浅议改性磷石膏水泥基砂浆的研究状况及趋势

浅议改性磷石膏水泥基砂浆的研究状况及趋势

钟应黄安龙*

  贵州省建材产品质量检验检测院（贵州贵阳550014）

【作者简介】钟应（1986.12-）,男,彝族，贵州大方县人，硕士研究生学历,贵州省建材产品质量检验检测院工程师，主要研究方向：建材产品新工艺、新技术和新材料开发。

【通讯作者】黄安龙（1988.10-），男，汉族，贵州贵阳市人，大学本科学历，贵州省建材产品质量检验检测院工程师，主要研究方向：建筑节能材料工艺及检测。

摘要：在绿色青山就是金山银山的科学指引下，富含多种杂质、影响生态环境的磷石膏固体废物要变废为宝成为当前的一个重大课题。通过分析对比五种改性磷石膏的特点，从陈本和改性的目的来看，现在改性磷石膏水泥基砂浆通常采用两种或者两种以上的方式对其改性；进一步浅谈了现阶段磷石膏水泥基砂浆的研究状况和研究成果；结合现有先进技术，并对改性磷石膏水泥基砂浆的研究趋势和发展进行了展望，未来的改性磷石膏水泥基砂浆朝着绿色低碳和多种优良性能并存的方向发展。

关键词：改性磷石膏 磷石膏改性方式 发展趋势

中图分类号：TQ177.6+9  文献标识码：A   文章编号：

现如今，我国已经开启现代化建设的新征程，绿水青山就是金山银山，山水林田湖草是一个生命共同体，是我们人类耐以生存的命脉。而然，磷石膏是工业湿法磷酸工艺中产生的固体废弃物，主要成分硫酸钙、未完全分解的磷矿、残余的磷酸、氟化物、有机质、酸不溶物等多种物质的混合物。磷石膏作为简单粗暴的方式排放堆积，将会严重破坏了生态环境，污染田地、地下水资源和粉化污染空气。因此，通过技术革新，转变观念变废为宝，对磷石膏资源在利用。虽然氟和有机质的存在对磷石膏的资源化利用影响最大，但是持之以恒、久久为功，磷石膏水泥基砂浆得以大量的应用。

一、研究背景

通常情况下，对磷石膏处理方式是矿山填埋、制作水泥缓凝剂、高温煅烧或者改性后用于建材制品。对磷石膏处理后生产稳定的建材产品，一方面可以降低原材用料的成本，另一方面解决磷石膏对环境污染的问题。近年来，针对磷石膏制品易受潮、耐水性差、强度低和软化系数低等问题，国内外许多学者对其进行大量的研究，利用改性或者煅烧等手段，实现石膏物理性能和力学性能满足使用要求。尤其以磷石膏水泥浆基的研究成为一个热点，不仅研究磷石膏水泥基制品的物理化学性能，而且从磷石膏微观结构变化机理，这对磷石膏水泥基研究开发、生产多种高性能复合产品具有重要的意义，为磷石膏制品的广度和深度提供新的思考方向。

二、磷石膏水泥基砂浆的改性方式

磷石膏杂质较多，如果不对其改性，直接制作水泥基砂浆，力学性能和化学性能不能达到标准要求。通常情况下，采用高温煅烧、陈化法、球磨法、水洗法以及浮选法等手段。高温煅烧费用高，难以去除难溶性共晶磷杂质，优点是操作简单；陈化法优点是成本低、易除去可溶性磷酸和部分的有机物，但是易造成环境污染；球磨法操作复杂，优点是能提高磷石膏的利用率，可去除颗粒大、级配不好的杂质；水洗法优点是除杂效率高、能把可溶性杂质和部分有机物去除，但是成本高、费用高；浮选法操作简单，除杂效果不好。基于几种改性方式的优缺点，现在的研究者，一般会结合两种或者三种手段，对磷石膏进行改性。比如，先对磷石膏与中和生石灰陈化，在进行煅烧；或者先进行中和生石灰陈化，然后球磨在煅烧，最终实现成本低、除杂效率高。

三、改性磷石膏水泥基砂浆的研究状况

1.高温煅烧改性或者高温煅烧+添加剂改性磷石膏研究状况

龚晓强[1]以不同掺量的生石灰陈化处理 800℃煅烧的磷石膏、水泥、河砂、水为基本原料制备改性磷石膏水泥砂浆，结果表面：加入生石灰提高了磷石膏粉末的活化指数；标准稠度用水量、凝结时间、保水率、质量损失率、抗压强度损失率随着改性磷石膏掺入量的增加而增加，流动度随改性磷石膏掺量呈现相反的变化趋势。此外，改性磷石膏降低了水泥水化反应的水化热，具有抑制了水泥水化的放热速率的作用。生石灰和磷石膏混合物的水溶液呈弱酸性时，其活化指数较大，相比不加磷石膏和石灰的水泥砂浆，改性前后的活化指数都有所提高。当生石灰的掺量为2%时，磷石膏的活化指数最佳，达到93.2%，且生石灰提高基体的力学性能，改性磷石膏的性能较好[2]。

高温煅烧磷石膏部分取代水泥会降低砂浆抗压强度，随着高温煅烧磷石膏取代量增加，砂浆各龄期抗压强度逐渐降低，当掺量为60%时，砂浆3d、7d和28d抗压强度较基准组砂浆分别降低58.7%、54.3%、56.0%。且高温煅烧磷石膏细度对砂浆后期强度具有影响，随细度减小，砂浆28d的强度有增大趋势，但细度过小，早期强度降低。外加矿粉能提升高温煅烧磷石膏水泥基砂浆的后期强度，当矿粉量为20%时，砂浆性能较好。硅灰对高温煅烧磷石膏水泥基砂浆的早期强度有改善效果，但是最后期的抗压强度提升效果不明显[3]。

