鋼渣對磷石膏泡沫輕質土的影響

王艷，韓品平，陳鵬，李再彪，施建軍，周鵬，丁慶軍，解鵬洋

（1.武漢市市政建設集團有限公司，湖北武漢 430050；2.武漢理工大學硅酸鹽工程中心國家重點實驗室，湖北武漢 430070；3.中國新型建材設計研究院有限公司，浙江杭州 310022）

0 引 言

鋼渣是冶金行業的副產物，其排放量占鋼鐵產量的13%~20%，目前，我國鋼渣綜合利用率較低，僅為10%左右，而且鋼渣的排放量隨著鋼鐵工業發展而迅速遞增[1-2]。鋼渣的排放與堆積不僅占用大量土地，而且破壞生態環境，其高附加值建材化有利于提高資源的循環利用率并減少環境污染。

磷石膏是濕法生產磷酸過程中的副產物，通常每生產1 t磷酸就會產生大約5 t 磷石膏，截至目前，我國已有約4 億t的磷石膏堆存量，并且每年新增約5000 萬t[3-5]。因此，實現磷石膏的資源化利用是亟待解決的問題。本文以鋼渣和磷石膏為主要原材料制備泡沫輕質土，既實現了固廢資源化利用，又減少了泡沫輕質土中的水泥用量，推動了泡沫輕質土的可持續發展。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：湖北亞東水泥有限公司產P·Ⅱ52.5 水泥，密度3.06 g/cm3，比表面積360 m2/kg。礦粉（GGBFS）：石家莊市靈壽縣土運礦產品加工廠，S95 級，密度2.92 g/cm3，比表面積450 m2/kg。半水磷石膏（PG）：宜昌鄂中生態工程有限公司堆場的原狀磷石膏（密度2.06 g/cm3，含水率15.1%）經110 ℃烘干2 d，粉磨過篩而成。鋼渣（SS）：靈壽縣泰圳礦產品加工廠，密度3.27 g/cm3，比表面積480 m2/kg，堿度為2.27，屬于中堿度渣。水泥、礦粉、半水磷石膏、鋼渣的化學組成見表1。減水劑：江蘇蘇博特公司產聚羧酸系PC 減水劑，固含量40%，減水率25%。發泡劑：廣東首誠建設科技有限公司產，其主要成分為十二烷基硫酸鈉。水玻璃：蚌埠市精誠化工有限責任公司產，固含量35%，模數3.1，波美度40°Be。水：自來水。

表1 原材料的化學組成%

1.2 試驗方案

以m（水泥）∶m（礦粉）∶m（半水磷石膏）=20∶30∶50、水膠比0.32 為基準配合比，以外摻膠凝材料質量的2.5%、模數為1.2的水玻璃為激發劑，減水劑摻量為膠凝材料質量的0.5%，鋼渣分別以取代水泥和礦粉的形式摻入泡沫輕質土中，研究鋼渣摻量對泡沫輕質土流動性能、力學性能、體積穩定性、耐水性能與抗凍性能的影響，其中泡沫由發泡劑與水按1∶100 質量比在發泡機中制得。試驗配合比見表2。

表2 不同鋼渣摻量泡沫輕質土配合比

1.3 試驗方法

1.3.1 泡沫輕質土成型

按配合比稱量好粉料、減水劑、激發劑和水，將粉料倒入攪拌桶干拌混合均勻，然后加入部分水和減水劑濕拌，最后加入與剩余水混合的激發劑溶液，攪拌得到混凝土漿體。采用發泡機進行發泡，用額定體積的量筒稱取泡沫，加入攪拌鍋與漿體攪拌均勻。取樣測試泡沫輕質土的體積密度和流值，最后將漿體倒入100 mm×100 mm×100 mm 和40 mm×40 mm×160 mm 的鋼模中，漿體略高于試模表面，蓋上保鮮膜，自然養護48 h 拆模，拆模后的試塊套上保鮮袋密封，放入養護室[溫度（20±2）℃，相對濕度≥95%]養護至規定齡期進行測試。

1.3.2 測試及養護方法

（1）泡沫輕質土的泡沫質量、抗壓強度和養護方法均按照CJJ/T 177—2012《氣泡混合輕質土填筑工程技術規范》進行；流動性按照JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土應用技術規程》進行測試。

（2）泡沫輕質土的收縮性能按照JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》進行測試。但考慮到磷石膏泡沫輕質土早期強度低的特性，過早拆模易使泡沫輕質土試件折斷，因此澆模后的試件自然養護4 d 后拆模，然后放入20℃的水中養護2 d，取出后擦干表面水分，測量初始長度。隨后在前7 d 內每天測1 次，7 d 后每4 d 測1 次，直至前后2 次差值≤0.01 mm。

（3）凍融循環試驗按照GB/T 11969—2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》進行測試。將養護到規定齡期的試件進行15 次凍融循環，循環制度為凍8 h，融6 h。

（4）由于泡沫輕質土的抗壓強度為“濕狀態”下的強度，泡沫輕質土本身含有一定水分，為表征泡沫輕質在飽水狀態時抗壓強度與設計強度的偏差，以試塊飽水時的抗壓強度與試塊“濕狀態”下抗壓強度的比值表征水軟化系數。

