水泥对大掺量磷石膏泡沫混凝土的影响

匡一成，李进辉，丁庆军，王君，施建军，解鹏洋

（1.保利长大工程有限公司，广东 广州 510620；2.武汉纺织大学，湖北 武汉 430200；3.武汉理工大学 硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北 武汉 430070；4.中国新型建材设计研究院有限公司，浙江 杭州 310022）

0 引 言

泡沫混凝土是将泡沫引入水泥浆体固化成型的多孔材料，具有轻质、保温、耐火、高流动性、易于施工等特点，主要应用在保温材料、充填材料、隔声材料等方面[1-2]。传统的泡沫混凝土以水泥为主要原料，水泥掺量往往大于50%，与普通混凝土相比，泡沫混凝土对强度和耐久性要求更低，因此，泡沫混凝土的研究方向主要集中在保证泡沫混凝土性能的基础上如何进一步提高固废的利用率。

在湿法生产磷酸过程中，通常每生产1 t 磷酸就会产生约5 t 磷石膏，截至目前，我国已有约4 亿t 的磷石膏堆存量，并且每年新增堆存量约为5000 万t[3-5]，如何实现磷石膏的资源化利用是亟待解决的问题。磷石膏通常为浅灰色或深灰色，其主要成分为CaSO4·2H2O，含量一般在85%以上，并且含有少量的磷酸盐、氟酸盐、硫酸盐、重金属元素等杂质[6-8]。由于磷石膏的杂质含量和理化性质波动很大[9]，实际应用中往往需要进行预处理，预处理的成本限制了其广泛应用[10-12]。而对于一些性能要求较低的磷石膏制品，如泡沫混凝土，可以采用未经处理的磷石膏，这样既可以实现磷石膏的资源化利用，又可以降低磷石膏的预处理成本。

以磷石膏为主要胶凝材料制备泡沫混凝土为磷石膏的资源化利用提供了一条新的途径，不仅有利于治污减排，同时由于采用大量废渣替代水泥，可大幅降低泡沫混凝土的生产成本。Tian 等[13]用原状磷石膏、水泥、矿粉、生石灰制备磷石膏泡沫混凝土，试验结果表明，以4%生石灰和2%硫铝酸盐水泥为激发剂，m（水泥）∶m（矿粉）=1∶1，磷石膏掺量为45%~55%时，制备的泡沫混凝土性能最好。李想[14]以经过煅烧处理的磷石膏和水泥为原料，采用化学发泡的方式制备出不同密度等级的泡沫混凝土，试验结果表明：随着泡沫混凝土密度等级升高，泡沫混凝土各方面性能均提高，A09 级性能最佳。该成果应用于岛屿软土覆盖层路基施工，通过大掺量磷石膏泡沫轻质混凝土用于路基施工，有效减小了路基自重荷载，路基沉降得到了有效控制，且该轻质泡沫混凝土力学性能稳定。由于路基材料对力学性能要求低，同时也为了进一步降低造价，本研究在水泥掺量为20%基础上，以m（水泥）∶m（矿粉）∶m（磷石膏）=20∶30∶50 为基准配合比，矿粉与磷石膏以30∶50 的质量比等质量取代水泥，减少水泥掺量，研究水泥掺量对泡沫混凝土性能的影响，提高磷石膏的利用率。

1 实 验

1.1 原材料

水泥：P·Ⅱ52.5，湖北亚东水泥有限公司，密度3.06 g/cm3，比表面积360 m2/kg；矿粉：S95 级，石家庄市灵寿县土运矿产品加工厂，密度2.92 g/cm3，比表面积450 m2/kg；磷石膏：宜昌鄂中生态工程有限公司堆场的原状磷石膏，实验室内将其破碎过60 目（0.3 mm）不锈钢方孔筛，密度2.06 g/cm3，含水率15.1%。水泥、矿粉、磷石膏的主要化学成分见表1。磷石膏的物相组成见图1，微观形貌见图2。

图1 磷石膏的XRD 图谱

图2 磷石膏的SEM 照片

表1 原材料的主要化学成分 %

发泡剂：广东首诚建设科技有限公司产，SC-4 增强型复合发泡剂，主要成分为十二烷基酸钠，稀释倍率为100 倍。

减水剂：江苏苏博特公司产，聚羧酸系PC 减水剂，减水率25%。

钠水玻璃：蚌埠市精诚化工有限责任公司产液态水玻璃，Na2O 含量8.5%，SiO2含量26.5%，模数3.1，波美度40°Bé，实验过程中通过掺入NaOH 调节水玻璃模数为1.2。

