磷渣-矿渣-水泥混合材抗硫酸盐侵蚀性研究

作者简介：李德智（1966—），高级工程师，主要从事工程管理工作。

文章通过磷渣粉和矿渣粉的复掺试验，研究了磷渣粉与矿渣粉复掺对水泥力学性能和抗硫酸盐侵蚀性能的影响。试验结果表明，磷渣粉与矿渣粉复掺能够进一步提升矿渣的抗硫酸盐侵蚀性能，提高水泥的抗硫酸盐侵蚀能力，并且矿渣粉的掺入能够改善因掺入磷渣粉导致早期强度不足的缺点，其中20%磷渣粉+10%矿渣粉+70%水泥组试块7 d强度有了显著的提升，28 d强度与空白组相当，抗蚀系数K值为1.159。

磷渣粉;矿渣粉;抗硫酸盐侵蚀

U416.21A070224

0 引言

在露天环境下，随着时间的推移，混凝土建筑物会不断受到酸雨侵蚀的影响，这不仅影响着建筑物的外观，严重时还会引发建筑物的结构安全问题。工程建筑服役期间还会受到不同环境下的硫酸盐侵蚀，硫酸盐渗透进混凝土内部，与混凝土内部原有的成分发生反应，破坏混凝土内部组成结构，从而导致构筑物各项性能降低，使用年限缩短，存在一定的安全隐患。因此硫酸盐侵蚀对水泥混凝土工程建筑的危害是十分巨大的[1]。所以提高水泥混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，一直是相关学者研究的重点内容。

据统计资料表明，我国磷渣年排放量已达到约1 500万 t，但我国年处理黄磷渣仅占全年产渣量的25%左右[2-4]。黄磷生产是一个高污染的工业门类，据统计，每生产1 t黄磷大约需要9 t磷矿石，产生8～10 t的磷渣[5]。许多黄磷生产企业都是露天堆放处理磷渣，经雨淋后，磷渣中含有的磷、氟及有毒元素会渗透到土壤中进而造成水土资源等环境污染。因此大部分可回收的固体废弃物如未能得到有效利用，不仅占用大量土地，还会给环境带来巨大的影响，如何更好地利用磷渣等固体废弃物成为本文的研究重点。

吴晓蓉[6]等研究发现：磷渣的掺入能够促进水泥水化反应，提高C-S-H凝胶的生成量，同时减少钙矾石的生成，能够有效地提高混凝土的强度和抗硫酸盐侵蚀性;Peng Y Z[7]等研究表明：制备混凝土制品时，掺入适量磷渣能够改善混凝土制品的质量，同时矿渣粉作为水泥混凝土掺合料时，可以改善混凝土耐久性，提高水泥混凝土强度[8]。本研究通过磷渣与矿渣的复合使用，改善磷渣粉早期强度不足的缺点，从而可以更好地将其应用在水泥及混凝土中。

1 试验原料和方法

1.1 试验原材料

水泥为兴安海螺水泥股份有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥，其密度为3 150 kg/m3，安定性符合《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2007）中的指标，其技术指标如表1所示。实验使用的标准砂是由厦门艾思欧标准砂有限公司生产的ISO标准砂，质量符合ISO679：1989等国际标准。

实验选用水淬块状磷渣，其主要化学成分如表2～3所示。

实验选用S95级矿渣粉，其密度为500 kg/m3，比表面积为435 m2/kg，主要化学成分如表3所示。

1.2 试验方法

表面积按《水泥比表面积测试方法勃氏法》（GB/T 8074-2008）进行;胶砂强度按《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）进行;水泥抗硫酸盐侵蚀按照《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》（GB/T 749-2008）进行。

试验前先将块状的水淬磷渣粉磨至比表面积为430 m2/kg的磷渣粉，然后进行磷渣粉（10%、20%、30%）与矿渣粉（10%、20%、30%）复掺试验，具体试验方案如表4所示。对试块进行力学强度、抗硫酸盐侵蚀性能影响的研究，并对28 d硫酸盐侵蚀试块进行了SEM分析。