2 結果與討論

2.1 鋼渣摻量對泡沫輕質土流動性的影響（見表3）

表3 鋼渣摻量對泡沫輕質土流動性的影響

由表3 可知，泡沫輕質土的流值與鋼渣摻量成正比，這是因為，在濕密度為1000 kg/m3的泡沫輕質土中，泡沫摻量較少，影響泡沫輕質土流動性的主要因素為膠凝漿體的流動性。鋼渣的活性低于水泥與礦粉，隨著鋼渣取代水泥或礦粉量增加，膠凝漿體早期水化產物減少，在水膠比不變的條件下，膠凝漿體流動性上升，因此，隨著鋼渣摻量增加，泡沫輕質土的流動性提高。鋼渣摻量相同條件下，鋼渣取代水泥制備的泡沫輕質土流動性較高。這是因為，水泥比礦粉活性高，水泥摻量減少對膠凝漿體流動性影響更大，因此，鋼渣取代水泥制備的泡沫輕質土流動性較高。

2.2 鋼渣摻量對泡沫輕質土抗折強度的影響（見圖1）

圖1 鋼渣摻量對泡沫輕質土抗壓強度的影響

由圖1 可知：

（1）鋼渣取代水泥可以提高泡沫輕質土的強度，最佳鋼渣摻量為7.5%，此時泡沫輕質土28 d 抗壓強度可達到4.01 MPa。繼續增大或減少鋼渣摻量，泡沫輕質土的強度會下降，但仍高于未摻鋼渣的泡沫輕質土，這說明在力學性能上，鋼渣與水泥協同使用制備的磷石膏泡沫輕質土優于單摻水泥制備的磷石膏泡沫輕質土。

（2）鋼渣取代礦粉會降低泡沫輕質土的強度，當鋼渣摻量由0 增加到20%時，泡沫輕質土的28 d 抗壓強度由2.30 MPa下降到1.47 MPa。這是因為，鈣礬石的生成是磷石膏泡沫輕質土強度主要來源之一，礦粉摻量減少，體系中鋁相減少，水化產物鈣礬石生成量減少，泡沫輕質土結構變得疏松，從而抗壓強度下降。

對比鋼渣作為摻合料的2 種摻入方式發現，鋼渣取代水泥對磷石膏泡沫輕質土的力學性能有提升作用，鋼渣取代礦粉對磷石膏泡沫輕質土的力學性能有劣化作用，因此，最終確定為鋼渣取代部分水泥的摻入方式。

2.3 水膠比對泡沫輕質土性能的影響

以H3 組配比（鋼渣摻量為7.5%）為基準配合比，改變用水量調節泡沫輕質土的水膠比為0.28~0.36，研究水膠比對泡沫輕質土流值和抗壓強度的影響，結果見表4 和圖2。

圖2 水膠比對泡沫輕質土抗壓強度的影響

表4 水膠比對泡沫輕質土流動性能的影響

由表4 可知，隨著水膠比由0.28 增大到0.36，泡沫輕質土的流值由160 mm 增加到208 mm，為控制泡沫輕質土流值為160~200 mm 以滿足路基填筑對泡沫輕質土流動性能的要求，應控制泡沫輕質土的水膠比為0.28~0.34。

由圖2 可知，隨著水膠比增加，泡沫輕質土的抗壓強度先提高后降低，在水膠比為0.34 時28 d 抗壓強度最高，為4.11 MPa。這是因為泡沫與膠凝漿體混合時，膠凝漿體的稠度會對泡沫的穩泡時間產生影響，當水膠比較小時，膠凝漿體過于粘稠，混泡過程中泡沫受到阻力增大，同時泡沫中的水分容易被漿體吸收，導致泡沫水膜變薄，穩泡時間縮短；當水膠比較大時，膠凝漿體稠度不夠，泡沫容易上浮，泡沫分散不均勻，造成泡沫輕質土上層強度低，下層強度高，從而影響泡沫輕質土的整體強度。

綜合考慮磷石膏泡沫輕質土流動性和力學性能，摻鋼渣的磷石膏泡沫輕質土推薦水膠比為0.30~0.34。

2.4 鋼渣摻量對泡沫輕質土收縮性能的影響（見圖3）

圖3 鋼渣摻量對泡沫輕質土收縮性能的影響

由圖3 可知，在干燥環境下，泡沫輕質土內水分散失使各離子濃度上升，生成大量的鈣礬石，使泡沫輕質土早期處于膨脹狀態，其膨脹值大小與鋼渣摻量成反比。隨著齡期延長，泡沫輕質土中的水分繼續減少，毛細孔產生收縮應力，使泡沫輕質土處于收縮的狀態，并且隨著齡期延長，泡沫輕質土的收縮值逐漸變大，當齡期到達19 d 時，泡沫輕質土的收縮趨于穩定狀態，收縮值變化很小。對比不同鋼渣摻量泡沫輕質土的收縮性能，可以發現，泡沫輕質土的收縮值與鋼渣摻量成正比，隨鋼渣摻量增加而逐漸增大。這是因為，隨著鋼渣取代水泥量增加，膨脹產物鈣礬石生成量減少，抵抗收縮的能力變弱。另外，隨著鋼渣摻量增加，泡沫輕質土早期固化孔結構能力減弱，連通孔增多，在干燥環境中，水分散失更快，從而導致泡沫輕質土收縮變大。