高育欣等人[4]研究按一定比例混合磷石膏、矿粉、水泥以及水，经陶瓷球磨机中湿磨 30min，接着取出浆体置于密封桶中陈化36h，将陈化后浆体于马弗炉中煅烧2h后，再使用球磨机粉磨并通过筛孔尺寸为0.075mm的方孔筛等一系列的改性磷石膏。结果表面：随着水胶比越小，试样的表观密度、强度和软化系数则越高,吸水率则越低；随着减水剂掺量的增大，砂浆试样的吸水率表现为先增后减，强度和软化系数则持续减小；磷石膏水泥基的抹灰砂浆水化产物中的凝胶和钙矾石会填充二水硫酸钙晶体间空隙，能提高试件密实度、强度和软化系数；有机硅防水剂会在水化产物表面和间隙中形成防水膜,防水膜在阻止外部水分进入的同时也阻断了水化产物与水的接触，一定程度上提升了试件耐水性能。

2.生石灰陈化改性磷石膏研究状况

张粤[5]研究新鲜磷石膏经生石灰陈化后，不同粒径的磷石膏对砂浆力学性能和物力性能的影响。结果得出：随着改性磷石膏粒径增大，砂浆的凝结时间缩短，保水率和稠度损失先减小后增大，然而拉伸粘结强度，抗压强度呈现出先增大后减小的趋势。随着磷石膏粒径增大，砂浆中无害孔、微害孔逐渐增多，然而有害孔和多害孔先急剧减少后缓慢增多。此外，将石灰改性磷石膏成球并使用水泥、粉煤灰将改性磷石膏球包裹进行养护，结果表明：d≤0.3mm的改性磷石膏球浸泡24h会溶出大量 SO42-，d≥1.18mm的改性磷石膏球在浸泡72h会溶出大量 SO42-，通过水化热和MIP分析可知，磷石膏球细度模数减小，砂浆早期水化放热量增多，后期水化放热量减少，砂浆中无害孔、微害孔减少，有害孔和多害孔先减少后增多。

3.添加剂改性磷石膏研究状况

周远忠等人[6]采用甲基硅酸钾对经石灰中和后的磷石膏进行表面改性，结果表面：甲基硅酸钾粘附在磷石膏晶体表面，部分阻断了水分子对磷石膏颗粒的溶蚀作用,与未掺甲基硅酸钾相比，掺量为0.4%、0.6%改性磷石膏中SO42-离子的饱和浓度分别下降了40%、42%。采用甲基硅酸钾改性处理后，磷石膏对水泥中 C3A水化反应的阻碍作用减弱，湿拌砂浆凝结时间缩短，同时甲基硅酸钾改性磷石膏具有一定的憎水性，吸附游离水的能力降低，砂浆的出机稠度逐渐增大。当甲基硅酸钾掺量为0.4%及0.6%时，湿拌砂浆28d抗压强度均超过10MPa。

四、改性磷石膏砂浆的发展趋势及展望

改性磷石膏水泥基砂浆的应用较广，如抹灰砂浆、自流平砂浆以及预拌砂浆等建筑砂浆，因使用部位的不同，对砂浆的物理性能和力学性能标准要求不同，有侧重强度和抗渗性，也有侧重耐久性和冻融性等多种使用要求。基于砂浆使用广泛、性能要求高低不同，改性磷石膏水泥基砂浆的很值得深挖。我们在倡导节约，遵循资源循环利用。

在新时代，建材的发展朝着节能低碳化发展。在众多国内外学者对改性磷石膏水泥基砂浆研究的基础之上，在物理化学性能、机理机智方面不断取得新的突破。结合现代计算机技术、物联网优势和纳米科技双重技术的驱动下，制备纳米级的改性磷石膏砂浆，让大数据、互联网赋能砂浆的深度研究，深入分析改性磷石膏全过程的微观机理、变化机制；利用物联网技术时时监测水化硬化的动力学，定量计算改性磷石膏水泥基砂浆的性能改善的因子，为实现科学配方提供大数据积累。同时，可以结合计算机有关软件的仿真优势，构建在复杂工况的服役模型，对工程应用进行模拟计算，让研究更具有实际意义。因此，我们不难发现：改性磷石膏水泥基砂浆向轻质量、高强度、高韧度、耐高温低温、抗腐蚀、高防水、无辐射放射、高保温节能、低成本以及绿色无污染方向阔步前进。

参考文献：

[1]龚晓强.磷石膏改性水泥砂浆的性能研究[D].武汉轻工大学,2020.

[2]龚晓强,刘杰胜,徐晶云等.石灰改性磷石膏对水泥砂浆性能影响的研究[J].武汉轻工大学学报,2019,38(01):51-55.

[3]程想,陈思翰,胡群等.高温改性磷石膏基水泥砂浆强度性能研究[J].非金属矿,2022,45(01):37-40+45.

[4]高育欣,麻鹏飞,康升荣等.改性磷石膏抹灰砂浆性能研究[J].金属矿山,2022(01):14-20.

[5]张粤.改性磷石膏在水泥基湿拌砂浆中影响研究[D].贵州大学,2022.

[6]周远忠,王宏杰,陈鸿等.甲基硅酸钾改性磷石膏对水泥基湿拌砂浆力学性能的影响[J].新型建筑材料,2022,49(10):123-127.