2 试验结果与分析

2.1 磷渣和矿粉混合材对水泥力学性能的影响

由图1和表5可知，无论是7 d还是28 d龄期，胶砂试块的抗压强度都随着总掺量的增加呈现逐渐下降的趋势，主要是水泥的用量随着磷渣粉和矿渣粉掺量的增加而减少，从而导致强度的下降。由图1（a）可以发现，磷渣粉掺量的增加，对试块7 d龄期抗压强度影响比较明显，其主要是因为磷渣粉本身早期活性比较低，且具有一定的缓凝特性，会对混凝土早期强度产生影响;由图1（b）可以看出，10%磷渣+10%矿渣复掺强度优于空白组强度，10%磷渣+20%矿渣以及20%磷渣+10%矿渣复掺形式的强度与空白组相当，优于30%矿渣的强度，说明磷渣与矿渣复掺形式优于单掺矿渣粉，与空白组相比，强度得到了明显的提高。

2.2 磷渣粉和矿渣粉复掺对水泥抗硫酸盐侵蚀性能的影响

由表6和图2可知，无论是掺30%的磷渣粉、矿渣粉，还是磷渣粉和矿渣粉复掺形式，其抗硫酸盐侵蚀系数K值均>1，说明磷渣粉和矿渣粉都能够提高水泥抗硫酸盐侵蚀性能，但是磷渣对于提高水泥抗硫酸盐侵蚀性效果优于矿渣。由图2可以看出在掺量为磷渣20%+矿粉30%时，抗蚀系数K值为1.329，抗硫酸盐侵蚀效果最好。

2.3 SEM电镜分析

综合磷渣、矿渣不同掺量对水泥力学性能及抗硫酸盐侵蚀性能影响结果分析，选取空白组和20%磷渣+10%矿渣实验组试块进行扫描电镜分析。

分析结果显示，针棒状的钙矾石杂乱地生长在孔隙中，且附着在薄片状的C-S-H凝胶上，结合性不强，不过钙矾石本身具有膨胀特性，会导致水泥石结构容易发生破坏。絮状C-S-H凝胶受到侵蚀后结构变得疏松且杂乱无章，从而表现为水泥（空白组）抗硫酸盐侵蚀系数低，不具备抗硫酸盐侵蚀能力。

磷渣20%+矿粉10%实验组试块受到硫酸盐溶液侵蚀后，C-S-H凝胶结构整体完整，只是表面的形状变得有些模糊，说明其有一定的抗硫酸盐侵蚀能力。C-S-H凝胶结构整体密实度比较好，在空隙中比没有出现棒状的钙矾石，从而使得水泥石具备了较高的抗硫酸侵蚀能力，宏观表现为抗蚀系数高。

3 结语

（1）磷渣与矿渣复掺能够提升矿渣抗硫酸盐侵蚀性能，更够显著地提高水泥的抗硫酸盐侵蚀性能，并且矿渣的掺入可以改善前期磷渣强度不足的问题。

（2）综合分析力学性能和抗硫酸盐侵蚀性能，20%磷渣+10%矿粉复掺其力学性能和抗硫酸盐侵蚀效果都很好，能够满足力学和抗硫酸盐侵蚀性能的要求。

[1]杨 凯，邱秀姣，李依芮，等.矿物掺合料对水泥胶砂抗硫酸盐侵蚀性能的影响[J].铁道建筑，2017，57（9）：143-147.

[2]胡红梅，马保国.混凝土矿物掺合料[M].北京：中国电力出版社，2016.

[3]段遵莉，武俊宇，龚晓宇，等.改性磷渣粉及利用该磷渣粉制备的混凝土及混凝土的制法[P].中国专利：201310720258.4，2015-11-25.

[4]周 芳.摻磷渣粉混凝土的性能研究[D].武汉：武汉理工大学，2011.

[5]陈永忠.磷化工废渣特性及其在水泥中的应用研究[D].武汉：武汉理工大学，2007.

[6]吴晓蓉，甄向贤，张惠敏.磷渣对水泥抗硫酸盐性能的影响[J].中国建材科技，1996（2）：35-37.

[7]Peng Y Z，Huang J，Ke J. Preparation of ultra-high performance concrete using phosphorous slag powder[J]. Applied Mechanics & Material，2013，357-360：588-591.

[8]刘 杰.磨细矿渣掺量对水泥基复合材料微结构的影响[J].石家庄铁道大学学报（自然科学版），2013，26（1）：56-60，92.