2.5 鋼渣摻量對泡沫輕質土耐水性的影響（見表5）

表5 鋼渣摻量對泡沫輕質土耐水性的影響

由表5 可知，泡沫輕質土在飽水狀態時強度較濕狀態下有所下降，并且強度下降的幅度與鋼渣摻量成正比，表現為水軟化系數逐漸減小。這是因為，鋼渣活性較低，鋼渣取代水泥量增加會導致磷石膏泡沫輕質土早期水化產物較少，結構較為疏松，同時磷石膏泡沫輕質土的凝結時間也會逐漸變長，泡沫輕質土內部有害孔越多，滲水孔道變多，從而使磷石膏泡沫輕質土更容易受到水的侵蝕，表現為吸水率逐漸增大和水軟化系數逐漸減小。

2.6 鋼渣摻量對泡沫輕質土抗凍性的影響（見表6）

表6 鋼渣摻量對泡沫輕質土抗凍性的影響

由表6 可知，摻鋼渣的磷石膏泡沫輕質土在凍融循環后強度均會有所下降，凍融后試塊強度隨鋼渣摻量變化規律與凍融前相同，說明凍融循環并未對試塊強度變化規律產生影響。在鋼渣摻量為7.5%（H3）時，凍融后與凍融前試塊抗壓強度均達到最佳，分別為4.09、4.65 MPa。隨著鋼渣摻量增加，泡沫輕質土的質量損失率和抗壓強度損失率均先減小后增大，且二者保持一致性，質量損失率越小，抗壓強度損失率也越小，在鋼渣摻量為7.5%時二者均達到最小值，分別為0.66%和12%。磷石膏泡沫輕質土的抗凍性與力學性能變化規律一致，說明對于磷石膏泡沫輕質土而言，力學性能是影響泡沫輕質土抗凍性的主要因素。

2.7 XRD 及SEM 分析

不同鋼渣摻量泡沫輕質土養護3、28 d 的XRD 圖譜見圖4。

圖4 不同鋼渣摻量泡沫輕質土的XRD 圖譜

由圖4 可知，鋼渣的摻入和摻量變化并沒有改變泡沫輕質土水化產物的種類，泡沫輕質土3、28 d 的結晶相均為鈣礬石和未反應完的磷石膏。對比不同齡期泡沫輕質土結晶相峰高可以發現，與養護3 d 時相比，養護28 d 的泡沫輕質土的結晶相中磷石膏含量減少，鈣礬石含量增多，說明在養護過程中，泡沫輕質土中的磷石膏繼續參加反應并生成了鈣礬石。

對鋼渣摻量為7.5%的泡沫輕質土進行微觀形貌分析，SEM 照片見圖5。

圖5 摻7.5%鋼渣泡沫輕質土的SEM 照片

由圖5 可知，泡沫輕質土的水化產物主要為C-S-H 凝膠和鈣礬石，未反應完的磷石膏填充在水化產物中，共同為泡沫輕質土提供強度。對比圖5（a）和（c）可知，早期鈣礬石形態主要為針狀，隨著水化反應進行，針狀鈣礬石含量減少，C-S-H凝膠和短柱狀鈣礬石含量增多，泡沫輕質土結構變得致密，強度提高。

3 結 論

（1）在流動性方面，隨著鋼渣摻量的增加，磷石膏泡沫輕質土流動性逐漸增大，在鋼渣摻量相同時，取代水泥時泡沫輕質土的流動性比取代礦粉時好；在力學性能方面，鋼渣取代水泥時，磷石膏泡沫輕質土的強度隨著鋼渣摻量增加先提高后降低，鋼渣取代礦粉時，泡沫輕質土的強度隨著鋼渣摻量增加而降低，因此鋼渣取代部分水泥的摻入方式最佳。

（2）通過XRD 和SEM 分析可知，鋼渣的摻入對磷石膏泡沫輕質土水化產物的類型并無影響，水化產物主要為C-S-H凝膠、針狀鈣礬石和短柱狀鈣礬石，隨著養護時間延長，泡沫輕質土中的磷石膏含量減少，短柱狀鈣礬石含量增多，但大部分磷石膏仍然是以填料的形式存在泡沫輕質土中。

（3）泡沫輕質土在干燥條件下會先膨脹然后收縮，其早期膨脹隨鋼渣摻量增加逐漸下降，其后期收縮隨鋼渣摻量增加逐漸上升。在耐水性能方面，隨著鋼渣摻量增加，泡沫輕質土水軟化系數逐漸減小。在抗凍性方面，隨著鋼渣摻量增加，泡沫輕質土抗壓強度損失率先減小后增大，影響泡沫輕質土抗凍性主要因素為力學性能。