钢渣对磷石膏泡沫轻质土的影响

王艳，韩品平，陈鹏，李再彪，施建军，周鹏，丁庆军，解鹏洋

（1.武汉市市政建设集团有限公司，湖北武汉 430050；2.武汉理工大学硅酸盐工程中心国家重点实验室，湖北武汉 430070；3.中国新型建材设计研究院有限公司，浙江杭州 310022）

0 引 言

钢渣是冶金行业的副产物，其排放量占钢铁产量的13%~20%，目前，我国钢渣综合利用率较低，仅为10%左右，而且钢渣的排放量随着钢铁工业发展而迅速递增[1-2]。钢渣的排放与堆积不仅占用大量土地，而且破坏生态环境，其高附加值建材化有利于提高资源的循环利用率并减少环境污染。

磷石膏是湿法生产磷酸过程中的副产物，通常每生产1 t磷酸就会产生大约5 t 磷石膏，截至目前，我国已有约4 亿t的磷石膏堆存量，并且每年新增约5000 万t[3-5]。因此，实现磷石膏的资源化利用是亟待解决的问题。本文以钢渣和磷石膏为主要原材料制备泡沫轻质土，既实现了固废资源化利用，又减少了泡沫轻质土中的水泥用量，推动了泡沫轻质土的可持续发展。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：湖北亚东水泥有限公司产P·Ⅱ52.5 水泥，密度3.06 g/cm3，比表面积360 m2/kg。矿粉（GGBFS）：石家庄市灵寿县土运矿产品加工厂，S95 级，密度2.92 g/cm3，比表面积450 m2/kg。半水磷石膏（PG）：宜昌鄂中生态工程有限公司堆场的原状磷石膏（密度2.06 g/cm3，含水率15.1%）经110 ℃烘干2 d，粉磨过筛而成。钢渣（SS）：灵寿县泰圳矿产品加工厂，密度3.27 g/cm3，比表面积480 m2/kg，碱度为2.27，属于中碱度渣。水泥、矿粉、半水磷石膏、钢渣的化学组成见表1。减水剂：江苏苏博特公司产聚羧酸系PC 减水剂，固含量40%，减水率25%。发泡剂：广东首诚建设科技有限公司产，其主要成分为十二烷基硫酸钠。水玻璃：蚌埠市精诚化工有限责任公司产，固含量35%，模数3.1，波美度40°Be。水：自来水。

表1 原材料的化学组成%

1.2 试验方案

以m（水泥）∶m（矿粉）∶m（半水磷石膏）=20∶30∶50、水胶比0.32 为基准配合比，以外掺胶凝材料质量的2.5%、模数为1.2的水玻璃为激发剂，减水剂掺量为胶凝材料质量的0.5%，钢渣分别以取代水泥和矿粉的形式掺入泡沫轻质土中，研究钢渣掺量对泡沫轻质土流动性能、力学性能、体积稳定性、耐水性能与抗冻性能的影响，其中泡沫由发泡剂与水按1∶100 质量比在发泡机中制得。试验配合比见表2。

表2 不同钢渣掺量泡沫轻质土配合比

1.3 试验方法

1.3.1 泡沫轻质土成型

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，用额定体积的量筒称取泡沫，加入搅拌锅与浆体搅拌均匀。取样测试泡沫轻质土的体积密度和流值，最后将浆体倒入100 mm×100 mm×100 mm 和40 mm×40 mm×160 mm 的钢模中，浆体略高于试模表面，盖上保鲜膜，自然养护48 h 拆模，拆模后的试块套上保鲜袋密封，放入养护室[温度（20±2）℃，相对湿度≥95%]养护至规定龄期进行测试。

1.3.2 测试及养护方法

（1）泡沫轻质土的泡沫质量、抗压强度和养护方法均按照CJJ/T 177—2012《气泡混合轻质土填筑工程技术规范》进行；流动性按照JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土应用技术规程》进行测试。

（2）泡沫轻质土的收缩性能按照JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行测试。但考虑到磷石膏泡沫轻质土早期强度低的特性，过早拆模易使泡沫轻质土试件折断，因此浇模后的试件自然养护4 d 后拆模，然后放入20℃的水中养护2 d，取出后擦干表面水分，测量初始长度。随后在前7 d 内每天测1 次，7 d 后每4 d 测1 次，直至前后2 次差值≤0.01 mm。

（3）冻融循环试验按照GB/T 11969—2020《蒸压加气混凝土性能试验方法》进行测试。将养护到规定龄期的试件进行15 次冻融循环，循环制度为冻8 h，融6 h。

（4）由于泡沫轻质土的抗压强度为“湿状态”下的强度，泡沫轻质土本身含有一定水分，为表征泡沫轻质在饱水状态时抗压强度与设计强度的偏差，以试块饱水时的抗压强度与试块“湿状态”下抗压强度的比值表征水软化系数。