水：自来水。

1.2 实验方案

本研究以C1 组为基准配合比，以水玻璃为激发剂。按m（矿粉）∶m（磷石膏）=30∶50 的配比等质量取代水泥，逐渐减少水泥掺量，研究水泥掺量对泡沫混凝土性能的影响，实验配合比如表2 所示。

表2 不同水泥掺量泡沫混凝土配合比 %

按配合比称量好粉料、减水剂、激发剂和水，将粉料倒入搅拌桶干拌混合均匀，然后加入部分水和减水剂湿拌，最后加入与剩余水混合的激发剂溶液，搅拌得到混凝土浆体。采用发泡机进行发泡，用额定体积的量筒量取泡沫，加入搅拌桶与浆体混合搅拌均匀。泡沫混凝土流动度参照CJJ/T 177—2012《气泡混合轻质土填筑工程技术规范》进行测试，使用内径80 mm，净高80 mm，内壁光滑的空心金属管；收缩膨胀性能参照JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 水泥掺量对泡沫混凝土流动性的影响（见表3）

表3 水泥掺量对泡沫混凝土流动性能的影响

由表3 可知，水泥掺量与泡沫混凝土的流动度呈正比关系，水泥掺量越少，泡沫混凝土的流动度也越小。这主要是因为，随着水泥掺量减少，矿粉与磷石膏的掺量增加，由于矿粉与磷石膏的密度均比水泥小，等质量取代水泥的条件下，粉料体积增大，在水胶比不变情况下，浆体变得黏稠，从而导致泡沫混凝土的流动度由178 mm 下降到158 mm。

2.2 水泥掺量对泡沫混凝土强度的影响（见图3）

图3 水泥掺量对泡沫混凝土强度的影响

由图3 可以看出，随着水泥掺量的减少，泡沫混凝土的各龄期强度先提高后降低，当水泥掺量为15%时，强度达到最高，此时泡沫混凝土28 d 抗压强度为3.36 MPa，抗折强度为1.45 MPa。当水泥掺量为17.5%~8.0%时，泡沫混凝土的力学性能均优于基准配比。这是因为，当水泥掺量小于15%时，可以为泡沫混凝土提供早期强度、促进固化孔结构的水化产物C-S-H 凝胶和Ca（OH）2减少；当水泥掺量为20.0%~15.0%时，随着水泥掺量减少而强度提高，是因为水泥水化产生的Ca（OH）2促进了钙矾石的生成，在泡沫混凝土凝结硬化后持续生成，钙矾石具有膨胀特性，在泡沫混凝土内部产生膨胀应力，导致泡沫混凝土强度下降。

2.3 泡沫掺量对泡沫混凝土湿密度及强度的影响

泡沫混凝土由泡沫和胶凝材料组成，其湿密度与强度具有可调节性，可通过增加或减少泡沫掺量改变泡沫混凝土的湿密度，制备出不同湿密度等级的磷石膏泡沫混凝土。以E2组配比为基准配合比，通过调节泡沫掺量控制泡沫混凝土的湿密度为600~1200 kg/m3，具体的配合比及其对湿密度的影响见表4，对抗压强度和流动度的影响见图4。

图4 湿密度对泡沫混凝土抗压强度的影响

表4 不同湿密度泡沫混凝土配合比

由表4 可见，在E2 组基础配比中，泡沫混凝土的湿密度与泡沫掺量呈反比，泡沫掺量每减少58 L/m3左右时，泡沫混凝土的湿密度就增大100 kg/m3。这是因为泡沫往泡沫混凝土中引入了空气，泡沫掺量越少，引入的空气越少，因此湿密度越大。随着湿密度增大，泡沫混凝土的流动度逐渐增大。

由图4 可知，泡沫掺量越少，泡沫混凝土的湿密度越大，抗压强度越高。这是因为，随着泡沫掺量增加，泡沫混凝土内部孔结构增多，同时泡沫本身含有一定水分，使泡沫混凝土含水量增大。当泡沫混凝土的湿密度为600、700 kg/m3时，泡沫混凝土的28 d 抗压强度分别为0.61、0.87 MPa，仍满足当前路基材料对泡沫混凝土抗压强度的要求，说明磷石膏泡沫混凝土轻质化是可行的。

2.4 水泥掺量对泡沫混凝土水化放热性能的影响（见图5、图6）

图5 水泥掺量对泡沫混凝土放热速率的影响

图6 水泥掺量对泡沫混凝土放热量的影响

由图5、图6 可见，各组浆体水化放热周期均较长。随着水泥掺量增加，水化放热峰峰值出现的时间逐渐延后，峰值放热速率先增大后减小，当水泥掺量为8%时，峰值放热速率最大，为0.99 mW/g；7 d 水化放热量最大，为230.31 J/g；水泥掺量为10%时，浆体水化放热量最小，为198.33 J/g。这说明水泥掺量的增加抑制了早期水化，水泥水化产生的Ca（OH）2促进了钙矾石在矿粉颗粒表面生成，阻碍了矿粉进一步反应，导致矿粉的水化放热减少。而在水泥掺量为5%~8%时，水泥掺量的增加对矿粉水化阻碍作用较小。

