羅慧，嚴煌

（廣東龍湖科技股份有限公司 武漢技術中心，湖北 武漢 430400）

0 前言

根據(jù)我國近年來對環(huán)境治理的相關要求和政策補貼，以及石膏基自流平特有的干燥收縮小、保溫隔熱性能好、自動調(diào)節(jié)室內(nèi)干濕度等優(yōu)異性能，其非常適合作為厚層自流平砂漿材料用于室內(nèi)地暖填充和找平[1]。目前根據(jù)全國各地的特殊需要，脫硫石膏、磷石膏、氟石膏、天然石膏均可作為石膏基自流平的主要原材料使用[2-4]。

我國磷礦資源主要集中在湖北、云南、貴州、四川、安徽5省，保有存量約占全國的80%。我國現(xiàn)今磷石膏堆存總量已超6億t，年產(chǎn)生量7500萬t，大量磷石膏為堆存處置。而生產(chǎn)磷肥的化工廠大多緊鄰水域，堆存的磷石膏對水體帶來污染，至今未得到根本治理。有效利用磷石膏，盡快解決磷石膏資源化的共性難題，實現(xiàn)零排放，并消納庫存，是目前我國工業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)保護的必然要求。采用磷石膏制備石膏基自流平砂漿，不僅可以消耗磷石膏庫存量，體現(xiàn)“以廢治廢，山青水綠”的磷石膏生態(tài)價值，還能與建材行業(yè)推廣的“石膏干粉砂漿”具有同樣節(jié)能減排的社會和經(jīng)濟效益[5]。

本研究以提高磷石膏的資源化利用為主要目的，探討了不同種類的無機活性粉料和添加劑對磷石膏基自流平砂漿性能的影響，使得制備的磷石膏基自流平砂漿性能符合T/CBMF 82—2020《石膏基自流平砂漿》的要求，為磷石膏消納庫存提供可行的途徑。

1 實驗

1.1 原材料

（1）磷石膏：湖北某磷化有限公司提供，主要技術性能見表1。

表1 磷石膏的主要技術性能

（2）無機活性粉料：礦渣微粉由湖北某建材有限公司提供，比表面積450 m2/kg；Ⅱ級粉煤灰由山東某建材有限公司提供，粒徑14~25 μm；高活性微粉由廣東龍湖科技股份有限公司提供，平均粒徑1.3 μm。3種無機活性粉料的化學成分見表2。采用華新水泥股份有限公司的P·O42.5水泥。重鈣由廣福建材集團有限公司提供，200目。

表2 3種無機活性材料化學成分 %

（3）添加劑。保水穩(wěn)定劑：①國產(chǎn)，代號A1，HPMC，黏度范圍（NDJ，濃度2%，20℃）300~700 mPa·s；②國外產(chǎn)，代號A2，HEMC，黏度范圍（NDJ，濃度2%，20℃）300~500 mPa·s；③KEVIWOL WD230，特殊高分子材料，黏度范圍（NDJ，濃度2%，20℃）400~600 mPa·s。

（4）聚羧酸減水劑：3種減水劑的基本性能如表3所示。表中減水率是不同減水劑對本文采用的磷石膏的減水率，減水劑摻量為0.2%。減水率參照GB 8076—2008《混凝土外加劑》進行測試，坍落度采用GB/T 17669.4—1999《建筑石膏 凈漿物理性能的測定》中石膏在標準稠度用水量下的流動度（180±5）mm替代，流動度按照GB/T 17669.4—1999進行測試。

表3 3種聚羧酸減水劑的基本性能

（5）消泡劑：以無機材料為載體的聚合物消泡劑BYK-1691 SD，零VOC，白色粉末，堆積密度450~650 kg/m3；緩凝劑：意大利SICIT2000公司的Plast Retard XCP，其為可降解天然蛋白質(zhì)的衍生物，黃白色粉末，堆積密度270~340 g/L，干燥損失率≤5%。

1.2 測試方法

磷石膏粉料基本性能按GB/T 9776—2008《建筑石膏》進行測試。石膏基自流平砂漿流動度（初始和30 min）、凝結時間及強度均按照T/CBMF 82—2020《石膏基自流平砂漿》進行測試。

