过硫磷石膏矿渣水泥混凝土安定性控制方法研究

过硫磷石膏矿渣水泥混凝土安定性控制方法研究

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：硅酸盐水泥熟料掺量对过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的后期强度影响很大，熟料掺量过高，过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的后期强度将大幅度下降，甚至会造成安定性不良，使混凝土结构破坏。该文对过硫磷石膏矿渣水泥混凝土安定性的控制方法进行了探索，发现通常的水浸法不能在短期内检验过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的安定性。控制过硫磷石膏矿渣水泥混凝土7 d强度增进率，可有效控制过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的后期强度，避免出现安定性不良现象。

关键词：过硫磷石膏矿渣水泥；安定性；控制方法

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.004

Abstract:Addition of the portland cement clinker had great impact on the long-term strength of the excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete. Adding too much portland cement clinker would lead to a significant drop of the long-term strength of the excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete, and it would also cause poor soundness and damage to the concrete structure. This study explored the methods of controlling the soundness of the excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete. Researchers found that the normal water-immersion method could not test the soundness of the excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete in short-term. Researchers found that controlling the rate of 7 days strength development of the excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete could effectively control the long-term strength and the soundness of the excess-sulfate phosphogypsum slag cement concrete.

收稿日期：2015-04-23.

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 Control Methods for the Soundness of 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;soundness;control methods

磷石膏是湿法磷酸生产时排放出的固体废弃物，每生产1 t磷酸将产生5 t磷石膏。目前，我国磷石膏排放量每年已超过7 000万t，不但占用大量土地，而且还造成了严重的环境污染和安全隐患。研究以磷石膏为主要原料的水泥及混凝土新品种，对于磷石膏的综合利用、水泥工业的节能减排，具有十分重大的意义。

林宗寿等经过多年研究,开发出一种磷石膏基免煅烧水泥,后经“多元固废复合制备高性能水泥及混凝土技术”“863”课题组研究,更名为“过硫磷石膏矿渣水泥”。过硫磷石膏矿渣水泥是一种采用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[1]。后续的研究人员对该品种水泥及其混凝土的组成和性能做了深入的研究[2-9]。

众所周知，水泥最关键的性能是安定性，关系到混凝土结构的安全。造成水泥安定性不良的原因有三个，一是f-CaO水化膨胀引起；二是方镁石水化膨胀引起；三是后期形成大量钙矾石膨胀引起。在过硫磷石膏矿渣水泥中，f-CaO和方镁石的含量极少，不可能对过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的安定性带来影响。但是，过硫磷石膏矿渣水泥混凝土中存在大量的磷石膏，水化后期还有可能继续形成大量的钙矾石，造成膨胀，使混凝土安定性不合格或者造成过硫磷石膏矿渣水泥混凝土后期强度大幅度下降。资料[2]也指出了过硫磷石膏矿渣水泥在高碱度下会由于钙矾石膨胀导致结构破坏，并使最终强度降低。因此，传统的沸煮法和压蒸法不能检验过硫磷石膏矿渣水泥的安定性，该文旨在研究一种切实可行的方法，以控制过硫磷石膏矿渣水泥及其混凝土的安定性。

1实验

1.1　原材料

矿渣粉：取自武汉武新新型材料有限公司生产的S95级矿渣粉，密度为2.87 g/cm3，比表面积为440 m2/kg。

PO 42.5水泥：取自武汉钢华水泥股份有限公司生产的PO 42.5普通硅酸盐水泥，密度为3.09 g/cm3，比表面积为385 m2/kg。

改性磷石膏浆：取自湖北省大悟县全兴实业有限责任公司生产的改性磷石膏浆，其组成如表1所示。含固量为59.23%，0.08 mm筛筛余为2.0 %，pH值为12.62。

表1　改性磷石膏浆的组成

减水剂：采用聚羧酸减水剂母液，固含量为40%。

1.2　方法

水泥胶砂强度按GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》进行，并要求调整加水量，使胶砂流动度在180～190 mm之间。

混凝土强度按GB/T50081—2011《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，并按下式计算7 d强度增进率。

(1)

水泥安定性实验方法：

雷氏法安定性检验，按GB/T1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性》标准进行成型，在20 ℃，相对湿度90%的养护箱中养护48 h后，测定雷氏夹指针间距离d0，然后在规定温度的水中再养护不同时间，测定雷氏夹指针之间的距离d，雷氏夹膨胀值按照d-d0计算得出，单位为mm。

试饼法安定性检验，按照GB/T1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性》标准进行试饼成型，在20 ℃，相对湿度90%的养护箱中养护48 h后，然后在规定温度的水中再养护不同时间。从养护水中取出试饼，目测试饼无裂缝，用直尺检查没有弯曲，则试饼安定性合格，否则为不合格。

2结果与分析

对于过硫磷石膏矿渣水泥混凝土而言，过硫磷石膏矿渣水泥浆中碱性物质的含量大小不仅影响混凝土的强度，还影响混凝土的安定性。前期的研究已经显示[2]，提高过硫磷石膏矿渣水泥中硅酸盐水泥熟料(或普通硅酸盐水泥)的掺量，虽然可提高过硫磷石膏矿渣水泥的3 d强度，但后期强度会大幅度下降，严重时还会引起安定性不良。为了研究PO42.5普通硅酸盐水泥掺量对过硫磷石膏矿渣水泥混凝土强度的影响，按表2的配合比配制成过硫磷石膏矿渣水泥混凝土试块，进行混凝土强度试验，试验结果如表2所示。

