磷石膏是磷酸生产过程中产生大宗工业废渣，据统计每生产1t磷酸约排放5t左右的磷石膏，而且随着我国工业规模得发展扩大，磷石膏排放量逐年增多，这些磷石膏的堆存占用了大量土地，对生态环境造成的影响日益严重，同时也是极大的资源浪费，大量的磷石膏需要进行无害化处理或资源化利用[1-5]。

吴赤球[6]研究发现，磷石膏与矿渣及少量水泥复合制成的磷石膏水泥基材料，可以用于预制混凝土构件的生产，不但可消耗大量磷石膏，还可减少混凝土中水泥的用量，降低生产成本。王贻远[7]研究了磷石膏作为掺合料替代部分水泥制备复合胶凝材料，发现磷石膏中的CaSO4·2H2O可与CaO、Al2O3反应，生成AFt，增加硬化浆体的强度，且磷石膏颗粒细小，能起到微集料作用，增加硬化浆体的致密性。同时磷石膏的掺入带一定程度的消极作用，曹宝栋[8]研究了磷石膏基复合胶凝材料强度的影响因素，发现磷石膏的加入降低了材料的抗压强度，尤其当其掺量大于50%时抗压强度大幅降低。潘洪祥[9]发现随着磷石膏掺量的增加，磷石膏-熟料-粉煤灰道路基层水泥的凝结时间明显延长，各龄期抗折和抗压强度呈现下降的趋势，累积膨胀率随着磷石膏掺量的增加而增大。因此，磷石膏掺量对胶凝材料体系有着重要的影响。尹朝阳[10]通过实验研究与数值分析发现，磷石膏特征污染物种类为F、P及PH，且随着堆存时间延长磷石膏中的污染物不断浸出。而碱激发胶凝材料基体拥有的沸石类结构可以作为孔性材料，吸附、搭载、固化部分离子，拥有优异的性能[11-13]。田亮[14]发现矿渣碱激发胶凝材料对盐渍土固化效果明显，材料的压强度和水稳定性显著改善，反应产物中C-S-H凝胶相含量明显增多，形成了结构稳定的胶凝-网状混合结构。Katrijn等[15,16]研究了磷石膏作为碱激发剂对碱性矿渣基体性能的影响，发现磷石膏可以参与体系的水化反应，降低C-A-S-H凝胶中的铝硅比和钙硅比，形成了较高的聚合网络，提高材料的抗压强度。

综上，碱激发胶凝材料是磷石膏复合材料的优异基体，但是磷石膏的掺量对胶凝材料的性能有着显著影响，同时磷石膏在碱激发胶凝材料中的应用研究较少，且因磷石膏中硫酸钙结晶水含量的不同，胶凝材料体系的需水量也会产生差异，影响磷石膏在碱激发胶凝材料中的综合利用。因此本文以磷石膏作为掺合料，替代等量的胶凝材料，研究其掺量对碱激发粉煤灰-矿粉胶凝材料力学性能的影响，期望可以实现磷石膏在碱激发胶凝材料中的高效利用。

1  试验概况

1.1  原材料

（1）矿粉。试验采用S95级矿粉，化学组成如表1所示。

（2）磷石膏。磷石膏的主要成分为半水石膏，其化学组成如表1所示，矿物相组成如图1所示。

（3）粉煤灰。粉煤灰来自四川宜宾某电厂，28d活性指数为75%，化学组成如表1所示，矿物相组成如图2所示。

（4）水玻璃。水玻璃来自眉山鸿浩天富实业有限公司，模数为2.5，本文将其模数调整为1.5，成分如表2所示。

1.2  配合比

此次试验所用配合比如表所示，其中碱当量为4%，水胶比为分别为0.55、0.45，胶凝材料为粉煤灰与矿粉，两者比例为1：1，未掺加磷石膏的组（J-3-0）为基准组，配比设计祥见表3。

1.3  试样制备及检测

用电子天平称取矿渣粉和水玻璃激发剂，按设定的水-矿渣比称量水（考虑水玻璃激发剂中的水分）。将矿渣粉加入净浆搅拌机中启动搅拌机，依次加入自来水和水玻璃激发剂，搅拌180s后将浆料倒入40mm×40mm×160mm三联试模中，在胶砂振实台上振动30s，随后抹平，在常温环境（20±1℃，85%）中静置24h后脱模，采取塑料薄膜包裹，60℃干热养护24h，然后采取温度20℃，湿度60%养护至各龄期（1d、7d、28d），依据GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》中规定得相关方法测试试样的强度。

2  试验结果与分析

2.1  高水胶比时磷石膏掺量对力学性能的影响

为保证浆体的和易性，初步采用水胶比为0.55，对养护至相应龄期（1d、7d、28d）的试样进行抗压强度测试，所得结果如图3所示。由图3可以看出，早期强度（7d之前）呈现上升趋势，基准组强度增长缓慢，掺加磷石膏的试样强度增长较快，掺量为50wt.%时，强度增长最为迅速，由1.2MPa增至12MPa，表明磷石膏的掺入可以改善碱激发胶凝材料的早期力学性能。但是，随着龄期发展部分试样的抗压强度出现倒缩现象，这可能是因为水玻璃自身在早期提供了一定强度，但是随着龄期延长这种作用减弱甚至消失，试样的强度下降。