2 结果与讨论

2.1 钢渣掺量对泡沫轻质土流动性的影响（见表3）

表3 钢渣掺量对泡沫轻质土流动性的影响

由表3 可知，泡沫轻质土的流值与钢渣掺量成正比，这是因为，在湿密度为1000 kg/m3的泡沫轻质土中，泡沫掺量较少，影响泡沫轻质土流动性的主要因素为胶凝浆体的流动性。钢渣的活性低于水泥与矿粉，随着钢渣取代水泥或矿粉量增加，胶凝浆体早期水化产物减少，在水胶比不变的条件下，胶凝浆体流动性上升，因此，随着钢渣掺量增加，泡沫轻质土的流动性提高。钢渣掺量相同条件下，钢渣取代水泥制备的泡沫轻质土流动性较高。这是因为，水泥比矿粉活性高，水泥掺量减少对胶凝浆体流动性影响更大，因此，钢渣取代水泥制备的泡沫轻质土流动性较高。

2.2 钢渣掺量对泡沫轻质土抗折强度的影响（见图1）

图1 钢渣掺量对泡沫轻质土抗压强度的影响

由图1 可知：

（1）钢渣取代水泥可以提高泡沫轻质土的强度，最佳钢渣掺量为7.5%，此时泡沫轻质土28 d 抗压强度可达到4.01 MPa。继续增大或减少钢渣掺量，泡沫轻质土的强度会下降，但仍高于未掺钢渣的泡沫轻质土，这说明在力学性能上，钢渣与水泥协同使用制备的磷石膏泡沫轻质土优于单掺水泥制备的磷石膏泡沫轻质土。

（2）钢渣取代矿粉会降低泡沫轻质土的强度，当钢渣掺量由0 增加到20%时，泡沫轻质土的28 d 抗压强度由2.30 MPa下降到1.47 MPa。这是因为，钙矾石的生成是磷石膏泡沫轻质土强度主要来源之一，矿粉掺量减少，体系中铝相减少，水化产物钙矾石生成量减少，泡沫轻质土结构变得疏松，从而抗压强度下降。

对比钢渣作为掺合料的2 种掺入方式发现，钢渣取代水泥对磷石膏泡沫轻质土的力学性能有提升作用，钢渣取代矿粉对磷石膏泡沫轻质土的力学性能有劣化作用，因此，最终确定为钢渣取代部分水泥的掺入方式。

2.3 水胶比对泡沫轻质土性能的影响

以H3 组配比（钢渣掺量为7.5%）为基准配合比，改变用水量调节泡沫轻质土的水胶比为0.28~0.36，研究水胶比对泡沫轻质土流值和抗压强度的影响，结果见表4 和图2。

图2 水胶比对泡沫轻质土抗压强度的影响

表4 水胶比对泡沫轻质土流动性能的影响

由表4 可知，随着水胶比由0.28 增大到0.36，泡沫轻质土的流值由160 mm 增加到208 mm，为控制泡沫轻质土流值为160~200 mm 以满足路基填筑对泡沫轻质土流动性能的要求，应控制泡沫轻质土的水胶比为0.28~0.34。

由图2 可知，随着水胶比增加，泡沫轻质土的抗压强度先提高后降低，在水胶比为0.34 时28 d 抗压强度最高，为4.11 MPa。这是因为泡沫与胶凝浆体混合时，胶凝浆体的稠度会对泡沫的稳泡时间产生影响，当水胶比较小时，胶凝浆体过于粘稠，混泡过程中泡沫受到阻力增大，同时泡沫中的水分容易被浆体吸收，导致泡沫水膜变薄，稳泡时间缩短；当水胶比较大时，胶凝浆体稠度不够，泡沫容易上浮，泡沫分散不均匀，造成泡沫轻质土上层强度低，下层强度高，从而影响泡沫轻质土的整体强度。

综合考虑磷石膏泡沫轻质土流动性和力学性能，掺钢渣的磷石膏泡沫轻质土推荐水胶比为0.30~0.34。

2.4 钢渣掺量对泡沫轻质土收缩性能的影响（见图3）

图3 钢渣掺量对泡沫轻质土收缩性能的影响

由图3 可知，在干燥环境下，泡沫轻质土内水分散失使各离子浓度上升，生成大量的钙矾石，使泡沫轻质土早期处于膨胀状态，其膨胀值大小与钢渣掺量成反比。随着龄期延长，泡沫轻质土中的水分继续减少，毛细孔产生收缩应力，使泡沫轻质土处于收缩的状态，并且随着龄期延长，泡沫轻质土的收缩值逐渐变大，当龄期到达19 d 时，泡沫轻质土的收缩趋于稳定状态，收缩值变化很小。对比不同钢渣掺量泡沫轻质土的收缩性能，可以发现，泡沫轻质土的收缩值与钢渣掺量成正比，随钢渣掺量增加而逐渐增大。这是因为，随着钢渣取代水泥量增加，膨胀产物钙矾石生成量减少，抵抗收缩的能力变弱。另外，随着钢渣掺量增加，泡沫轻质土早期固化孔结构能力减弱，连通孔增多，在干燥环境中，水分散失更快，从而导致泡沫轻质土收缩变大。