1.3 自流平砂漿基本配比

自流平砂漿基本配比為：磷石膏70%、砂10%、水泥8%、粉料12%，聚羧酸減水劑0.15%~0.25%，保水穩(wěn)定劑0.04%~0.06%，其余添加劑1.2%~1.6%。此配比中的粉料部分由重鈣和無機活性粉料組成，當無機活性粉料摻量不足12%時，由重鈣填補。

2 結果與討論

2.1 保水穩(wěn)定劑對自流平砂漿防泌水性能的影響

自流平砂漿在濕拌狀態(tài)下漿料具有黏度低、大流態(tài)的特點，這也可能會使?jié){料中的骨料和粉料在重力作用下自然下沉，從而導致砂漿頂部和底部的密度不均勻，頂部有水分析出，出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。穩(wěn)定劑的一個重要作用就是保證自流平砂漿中的顆粒和粉料在漿料中不下沉，使自流平砂漿整體密度呈均勻狀態(tài)。粉料采用重鈣；減水劑采用Hanrius P-49，摻量0.15%。保水穩(wěn)定劑對自流平砂漿防泌水性能的影響如表4所示。

從表4可以看出，采用纖維素醚A1和A2的石膏基自流平砂漿，當用水量從36%提高到40%時流動度明顯提高，但同時出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，且隨著用水量提高，泌水現(xiàn)象更加嚴重。這是因為纖維素醚抗沉降是基于水相增稠，對水的用量較敏感。相比加入WD230的石膏基自流平砂漿，即使用水量從36%提高到46%時仍沒有泌水，且初始流動度為183 mm。這是因為WD230由特殊高分子材料組成，雖然黏度低，但是其高分子材料能在自流平砂漿中形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡狀結構，相互交織將自流平砂漿中的顆粒和粉料固定在原來的位置，阻止其因重力作用而下沉，其防泌水性能會一直持續(xù)到用水量太高打破了這種網(wǎng)絡結構為止。這種對于用水量更寬、更有容忍度的特點，更有利于降低現(xiàn)場施工中因多加水導致流動度太大而出現(xiàn)泌水、離析問題的風險。

表4 保水穩(wěn)定劑對自流平砂漿防泌水性能的影響

2.2 無機活性粉料對磷石膏基自流平砂漿流動性和凝結時間的影響

3種無機活性粉料對磷石膏基自流平砂漿流動性和凝結時間的影響見表5。其中，每組試樣保水穩(wěn)定劑均采用WD230，摻量為0.06%；減水劑均采用P49，摻量均為0.15%?？瞻讟訛椴患訜o機活性粉料，全部為重鈣。

表5 無機活性粉料對自流平砂漿流動度和凝結時間的影響

從表5可以看出，相比于空白樣，加入高活性微粉和粉煤灰的石膏基自流平砂漿初始和30 min流動度降低幅度較大。加入礦渣的石膏基自流平砂漿初始流動度有較大幅度提升，但是30 min流動度損失最多。高活性微粉、粉煤灰和礦渣3種無機活性粉料均可起到物理微顆粒效應，加入到自流平砂漿中可以改善顆粒級配，起到填充空隙、增強密實性的作用，從而降低用水量，提高流動度[6]。但是從另一方面來看，此3種活性粉料均具有火山灰活性，自身在堿性環(huán)境下會堿激發(fā)凝固，此時對水的吸附能力較強。當摻量增加時，更多的水分子會附著在無機活性粉料顆粒表面，導致體系內(nèi)自由水含量降低，自流平砂漿后增稠現(xiàn)象越來越明顯，從而用水量提高，流動度降低[7]。從兩方面綜合考慮，不同無機活性粉料對石膏基自流平砂漿加水量和流動度的影響較為復雜，是多方面共同影響的結果，最終效果均不一樣。

從凝結時間看，相比于高活性微粉，加入粉煤灰和礦渣的自流平砂漿初凝和終凝時間均有所延長?？赡艿脑蚴欠勖夯液偷V渣中含有大量的CaO，與水反應形成的難溶Ca（OH）2覆蓋于未水化的半水石膏顆粒表面，阻礙了半水石膏水化進程，從而凝結時間有所延長。

