不同纤维对磷建筑石膏性能的影响研究

王思骅 文 江 王 锦 谢玉菡

（毕节职业技术学院工矿建筑系，贵州 毕节 551700）

0 引言

磷石膏作为湿法生产磷酸产生的工业固体废弃物，属于危废污染物，其性能极不稳定，通常每生产磷酸（以ω(P2O5)100%计）1t 副产磷石膏4.5～5.0t[1-2]。磷石膏的堆存会造成严重的环境污染，阻碍绿色可持续发展，因此有必要寻求磷石膏的合理利用途径，以实现磷肥工业的可持续发展和磷石膏的合理化利用。

磷石膏中掺入聚乙烯醇（PVA）纤维、玄武岩（BF）纤维、聚丙烯腈（PAN）纤维等材料，形成磷建筑石膏。磷建筑石膏属于脆性材料，容易发生变形、开裂等现象[3]。而纤维具有良好的韧性和较大的拉伸性能，能够改善材料的缺陷：吕方涛[4]将PVA 纤维、BF 纤维加入至脱硫石膏复合胶凝材料中，改进其性能。高真[5]设置养护时间、纤维长度、掺量为变量，通过数值模拟与试验相结合，在混凝土中掺入玄武岩纤维，探究其性能指标的优化。李国忠[6-7]添加聚丙烯纤维、玻璃纤维、植物纤维等到石膏基复合材料中，对性能指标进行研究分析。PVA纤维分散性能良好，将其掺入至石膏基复合材料中，纤维与石膏基体的紧密程度，优化提高其工作性能[8]；BF纤维价格低廉，能显著改善混凝土性能[9]；PAN纤维能改善混凝土的耐久性[10]。目前，关于对比聚乙烯醇（PVA）纤维、玄武岩（BF）纤维、聚丙烯腈（PAN）纤维掺入到磷建筑石膏中的研究相对较少。鉴于此，本文选用PVA 纤维、BF 纤维、PAN 纤维掺入到磷建筑石膏中，探究纤维对其性能的影响，并对其作用机理进行分析。

1 磷石膏掺纤维试验

1.1 原料

（1）磷石膏：取自云南云天化三环公司，呈灰黄色，附着水含量0.745%，加入50%自来水测pH 值约为6。其主要成分为CaSO4·2H2O，其含量为86.49%，主要矿物组成成分见表1。

表1 磷石膏矿物组成（单位：%）

（2）纤维：聚乙烯醇（PVA）纤维、玄武岩（BF）纤维、聚丙烯腈（PAN）纤维，均为上海某公司生产。BF纤维呈现褐色，PVA、PAN纤维呈现淡黄色。

1.2 原料处理

水洗法：将水：磷石膏=1:3 充分搅拌，静置，反复洗涤3～4次加入Ca(OH)2将溶液pH调制中性，将处理后的磷石膏放入烘箱烘至恒重后过100目筛。

1.3 试验方法

选取三种纤维，长度均为6mm。将不同掺量的纤维、减水剂和水混合均匀后，加入磷建筑石膏中，制备成纤维磷建筑石膏复合材料。

凝结时间测定：参照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB/T 1346-2011）进行测定。

磷建筑石膏力学性能测定：参照《建筑石膏力学性能的测定》（GB/T17669.3-1999）进行测定。

2 试验结果与分析

2.1 三种纤维对磷建筑石膏凝结时间的影响

对聚乙烯醇（PVA）、玄武岩（BF）、聚丙烯腈（PAN）三种纤维分别进行实验，PVA 纤维、BF 纤维掺量在0.4%～2.0%范围内，PAN 纤维掺量在0.2%～1.0%范围内。纤维在不同掺量下对磷建筑石膏凝结时间的影响，见图1、图2。

图1 不同纤维对磷建筑石膏初凝时间的影响

图2 不同纤维对磷建筑石膏终凝时间的影响

由图1可得，不同纤维随着掺量的增加对磷建筑石膏初凝时间的影响均呈现下降的趋势，呈明显的线性负相关。三种纤维中，PAN 纤维使磷建筑石膏的初凝时间下降速率最快，其次是PVA 纤维，最缓慢的是BF纤维。随着掺量的增加，初凝时间逐渐下降，复合材料就没有足够的时间进行加工处理，在工程中的应用不太理想。当BF、PVA 纤维掺量达到2.0%时，磷建筑石膏的初凝时间降低29.23%、70.80%；当PAN 纤维掺量达到1.0%时，初凝时间降低至65.40%。三种纤维在相同掺量的情况下，初凝时间大小呈现：BF 纤维＞PVA纤维＞PAN纤维。