由表2可见，随着过硫磷石膏矿渣水泥混凝土中PO42.5水泥掺量的增加，过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的3 d强度显著增加；7 d强度先是增加，但很快就出现下降；而28天强度，则随着PO42.5水泥掺量的增加，出现大幅度降低的趋势。而从7 d强度增进率来看，随着过硫磷石膏矿渣水泥混凝土中PO42.5水泥掺量的增加，也出现大幅度下降的趋势。

混凝土的安定性，主要决定于混凝土中胶凝材料的安定性。为了研究表2中K1～K7混凝土试样相对应的过硫磷石膏矿渣水泥的安定性，按K1～K7过硫磷石膏矿渣水泥混凝土试样中胶凝材料的实际配合比配制了一组对应的过硫磷石膏矿渣水泥浆的试样，如表3所示，各试样中的水含量(包括改性磷石膏浆中的水)均固定为29.43%。由于过硫磷石膏矿渣水泥混凝土中膨胀源是钙矾石，所以必须用水浸法进行安定性试验，试验结果如表4～表8所示。

表2　过硫磷石膏矿渣水泥混凝土配合比及性能(湿基)

表3　过硫磷石膏矿渣水泥浆配比

表4　水温20 ℃下安定性试验结果

表5　水温30 ℃下安定性试验结果

表6　水温40 ℃下安定性试验结果

表7　水温50 ℃下安定性试验结果

表8　水温60 ℃下安定性试验结果

由表4～表8可见，在水温20 ℃和30 ℃条件下，所进行的安定性试验，所有试样的雷氏夹膨胀值均为0。提高养护水的温度至40 ℃时，才有PO42.5水泥掺量较高的K16和K17两个试样发生0.5 mm的微膨胀。再提高养护水的温度，K16试样的膨胀值不变，K17试样的膨胀值继续提高。养护水温度提高到60 ℃时，K17试样的7 d膨胀值达到了4.0 mm，但也在合格范围(≤5 mm)之内。此外，由表4～表8的试验结果可见，用试饼法所做的安定性试验，所有试样均为合格。说明过硫磷石膏矿渣水泥浆，无论是用雷氏法还是用试饼法，都不能反映出过硫磷石膏矿渣水泥混凝土后期强度的变化情况，只有当过硫磷石膏矿渣水泥混凝土后期强度下降非常巨大，混凝土结构接近崩溃状态时才会有所反映，如K7试样28 d强度为22.6 MPa。因此，作者认为用水浸法作为检验过硫磷石膏矿渣水泥混凝土安定性的方法，是不够灵敏的，无法避免混凝土由于钙矾石膨胀所引起的后期强度的降低。

相反，由表2可见，过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的7 d强度增进率，却非常灵敏地反映出了混凝土后期强度的变化。因此，将7 d强度增进率作为控制指标，可有效避免混凝土由于钙矾石膨胀所引起的后期强度的大幅度下降，确保过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的设计强度等级，避免过硫磷石膏矿渣水泥混凝土出现安定性不良的现象。

根据以上试验数据，为确保过硫磷石膏矿渣水泥混凝土后期强度的增长率和根据过硫磷石膏矿渣水泥混凝土制品的实际生产经验，确定过硫磷石膏矿渣水泥混凝土3 d到7 d的强度增进率应≥20%。

3结论

a.随着过硫磷石膏矿渣水泥混凝土中PO42.5水泥掺量的提高，过硫磷石膏矿渣水泥混凝土3 d强度提高，但28 d强度下降。如果PO42.5水泥掺量过高，则过硫磷石膏矿渣水泥混凝土28 d强度将大幅度降低。

b.用水浸法不能在短期内检验出过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的安定性是否合格。

c.过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的7 d强度增进率，可灵敏地反映出过硫磷石膏矿渣水泥混凝土后期强度的变化，可作为过硫磷石膏矿渣水泥混凝土安定性的控制指标。

d.控制过硫磷石膏矿渣水泥混凝土3～7 d的强度增进率≥20%，可避免过硫磷石膏矿渣水泥混凝土出现安定性不良的现象。

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):132-135.

[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]师华东，殷小川，BEGUEDOU ESSOSSINAM,等.氢氧化镁对磷石膏基水泥性能的影响[J].水泥,2011(11):14-17.

[7]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.

[8]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.

[9]师华东，林宗寿，徐军,等，过硫磷石膏矿渣水泥抗钢筋锈蚀性能研究[J].新型建筑材料,2014(10)：22-24.

声明

为适应我国信息化建设，扩大本刊及作者信息交流渠道，本刊已被“中国期刊全文数据库”和“万方数据-数字化期刊群的中国核心期刊(遴选)数据库”收录，网站地址是http://gwjk.chinajournal.net.cn和http://jcsj.periodical.net.cn。其作者文章著作权使用费与本刊稿酬一次性给付。如作者不同意文章被收录，请在来稿时向本刊声明，本刊将作适当处理。

本刊编辑部