磷石膏-粉煤灰基混凝土空心砌块的强度与耐水性调控

一、引言

随着建筑行业的快速发展，对新型环保建筑材料的需求日益增长。磷石膏和粉煤灰作为工业生产过程中产生的大量固体废弃物，其资源化利用成为研究热点。将磷石膏和粉煤灰应用于混凝土空心砌块的制备，不仅可有效解决固废处置问题，还能降低建筑材料生产成本，具有显著的环境与经济效益。然而，如何提升磷石膏 - 粉煤灰基混凝土空心砌块的强度与耐水性，以满足建筑工程实际需求，是当前亟待解决的关键问题。

二、原材料与实验方法

2.1 原材料

2.1.1 磷石膏

选用某磷肥厂排放的磷石膏，其主要化学成分为 CaSO₄⋅2H₂O ，同时含有少量的 P₂O₅ 、F⁻等杂质。这些杂质的存在会影响磷石膏的性能，如 P₂O₅ 会延缓磷石膏的水化进程，F⁻可能对砌块的耐久性产生不利影响。对磷石膏进行预处理，采用水洗法去除部分可溶性杂质，再经陈化处理 30天，以降低游离酸含量，稳定其性能。

2.1.2 粉煤灰

采用电厂排放的 Ⅱ 级粉煤灰，其具有一定的火山灰活性，主要成分包括 Al₂O₃ 、SiO₂等。粉煤灰的活性对砌块的强度发展有重要作用，其颗粒形态呈球形，在混凝土中可起到滚珠效应，改善浆体的流动性。

2.1.3 其他材料

水泥选用普通硅酸盐水泥 42.5 级，作为胶凝材料的重要组成部分，为砌块提供早期强度。生石灰用于调节体系的碱性环境，激发磷石膏和粉煤灰的活性。外加剂选用减水剂，以降低用水量，提高砌块的密实度。

2.2 实验方法

2.2.1 砌块制备

将预处理后的磷石膏、粉煤灰、水泥、生石灰和外加剂按不同比例混合，加入适量水搅拌均匀，制成混合料。采用机械振动成型工艺，将混合料注入空心砌块模具中，在一定频率和振幅下振动，使物料密实填充模具。成型后的砌块在标准养护室（温度 20±2^∘C ，相对湿度 95% 以上）养护至规定龄期。

2.2.2 性能测试

• 抗压强度测试：依据 GB/T 4111 - 2013《混凝土砌块和砖试验方法》，使用万能材料试验机对养护至不同龄期（7d、14d、28d）的砌块进行抗压强度测试，每组测试 3 个试件，取平均值作为测试结果。

• 耐水性测试：采用软化系数来评价砌块的耐水性，将养护 28d 的砌块试件分为两组，一组在水中浸泡 48h 后测试抗压强度，另一组在空气中干燥至恒重后测试抗压强度，两者比值即为软化系数。同时，通过测定砌块在水中浸泡不同时间后的质量变化，分析其溶蚀情况。

• 微观结构分析：利用扫描电子显微镜（SEM）观察砌块内部微观结构，分析水化产物的形貌和分布情况。采用 X 射线衍射仪（XRD）对砌块的物相组成进行分析，确定水化产物的种类。

三、结果与讨论

3.1 配合比对砌块强度的影响

3.1.1 磷石膏掺量的影响

在其他材料比例不变的情况下，研究磷石膏掺量对砌块强度的影响。随着磷石膏掺量的增加，砌块 7d、14d、28d 的抗压强度呈现先增加后降低的趋势。当磷石膏掺量为 40% 时，砌块 28d 抗压强度达到最大值。这是因为适量的磷石膏可参与水化反应，与水泥水化产物 Ca (OH)₂ 反应生成钙矾石（AFt），钙矾石晶体的生长填充孔隙，提高了砌块的密实度和强度。但当磷石膏掺量过高时，过多的杂质影响了水泥的水化进程，且未反应的磷石膏在砌块内部形成缺陷，导致强度降低。