2.5 钢渣掺量对泡沫轻质土耐水性的影响（见表5）

表5 钢渣掺量对泡沫轻质土耐水性的影响

由表5 可知，泡沫轻质土在饱水状态时强度较湿状态下有所下降，并且强度下降的幅度与钢渣掺量成正比，表现为水软化系数逐渐减小。这是因为，钢渣活性较低，钢渣取代水泥量增加会导致磷石膏泡沫轻质土早期水化产物较少，结构较为疏松，同时磷石膏泡沫轻质土的凝结时间也会逐渐变长，泡沫轻质土内部有害孔越多，渗水孔道变多，从而使磷石膏泡沫轻质土更容易受到水的侵蚀，表现为吸水率逐渐增大和水软化系数逐渐减小。

2.6 钢渣掺量对泡沫轻质土抗冻性的影响（见表6）

表6 钢渣掺量对泡沫轻质土抗冻性的影响

由表6 可知，掺钢渣的磷石膏泡沫轻质土在冻融循环后强度均会有所下降，冻融后试块强度随钢渣掺量变化规律与冻融前相同，说明冻融循环并未对试块强度变化规律产生影响。在钢渣掺量为7.5%（H3）时，冻融后与冻融前试块抗压强度均达到最佳，分别为4.09、4.65 MPa。随着钢渣掺量增加，泡沫轻质土的质量损失率和抗压强度损失率均先减小后增大，且二者保持一致性，质量损失率越小，抗压强度损失率也越小，在钢渣掺量为7.5%时二者均达到最小值，分别为0.66%和12%。磷石膏泡沫轻质土的抗冻性与力学性能变化规律一致，说明对于磷石膏泡沫轻质土而言，力学性能是影响泡沫轻质土抗冻性的主要因素。

2.7 XRD 及SEM 分析

不同钢渣掺量泡沫轻质土养护3、28 d 的XRD 图谱见图4。

图4 不同钢渣掺量泡沫轻质土的XRD 图谱

由图4 可知，钢渣的掺入和掺量变化并没有改变泡沫轻质土水化产物的种类，泡沫轻质土3、28 d 的结晶相均为钙矾石和未反应完的磷石膏。对比不同龄期泡沫轻质土结晶相峰高可以发现，与养护3 d 时相比，养护28 d 的泡沫轻质土的结晶相中磷石膏含量减少，钙矾石含量增多，说明在养护过程中，泡沫轻质土中的磷石膏继续参加反应并生成了钙矾石。

对钢渣掺量为7.5%的泡沫轻质土进行微观形貌分析，SEM 照片见图5。

图5 掺7.5%钢渣泡沫轻质土的SEM 照片

由图5 可知，泡沫轻质土的水化产物主要为C-S-H 凝胶和钙矾石，未反应完的磷石膏填充在水化产物中，共同为泡沫轻质土提供强度。对比图5（a）和（c）可知，早期钙矾石形态主要为针状，随着水化反应进行，针状钙矾石含量减少，C-S-H凝胶和短柱状钙矾石含量增多，泡沫轻质土结构变得致密，强度提高。

3 结 论

（1）在流动性方面，随着钢渣掺量的增加，磷石膏泡沫轻质土流动性逐渐增大，在钢渣掺量相同时，取代水泥时泡沫轻质土的流动性比取代矿粉时好；在力学性能方面，钢渣取代水泥时，磷石膏泡沫轻质土的强度随着钢渣掺量增加先提高后降低，钢渣取代矿粉时，泡沫轻质土的强度随着钢渣掺量增加而降低，因此钢渣取代部分水泥的掺入方式最佳。

（2）通过XRD 和SEM 分析可知，钢渣的掺入对磷石膏泡沫轻质土水化产物的类型并无影响，水化产物主要为C-S-H凝胶、针状钙矾石和短柱状钙矾石，随着养护时间延长，泡沫轻质土中的磷石膏含量减少，短柱状钙矾石含量增多，但大部分磷石膏仍然是以填料的形式存在泡沫轻质土中。

（3）泡沫轻质土在干燥条件下会先膨胀然后收缩，其早期膨胀随钢渣掺量增加逐渐下降，其后期收缩随钢渣掺量增加逐渐上升。在耐水性能方面，随着钢渣掺量增加，泡沫轻质土水软化系数逐渐减小。在抗冻性方面，随着钢渣掺量增加，泡沫轻质土抗压强度损失率先减小后增大，影响泡沫轻质土抗冻性主要因素为力学性能。