實驗材料：選擇德清源的紅皮雙黃雞蛋120枚，紅皮單黃雞蛋120枚(首先人工標識后破殼確定)；各取90枚用于實驗建模分析，后各取30枚用于驗證。

2.3 無機活性粉料對磷石膏基自流平砂漿力學性能的影響

高活性微粉、粉煤灰和礦渣均含有活性的Al2O3和活性SiO2。其中提供的Al3+，其較易發(fā)生水解生成氫氧化鋁水化凝膠，膠體的吸附性會增加體系水化初期的結晶成核速率，縮短了體系凝結時間。同時Al3+與SO42-會與體系中存在的Ca2+、H2O結合生成鈣礬石，少量的鈣礬石能填補石膏基自流平水化過程內(nèi)部結構網(wǎng)中產(chǎn)生的間隙，提高自流平砂漿的強度[7]。而其中的活性SiO2與水形成富硅凝膠，水泥早期水化形成的Ca（OH）2與此富硅凝膠反應生成C-S-H凝膠[8]，并填充在石膏-水泥-活性粉料體系自流平砂漿水化產(chǎn)物之間，提高自流平砂漿的強度。

高活性微粉、粉煤灰和礦渣3種無機活性粉料對磷石膏基自流平砂漿力學性能的影響見表6。其中，每組試樣中的WD230和Hanrius P49添加量、用水量均與表5一致。

從表2和表6可以看出，含有較多活性Al2O3和活性SiO2的高活性微粉，對磷石膏-水泥體系自流平砂漿增強作用明顯：相比于空白樣，當高活性微粉摻量9%時，試塊28 d抗折、抗壓強度分別提高9.1%和11.5%；當高活性微粉摻量12%時，試塊28 d抗折、抗壓強度分別提高19.5%和31.0%。而粉煤灰和礦渣對磷石膏-水泥體系自流平砂漿力學性能有一定的增強作用，但是增幅沒有高活性微粉明顯，甚至加入礦渣的磷石膏自流平砂漿3 d強度比空白試樣還低。由此可見，對脫硫石膏增強效果明顯的粉煤灰和礦渣對磷石膏增強效果并不強?？赡艿脑蚴欠勖夯液偷V渣中含有大量的CaO，與水反應形成難溶的Ca（OH）2覆蓋于未水化的半水石膏顆粒表面，導致水化不完全，影響了早期強度。

表6 無機活性粉料對自流平砂漿力學性能的影響

2.4 無機活性粉料對磷石膏基自流平砂漿顯微結構的影響

添加不同無機活性微粉料后，各磷石膏基自流平砂漿試塊養(yǎng)護28 d后的顯微結構如圖1所示。

磷石膏基自流平砂漿因為摻加料較多，其顯微結構較為復雜。不同無機活性微粉料的物理填充效應和對石膏水化的促進作用對磷石膏基自流平顯微結構中孔隙的大小與分布、二水硫酸鈣晶粒的尺寸和形狀等影響均不一樣。從圖1可以看出，高活性微粉、粉煤灰和礦渣均對磷石膏基自流平砂漿中的二水硫酸鈣晶粒形狀產(chǎn)生了影響。加入了高活性微粉的磷石膏基自流平砂漿中，二水硫酸鈣晶粒變的更小、更薄，成片狀和短柱狀相互交織緊密堆積在一起。加入了粉煤灰的磷石膏基自流平砂漿中，相比于空白樣，二水硫酸鈣晶粒變的更加粗壯、長度更長。加入礦渣的磷石膏基自流平砂漿中，二水硫酸鈣晶粒變的更加不規(guī)則，有細長柱狀、有塊狀。加入粉煤灰和礦渣的磷石膏基自流平砂漿顯微結構均較為松散，孔隙較多。而加入了高活性微粉的磷石膏基自流平砂漿整體更加密實，晶粒與晶粒之間聯(lián)系更加緊密，孔隙最少。體現(xiàn)在宏觀物理性能上，即添加高活性微粉的磷石膏基自流平砂漿的力學性能更加優(yōu)秀。

