利用化工废石膏制备新型建筑胶凝材料的研究

2023-11-29纳科

粘接 2023年11期

纳科

摘要：选用水泥为固化剂材料，以粉煤灰和废石膏为外加剂进行道路基材改良，研究了龄期、浸水期、废石膏综合掺配下钛石膏-粉煤灰材料的强度变化规律。结果表明，钛石膏-粉煤灰胶凝材料在7 d龄期无侧限抗压强度影响较小，在14、28 d龄期，试件抗压强度随钛石膏增加而增加，浸水养护7、28 d时，膏灰比3∶7、4∶6、5∶5时的软化系数较大，且膏灰比5∶5时的抗拉强度最大，软化系数均大于0.82。钛石膏-粉煤灰胶凝材料的胶凝材料水化产物以钙矾石（AFt）、水化硅酸钙（C-S-H）为主，掺入的废石膏形成钙矾石形成网状联结构造，并填充进空隙中，降低了水泥土孔隙率，提高了水稳定性。

关键词：废石膏；粉煤灰；道路建材

中图分类号：TQ177.3+9

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）11-0091-03

Study on the preparation of new building cementing materials byusing chemical waste gypsum

NA Ke

（Qinghai Chemical Design and Research Institute Co.，Ltd.，Xining 810008，Chaina

）

Abstract：Using cement as curing agent andfly ash and waste gypsum as admixtures，the road base material was improved.The strength variation law of titanium gypsum-fly ash material was studiedafter mixedwith age，immersion period and waste gypsum.The results showed that there was little impact on the unconfined compressive strength of titanium gypsum-fly ash material at the age of 7 days，and the compressive strength of the specimens increased with the increase of titaniumgypsum at the age of 14 and 28 days.The softening coefficient of the specimens was larger at the ratio of plaster to ashat 3∶7，4∶6 and 5∶5 after 7 and 28 days of water curing，and the tensile strength was the largest at the ratio of gypsum to ash at 5∶5，with the softening coefficient greater than 0.82.The hydration products of titanium gypsum-fly ash gelling material weremainly AFt and C-S-H，and the waste gypsum formeda network connection structure，and filledit into the gap，which reducedthe porosity of the cement soil and improvedthe water stability.

Key words：waste gypsum;fly ash;road building materials

天然土體因其高塑性指数、水稳定性差、级配不良的问题难以直接作为道路建筑材料，需要对基层材料进行改良［1］。传统的改良措施包括石灰、水泥固化剂改良［2］，但由于水泥、石灰生产过程中形成CO2气体容易对环境造成很大污染［3］，因此，利用无害化工业固废物进行道路基材的改良，是实现“环境友好型”发展的重要举措。钛石膏是在处理酸性废水中产生的一种以二水石膏为主要成分的工业废副产物，是一种很好的道路建材固化剂材料［4-5］。如一些研究指出，将不高于35%的钛石膏掺入到粉煤灰、石灰基层材料中，有效提高了其水稳定性、抗干湿循环能力和收缩率［6］；在石灰粉煤灰中掺入18%～23%的钛石膏植被胶凝材料，获得的胶凝体抗压强度远高于普通二灰稳定土［7］。因此，结合道路建设现状，选用水泥为固化剂材料，以粉煤灰和废弃石膏为外加剂进行道路基材改良，并分析了不同性能参数下的材料各项力学特性和固化机理，获得最优配合比，以期为粉煤灰-石膏-水泥土道路基

材工程应用提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

钛石膏，取自上海钛白粉厂排除的工业废石膏，经球磨仪研磨；粉煤灰，取自上海二桥热电厂；水泥，选用安徽宁国水泥厂P·O525水泥。化工废石膏和粉煤灰化学成分和细度见表１。

1.2 试样制备

以废石膏、粉煤灰、水泥植被碱激发凝胶材料，固定水泥含量10%，废石膏与粉煤灰按照质量比3∶4、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3进行组分配比。每一组试件均制造3个平行试件，共制备240个，采用7、14、28 d的标准养护和1、7、24 d浸水养护方式。

根据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规定》，试验前将水泥充分搅拌均匀，将固化剂按照制定量均匀加入到水泥中搅拌5～8 min，充分混合，取少量搅拌好土均分为5层置于50 mm×50 mm圆柱形模具中击实，将制成的试件置于温度场（20±2）℃，湿度场95%±2%养护箱内进行7、14、28 d的标准养护，浸水养护将试件置于（20±2）℃水中，水面漫过试件顶约2.5 cm，于1、7、24 d的浸水养护后备用。

1.3 试验方法

根据JTG E51—2009进行无侧限抗压强度试验，试验用万能试验机以1 mm/min加载速率加压。通过试件浸水强度与标准养护强度计算软化系数，评价试件的水稳定剂，即：