对试样7d与28d的力学性能进行对比，观察试样力学性能变化，对比结果如4所示。由图4可知，到7d龄期时抗压强度最大值16.8MPa，28d抗压强度最大值为18.6MPa，分别对应临时掺量为5wt.%、30wt.%，这表明磷石膏掺量对碱激发粉煤灰-矿粉胶凝材料力学性能作用效果较为复杂。基准组试样、掺量20wt.%、掺量30wt.%、掺量40wt.%、掺量50wt.%、掺量70wt.%试样的力学性能没有倒缩，其中基准组试样强度只有2.9MPa，20wt.%掺量时强度基本保持不变，继续增加磷石膏掺量至50wt.%时，同7d抗压强度相比增长22.5%，掺量超过50wt.%之后，试样强度基本无增长。表明在碱激发粉煤灰-矿粉体系中磷石膏的掺量较小时，材料的强度发展较为缓慢，当掺量超过一定值（本文20wt.%）,磷石膏对碱激发胶凝材料力学性能增长速度作用效果较为明显，磷石膏掺量超过50wt.%后，对后期强度增长速度基本无提升作用。对比试样28d抗压强度，超过30wt.%后强度开始下降，表明磷石膏掺量不宜过高，掺量范围为20 wt.%~30wt.%，此时试样早期强度较高，后期强度不发生倒缩，且后期强度增长明显。

2.2  低水胶比时磷石膏掺量对力学性能的影响

对水胶比为0.45的试样进行力学性能测试，测试结果如图所示。由图5可知，试样早期力学性能增长速度较快，1d抗压强度可达到9.6MPa，7d抗压抗压强度可达到27.1MPa，与同水胶比为0.55时试样得力学性能（图3）相比，降低胶凝材料的水胶比可以明显提升其早期力学性能。掺量在5wt.%~10wt.%范围内时，早期力学性能力（7d之前）随着掺量增加为下降，20wt.%~50wt.%范围时，早期力学性能趋于稳定，超过50wt.%时，早期力学性能开始下降，表明低水胶比时，磷石膏掺量对力学性能的改善作用存在稳定区间，即20wt.%~50wt.%。但是在试样制备过程中发现，随着水胶比降低，掺量为40wt.%、50wt.%、60wt.%的试样制备较为困难（如图6所示），表明水胶比较低时，磷石膏掺量增加，促凝效果加强，试样成型困难。随着龄期延长，只有掺量为50wt.%时，后期力学性能发生倒缩，且降低幅度较小，表明降低胶凝材料体系可以抑制胶凝材料后期力学性能的倒缩，改善胶凝材料的力学性能。

对不同水胶比试样的力学性能进行对比，结果如图7（a）和图7（b）所示。由图7（a）可知，在掺量5wt.%~10wt.%时，两种不同水胶比试样的早期力学性能力学降低；掺量在10wt.%~50wt.%范围内，力学性能变化趋势较为复杂；掺量超过50wt.%后，两者变化方向相反，在水胶比为0.55时，力学性能升高，在水胶比为0.45时，力学性能下降。表明水胶比不同，磷石膏对早期强度的作用效果同样会发生变化。由图7（b）可知，水胶比变化对材料后期的力学性能影响显著，掺量在5wt.%~10wt.%、10wt.%~20wt.%范围内时，不同水胶比试样的力学性能变化方向相反，20wt.%~60wt.%范围内，虽然试样的水胶比不同，但是力学性能变化趋势相似，其中20wt.%~30wt.%时，力学性能提升，30wt.% ~60wt.%时，力学性能下降。综上，表明水胶比不同，对材料的力学性能的影响存在差异，材料使用时需根据磷石膏掺量的不同调控体系的水胶比，本文中磷石膏在碱激发粉煤灰-矿粉体系中的最佳掺量范围为20wt.%~30wt.%。

3  结论

磷石膏掺量和材料体系水胶比对碱激发粉煤灰-矿粉胶凝材料力学性能的实验研究得到以下结论：

（1）磷石膏的掺入可以改善胶凝材料的力学性能，但是后期强度发展灰出现倒缩现象。

（2）降低水胶比可以显著提高材料的力学性能，抑制后期强度倒缩，但是水胶比降低灰影响材料的工作性能，使得材料成型困难。水胶比不同，对材料的力学性能的影响存在差异，材料使用时需根据磷石膏掺量的不同调控体系的水胶比。

（3）磷石膏在碱激发粉煤灰-矿粉胶凝材料体系中存在最佳掺量，掺量在20wt.%~30wt.%范围内，可以改善材料的力学性能，且拌合物工作性能优良。

文章作者：焦晓东1,2,3，张仰鹏2,3，黎碧云2,3，李舒阳2,3（1. 西安建筑科技大学 材料科学与工程学院 西安  7100552.广西交科集团有限公司 南宁 530007；3.广西道路结构与材料重点实验室  530007）

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