圖1 各磷石膏基自流平砂漿的顯微結構

2.5 聚羧酸減水劑對磷石膏基自流平砂漿流動性能的影響

根據(jù)2.3中無機活性粉料研究選擇高活性微粉摻量9%，WD230摻量0.06%。分別采用性能較好的3種聚羧酸減水劑，摻量為0.17%~0.23%，其對磷石膏基自流平砂漿流動性的影響如表7所示。

從表7可以看出，隨著減水劑摻量從0.17%增大到0.23%，摻入Hanrius P49的自流平砂漿用水量從38%降低到34%，摻入B1的自流平砂漿用水量從39%降低到36%，摻入B2的自流平砂漿用水量從40%降低到38%。說明在相同減水劑摻量下，Hanrius P49用水量最少，其減水、促流動效果要強于B1和B2。減水劑B2的減水、促流動效果最差，要達到相同用水量38%，其摻量比Hanrius P49高35%。這與3種聚羧酸減水劑本身的分子結構組成和磷石膏-水泥-高活性微粉體系的自流平砂漿的適應性有關[9]。對Hanrius P49和B1減水劑來說，當摻量為0.23%時，自流平砂漿用水量過低，漿料雖然流動性很好，但是整體狀態(tài)變稠，隨著時間延長后增稠現(xiàn)象明顯，導致30 min流動度損失變大。

表7 聚羧酸減水劑對自流平砂漿流動性的影響

2.6 聚羧酸減水劑對磷石膏基自流平砂漿力學性能的影響

摻加不同種類減水劑后，各磷石膏基自流平砂漿試塊在不同養(yǎng)護齡期時的力學性能如表8所示。其中，每組試樣中的高活性微粉和WD230的摻量均與表7一致。

表8 3種聚羧酸減水劑對自流平砂漿力學性能的影響

由表7和表8可以看出，隨著3種聚羧酸減水劑摻量增大，自流平砂漿用水量均降低，試塊越密實，強度增長趨勢越明顯。其中摻Hanrius P49的力學性能最佳，當摻量為0.23%時，自流平砂漿28 d抗折和抗壓強度較摻量為0.17%時分別提高了9.5%和12.9%。隨著減水劑摻量增加，其對磷石膏自流平砂漿中粉料顆粒的分散效果越強，顆粒分布越均勻，顆粒與顆粒排列越緊湊，自流平砂漿整體結構變得更加緊密，大孔隙數(shù)量減少，小孔隙數(shù)量增加，更有利于石膏的水化硬化過程，從而提高了自流平砂漿的力學性能[10-11]。

從表7和圖1綜合來看，當Hanrius P49摻量為0.20%時，自流平砂漿性能最優(yōu)，符合T/CBMF 82—2020《石膏基自流平砂漿》中G30的要求。制備的磷石膏基自流平砂漿30 mm流動度損失2 mm，3 d抗折和抗壓強度分別為4.7、19.0 MPa，28 d抗折和抗壓強度分別為10.1、31.2 MPa。

3 結 論

（1）KEVIWOL WD230相比于低黏度纖維素醚，在不泌水情況下，用水量范圍更寬。

（2）高活性微粉相比于粉煤灰和礦渣，對磷石膏基自流平砂漿的增強作用更明顯。

（3）從顯微結構來看，加入高活性微粉的磷石膏基自流平砂漿中，二水硫酸鈣晶粒成片狀和短柱狀緊密交織在一起，晶粒與晶粒之間連接更加緊密，孔隙最少。

（4）Hanrius P49對磷石膏基自流平砂漿減水、促流動效果最佳。

（5）綜合考慮，磷石膏基自流平砂漿中m（磷石膏）：m（高活性微粉）：m（Hanrius P49）=70∶9∶0.20時性能最佳，30 min流動度損失2 mm，3 d抗折和抗壓強度分別為4.7、19.0 MPa，28 d抗折和抗壓強度分別為10.1、31.2 MPa，符合T/CBMF 82—2020中G30的要求。