Kf=RfR0

式中：Kf表示软化系数;Rf和RO分别为试件浸水养护强度和标准养护强度，MPa。

2 结果与讨论

2.1 不同龄期的材料强度

由表2可知，在28 d龄期内，随着龄期的增大，不同膏灰比下的试件抗拉强度均表现出增大趋势，在7 d龄期时，不同配合比试件抗压强度随钛石膏含量提升而上升，但早期增幅效果并不明显，其中在膏灰比3∶7时的抗压强度为1.68 MPa，随着钛石膏比例的增加，当膏灰比达到7∶3时，抗压强度达到2.63 MPa，增幅明显。在14～28 d龄期内，各组试件的抗压强度均显著增加，在膏灰比为5∶5时，抗压强度达到最大，14 d龄期的抗压强度为4.48 MPa，28 d龄期时的试件抗压强度为5.32 MPa。

2.2 不同浸水期下胶凝材料的水稳定性

由表3可知，随着养护龄期的增大，不同配比试件的浸水抗压强度均得到增大。当膏灰比5∶5时，7 d浸水时间下的试件抗压强度为4.12 MPa，24 d浸水时间下的试件抗压强度达到4.36 MPa，均达到最大值。相较于表2可以发现，浸水7 d和24 d的抗压强度均有所下降，但是抗压强度在膏灰比5∶5时依然达到最大值。

由表4可知，随着钛石膏的含量不断增加，各组浸水试件的软化系数均在不同程度的下降，其中浸水1 d时的试件中，膏灰比6∶4和7∶3条件下的软化系数降幅明显高于膏灰比3∶7和4∶6条件下的试件。浸水7 d时的试件中，膏灰比3∶7时的试件组软化系数稍有增加，其余膏灰比组试件的软化系数均表现出下降趋势，且钛石膏含量比例越高，其浸水软化系数越低，当膏灰比为3∶7、4∶6、5∶5时的试件软化系数均在0.9以上。浸水24 d时的试件软化系数相较于浸水7 d软化系数均由一定程度的降低，其中膏灰比3∶7、4∶6、5∶5时的试件软化系数均在0.82以上。

2.3 扫描电镜结果分析

根据不同膏灰比对试件材料的影响，选择膏灰比为5∶5试件材料进行微观结构的扫描电镜分析，设定扫描电镜放大倍数20 000倍。

图1为不同浸水期微观结构。

由图1（a）可看到明显的交错细长针柱状产物，为反应初期生成的钙矾石（AFt）水化产品。试样内可观察到大量层状氢氧化钙晶体以及少量团聚凝胶物，即生成的水化硅酸钙（C-S-H）凝胶，逐渐形成水泥土骨架。细长针状钙矾除发生自身的膨胀外，同时与水化硅酸盐形成特殊的网络架构，支撑空间空隙［12］。图1（b）为浸水养护24 d的微观结构图，水泥与钛石膏间通过水化胶凝产物连接，其中的基本单元结构以针状结晶、片状体和小颗粒不规则弯曲形几何体为主，片状体相互重叠聚成基层，少量团粒分布在片层结构间，随机不定项的排列［13］。通过钛石膏和粉煤灰改良水泥土，一方面利用钙矾石将宿松的骨材集中连接起来，增加了骨材的接触连接［14］，另一方面，钙矾石直接填充于缝隙内部，充分发挥了水泥水化产物的胶结作用，提升了固化强度和结构的柔性［15］。

2.4 钛石膏-粉煤灰胶凝材料水稳定性机理分析

钛石膏不仅降低了水泥孔隙率，支撑了水泥空隙骨架结构，同时提升了水泥土早期强度，使得整个土系结构内部空隙被填充物充满，整个凝胶体相互连接。在凝胶水稳定性方面，是由于水化产物AFt和C-S-H凝胶生成的耐水性产物。反应早期水泥水化和粉煤灰生成C-S-H和AFt，水泥产生Ca2+、OH-与石膏中SO42-扩散至粉煤灰表面，破坏粉煤灰结构，使粉煤灰内部的活性SiO2和Al2O3溶出［17］，进一步促进C-S-H和AFt生成，产物直接包裹部分石膏，降低了二水石膏受到水的侵蚀。同时水化的粉煤灰和水化产物填充于硬化体空隙中，使结构更紧密，提升了胶凝材料水稳定性［18］。

3 结语

（1）钛石膏-粉煤灰膠凝材料在7 d龄期无侧限抗压强度影响较小，在14 d和28 d龄期，试件抗压强度随钛石膏增加而增加，浸水养护7、24 d时，膏灰比3∶7、4∶6、5∶5时的软化系数较大，且膏灰比5∶5时的抗拉强度最大，软化系数均大于0.82；

（2）胶凝材料水化产物以AFt、C-S-H为主，掺入的废弃石膏形成钙矾石产生支撑骨架，

形成网状联结构造，提高了道路建材强度，同时形成单珍珠状钙矾石填充入空隙中，构成之别的胶粒结构，降低了水泥土孔隙率，提高了水稳定性。

【参考文献】

［1］汪贵平，钮旋敏，王利侠.地基加固用地质聚合物灌浆料研究［J］.建筑技术开发，2023，50（6）：155-156.

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［3］李东旭，焦嘉伟，廖大龙.我国磷石膏在新型建筑材料行业的发展及思考［J］.新型建筑材料，2021，48（11）：1-4.

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