷石膏含量测定方法，其测定误差通常在1.0%之内，可以满足生产的要求，因此可以认为文中所提供的检验方法是可行的，可以作为过硫磷石膏矿渣水泥混凝土生产过程中的磷石膏含量的控制检验方法。

3结语

通过分离PSCC中的PSC浆，并测定各原料的SO3含量，根据各原料SO3的平衡关系，可计算出PSCC中的PSC浆的磷石膏含量。其作为检测PSCC中的PSC浆的磷石膏含量的方法，误差在可接受的范围内。

参考文献

[1]林宗寿，黄赟．磷石膏基免煅烧水泥的开发研究[J]．武汉理工大学学报，2009，31(4)：53-55．

[2]林宗寿，黄赟．碱度对磷石膏基免煅烧水泥性能的影响[J]．武汉理工大学学报，2009,31(4)：130-135．

[3]黄赟．磷石膏基水泥的开发研究[D]．武汉：武汉理工大学，2010．

[4]殷晓川，黄赟，林宗寿．提高磷石膏基水泥早期性能的研究[J]．水泥，2010(9)：1-4．

[5]殷小川．磷石膏基水泥组成与性能的研究[D]．武汉：武汉理工大学，2011．

[6]陈飞翔，水中和，丁沙，等．过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的配合比优化设计研究[J]．武汉理工大学学报，2013，35(11)：8-13．

[7]黄有强，水中和，丁沙，等．掺合料对过硫磷石膏矿渣水泥早期性能的影响[J]．武汉理工大学学报，2014，36(1)：12-16．

[8]刘晨，郑旭，王昕，等，过硫磷石膏矿渣水泥浆活性钙检测方法研究[J]．建筑材料学报：网络版，2015-03-13．

[9]林宗寿，吕治江.过硫磷石膏矿渣水泥混凝土安定性控制方法研究[J].建材世界，2015(3):15-19.

[10]唐有运，高晔，黄赟，等.过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的制备和应用[J].建材世界，2015(3):10-14.

[11]林宗寿，吕治江.过硫磷石膏矿渣水泥混凝土耗酸量控制方法研究[J].建材世界，2015(3):20-24.

[12]黄赟，龙安，林宗寿，唐有运.过硫磷石膏矿渣水泥制品养护制度研究[J].建材世界，2015(3):6-9.

[13]龙安，黄赟，林宗寿，等.水灰比对过硫磷石膏矿渣水泥强度的影响[J].建材世界，2015(3):1-5.