2.5 水泥掺量对泡沫混凝土膨胀与收缩性能的影响（见图7、图8）

图7 相对湿度80%条件下泡沫混凝土的膨胀性能

图8 相对湿度60%条件下泡沫混凝土的干缩性能

由图7 可知，磷石膏泡沫混凝土在环境相对湿度为80%条件下呈膨胀状态，泡沫混凝土的膨胀性能随水泥掺量减少先急剧下降后缓慢上升。在水泥掺量为20%~10%时，随着水泥掺量减少，膨胀性能快速下降，这是因为，随着水泥掺量减少，Ca（OH）2含量下降，钙矾石生成量减少；在水泥掺量为10%~5%时，随着水泥掺量的减少，泡沫混凝土的膨胀值缓慢增加，这是因为矿粉与磷石膏掺量增加。

由图8 可知，磷石膏泡沫混凝土在环境相对湿度60%条件下，前2 d 呈膨胀状态，2 d 后开始收缩，随着水泥掺量减少，泡沫混凝土的27 d 总收缩值先增大后减小，水泥掺量为10%时，其27 d 总收缩值最大，为4120 μm/m。这是因为，在水泥掺量为20%~10%时，随着水泥掺量减少，早期水化产物减少，孔结构固化效果变差，连通孔增多，水分更容易散失，因此干缩值增大；当水泥掺量为10%~5%时，矿粉与磷石膏掺量增加，泡沫掺量减少，泡沫混凝土变得更加密实，水分散失速度减缓，因此干缩值随水泥掺量减少而减小。

2.6 XRD/SEM 分析

不同水泥掺量泡沫混凝土的XRD 图谱见图9。

图9 不同水泥掺量泡沫混凝土的XRD 图谱

由图9 可以看出，泡沫混凝土养护3、28 d 的结晶相均为钙矾石和未反应的磷石膏，水泥掺量对泡沫混凝土结晶相的种类并无影响。对比泡沫混凝土养护3、28 d 的XRD 图谱可以发现，AFt 和CaSO4·2H2O 相对含量发生了变化，说明随着水化的进行，部分磷石膏参与反应并转化为钙矾石，为泡沫混凝土提供强度，但同时养护28 d 的XRD 图谱中仍有大量CaSO4·2H2O 存在，这说明在磷石膏泡沫混凝土中只有少部分磷石膏参与反应并生成AFt，而大部分磷石膏是以填料的形式存在泡沫混凝土中。

水泥掺量为15%时磷石膏泡沫混凝土养护3、28 d 的SEM 照片见图10。

图10 水泥掺量15%时泡沫混凝土的SEM 照片

由图10 可见，磷石膏泡沫混凝土主要水化产物为C-S-H凝胶、针棒状钙矾石和短柱状钙矾石，未反应的磷石膏被C-S-H 凝胶和钙矾石包裹。在养护3 d 的图谱中可以发现针棒状钙矾石和短柱状钙矾石，随着水化进行，大量C-S-H 凝胶与短柱状钙矾石生成，结构变得致密，泡沫混凝土强度提高。

3 结 论

（1）按m（矿粉）∶m（磷石膏）=30∶50 的配比等质量取代水泥，制备出水泥掺量小于20%的大掺量磷石膏泡沫混凝土。水泥最佳掺量为15%，此时泡沫混凝土的流动度为172 mm，28 d 抗压强度为3.36 MPa。

（2）泡沫混凝土的流动度随泡沫掺量减少而增大，抗压强度随泡沫掺量增大而降低。当泡沫混凝土湿密度为600、700、800 kg/m3时，强度处于较低水平，但仍满足现阶段路基材料对强度的要求，因此大掺量磷石膏泡沫混凝土轻质化是可行的。

（3）随着水泥掺量增加，水化放热峰峰值出现的时间逐渐延后，峰值放热速率先增大后减小，在水泥掺量为8%时，峰值放热速率最大，对应的7 d 水化放热量也最大。在膨胀与收缩性能方面，随着水泥掺量减少，在环境相对湿度为80%条件下，泡沫混凝土呈膨胀状态，在环境相对湿度为60%条件下，泡沫混凝土呈早期膨胀后期收缩的状态。