3.1.2 粉煤灰掺量的影响

随着粉煤灰掺量的增加，砌块早期强度有所降低，但后期强度增长明显。当粉煤灰掺量为 30% 时，砌块 28d 抗压强度较高。粉煤灰中的活性成分 Al₂O₃ 和 SiO₂ 在碱性环境下发生火山灰反应，生成水化硅酸钙（C - S- H）凝胶，后期持续增强砌块的强度。但粉煤灰掺量过高，早期水泥水化产物减少，导致早期强度不足。

3.1.3 水泥与生石灰掺量的影响

水泥作为主要的胶凝材料，对砌块早期强度起关键作用。适当增加水泥掺量，砌块早期强度显著提高，但成本也相应增加。生石灰可提供碱性环境，激发磷石膏和粉煤灰的活性，促进水化反应进行。当水泥掺量为20% ，生石灰掺量为 10% 时，砌块在保证强度的同时，成本较为合理。

3.2 配合比对砌块耐水性的影响

3.2.1 磷石膏与粉煤灰协同作用

磷石膏与粉煤灰在提升砌块耐水性方面具有协同效应。当两者比例适当时，生成的钙矾石和水化硅酸钙凝胶相互交织，填充孔隙，降低了砌块的吸水率，提高了耐水性。研究发现，当磷石膏掺量为 40% ，粉煤灰掺量为 30% 时，砌块的软化系数达到 0.8 以上，耐水性较好。

3.2.2 水泥与外加剂的作用

水泥的水化产物可在砌块内部形成较为致密的结构，提高抗水侵蚀能力。外加剂中的减水剂可减少用水量，降低砌块内部孔隙率，进一步提升耐水性。在实验中，添加适量减水剂后，砌块的吸水率明显降低，软化系数有所提高。

3.3 养护制度对砌块性能的影响

3.3.1 养护温度

养护温度对砌块的强度和耐水性有显著影响。在一定范围内，提高养护温度可加速水泥水化反应以及磷石膏、粉煤灰的火山灰反应，促进强度增长。但温度过高可能导致水分蒸发过快，影响水化反应的充分进行，使砌块内部结构疏松，降低耐水性。实验表明，标准养护温度（ 20±2^∘C ）下，砌块性能最佳。

3.3.2 养护湿度

高湿度养护环境有利于水泥水化和磷石膏、粉煤灰的反应，保证水化产物的生成和生长，提高砌块强度和耐水性。当养护湿度低于 90% 时，砌块强度增长缓慢，耐水性下降。因此，保持标准养护室的高湿度环境（相对湿度 95% 以上）对砌块性能至关重要。

3.4 微观结构分析

通过 SEM 观察，在优化配合比和养护条件下，砌块内部结构致密，水化产物钙矾石呈针柱状，相互交织填充孔隙，水化硅酸钙凝胶包裹在其他颗粒表面，使砌块内部形成紧密的网络结构。XRD 分析结果表明，砌块中主要物相为 CaSO₄⋅2H₂O 、Ca (OH)₂、C - S - H 凝胶和 AFt 等，这些水化产物的生成和相互作用是砌块强度和耐水性提升的微观基础。

四、结论

1.磷石膏 - 粉煤灰基混凝土空心砌块的强度与耐水性受多种因素影响，通过优化配合比，控制磷石膏掺量为 40% 、粉煤灰掺量为 30% 、水泥掺量为 20% 、生石灰掺量为 10% ，并添加适量减水剂，可有效提升砌块的强度和耐水性。

2.适宜的养护制度对砌块性能至关重要，标准养护温度（ 20±2^∘C ）和高湿度（相对湿度 95% 以上）环境有利于水化反应充分进行，提高砌块强度和耐水性。

3.微观结构分析表明，钙矾石和水化硅酸钙凝胶等水化产物的生成和合理分布是砌块强度和耐水性提升的内在原因。本研究为磷石膏 - 粉煤灰基混凝土空心砌块的工业化生产和应用提供了理论支持和技术参考，有助于推动工业固废在建筑材料领域的广泛应用。

参考文献：

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