由图2可以看出，随着纤维掺量的逐渐增加，会使磷建筑石膏的终凝时间呈现不同程度逐步下降的趋势，总体呈线性负相关。三种纤维，在相同掺量的情况下，PAN纤维掺入到磷建筑石膏中终凝时间下降速率最快，其次是PVA纤维，下降速率最慢的是BF纤维。对于BF纤维，当其纤维掺量为2.0%时，磷建筑石膏的终凝时间由空白组的30.2min下降至23.6min，相较于空白组下降21.85%；对于PVA 纤维、PAN 纤维，当其掺量达到2.0%时，磷建筑石膏的终凝时间相较于空白组分别下降73.5%、76.82%。

2.2 不同纤维对磷建筑石膏力学性能的影响

不同纤维对磷建筑石膏绝干状态下的力学性能影响情况如图3、图4所示。

图3 不同纤维对磷建筑石膏绝干抗压强度的影响

图4 不同纤维对磷建筑石膏绝干抗折强度的影响

由图3可得，在磷建筑石膏中掺入纤维均可以提高其绝干抗压强度，提高程度不尽相同，总体趋势均是随着纤维掺量的增加，绝干抗压强度呈现先上升后下降。当纤维掺量一定时，BF纤维对磷建筑石膏的绝干抗压强度提升最为明显，效果最优，当其掺量为1.2%时，抗压强度达到峰值，为29.5MPa，相对于空白组提高了132.4%。PVA纤维掺入到磷建筑石膏中，能使其绝干抗压强度达到最大值22MPa，此时掺量为1.20%。PAN 纤维掺入量为0.6%时，绝干抗压强度为21.4MPa，达到最大值。当BF、PAN 掺量在0.8%前，PAN 纤维掺入至磷建筑石膏中，其绝干抗压强度优于BF纤维，当掺量超过0.8%时，PAN纤维优于BF纤维。

由图4可得，在磷建筑石膏中掺入纤维均可以提高其绝干抗折强度，提高程度不尽相同，总体趋势均是随着纤维掺量的增加，绝干抗折强度呈现先上升后下降。当纤维掺量一定时，BF纤维对磷建筑石膏的绝干抗折强度提升最为明显，效果最优，当其掺量为1.2%时，抗压强度达到峰值，为12MPa，相对于空白组提高了93.5%。

3 影响机理分析

在磷建筑石膏中添加纤维，纤维能够与磷建筑石膏结合产生拉结作用，可使原本脆性的磷建筑石膏在受到荷载时，不会瞬间失去承载能力，增加其延性[11]。BF纤维与磷建筑石膏相结合，分子之间形成握裹力，使其连接更为紧密[12]。PVA纤维表面不光滑，与磷建筑石膏能够较好地粘结，能够有效地传递应力，从而可以提高其强度。PAN纤维与磷建筑石膏结合状态不紧密，存在一定的空隙，只有少量物质附着。当面对较大荷载时，界面难以承受较大的荷载，不能够及时发挥复合材料抵抗荷载的优势。

BF纤维具有高弹性模量，PVA纤维弹性模量较低，复合材料能抵抗较高的荷载需要高弹性模量，因此，BF纤维磷建筑石膏复合材料无论是绝干抗折强度还是绝干抗压强度，都优于PVA纤维磷建筑石膏复合材料。

当磷建筑石膏中纤维掺量较少时，纤维起不到明显的增强作用；当纤维含量适宜时，纤维能够较为均匀地分布在磷建筑石膏基体中，此时，纤维可发挥较大的增强作用，承载能力达到最优值，力学性能也最好；当纤维含量较多时，纤维在磷建筑石膏中分散能力降低，出现一部分纤维相互交叉、缠绕，未被磷建筑石膏所包裹，当面对荷载时，则出现薄弱区成为应力集中区域，对强度产生不利的影响。

4 结束语

（1）在本试验中，随着三种纤维掺入量的逐步增加，磷建筑石膏的凝结时间呈现缩短的趋势，因凝结时间会缩短，在工程应用中会造成不利的影响。对比三种纤维，BF纤维对磷建筑石膏凝结时间下降趋势最为缓慢，当BF纤维掺量为2.0%时，磷建筑石膏的初凝、终凝时间分别由空白组13min 和30.2min 降低至9.2min 和23.6min。

（2）三种纤维均会对磷建筑石膏的力学性能产生一定的影响，并且影响趋势几乎一致，影响趋势体现为随着掺量的增加，磷建筑石膏绝干抗折、抗压强度均呈现先上升后下降的趋势。其中，BF纤维能够使其力学性能达到最优。当BF纤维掺量为1.2%时，磷建筑石膏绝干抗压、抗折强度均达到最好，分别为：29.5MPa，12MPa，对比空白组分别提高：132.4%、93.5%。