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(shè)集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430050；2.武漢理工大學(xué)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(shè)計研究院有限公司，浙江杭州 310022）

0 引 言

鋼渣是冶金行業(yè)的副產(chǎn)物，其排放量占鋼鐵產(chǎn)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(yè)發(fā)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(tài)環(huán)境，其高附加值建材化有利于提高資源的循環(huán)利用率并減少環(huán)境污染。

磷石膏是濕法生產(chǎn)磷酸過程中的副產(chǎn)物，通常每生產(chǎn)1 t磷酸就會產(chǎn)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(xiàn)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(zhì)土，既實現(xiàn)了固廢資源化利用，又減少了泡沫輕質(zhì)土中的水泥用量，推動了泡沫輕質(zhì)土的可持續(xù)發(fā)展。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：湖北亞東水泥有限公司產(chǎn)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(yùn)礦產(chǎn)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(tài)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(jīng)110 ℃烘干2 d，粉磨過篩而成。鋼渣（SS）：靈壽縣泰圳礦產(chǎn)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(xué)組成見表1。減水劑：江蘇蘇博特公司產(chǎn)聚羧酸系PC 減水劑，固含量40%，減水率25%。發(fā)泡劑：廣東首誠建設(shè)科技有限公司產(chǎn)，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(zé)任公司產(chǎn)，固含量35%，模數(shù)3.1，波美度40°Be。水：自來水。

表1 原材料的化學(xué)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(zhǔn)配合比，以外摻膠凝材料質(zhì)量的2.5%、模數(shù)為1.2的水玻璃為激發(fā)劑，減水劑摻量為膠凝材料質(zhì)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(zhì)土中，研究鋼渣摻量對泡沫輕質(zhì)土流動性能、力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性、耐水性能與抗凍性能的影響，其中泡沫由發(fā)泡劑與水按1∶100 質(zhì)量比在發(fā)泡機(jī)中制得。試驗配合比見表2。

表2 不同鋼渣摻量泡沫輕質(zhì)土配合比

1.3 試驗方法

1.3.1 泡沫輕質(zhì)土成型

按配合比稱量好粉料、減水劑、激發(fā)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(fā)劑溶液，攪拌得到混凝土漿體。采用發(fā)泡機(jī)進(jìn)行發(fā)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(zhì)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(yǎng)護(hù)48 h 拆模，拆模后的試塊套上保鮮袋密封，放入養(yǎng)護(hù)室[溫度（20±2）℃，相對濕度≥95%]養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期進(jìn)行測試。

1.3.2 測試及養(yǎng)護(hù)方法

（1）泡沫輕質(zhì)土的泡沫質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度和養(yǎng)護(hù)方法均按照CJJ/T 177—2012《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行；流動性按照J(rèn)GJ/T 341—2014《泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行測試。

（2）泡沫輕質(zhì)土的收縮性能按照J(rèn)TG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》進(jìn)行測試。但考慮到磷石膏泡沫輕質(zhì)土早期強(qiáng)度低的特性，過早拆模易使泡沫輕質(zhì)土試件折斷，因此澆模后的試件自然養(yǎng)護(hù)4 d 后拆模，然后放入20℃的水中養(yǎng)護(hù)2 d，取出后擦干表面水分，測量初始長度。隨后在前7 d 內(nèi)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(huán)試驗按照GB/T 11969—2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》進(jìn)行測試。將養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期的試件進(jìn)行15 次凍融循環(huán)，循環(huán)制度為凍8 h，融6 h。

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

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼渣摻量對泡沫輕質(zhì)土流動性的影響（見表3）

表3 鋼渣摻量對泡沫輕質(zhì)土流動性的影響

由表3 可知，泡沫輕質(zhì)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(zhì)土中，泡沫摻量較少，影響泡沫輕質(zhì)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)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(zhì)土流動性較高。

2.2 鋼渣摻量對泡沫輕質(zhì)土抗折強(qiáng)度的影響（見圖1）

圖1 鋼渣摻量對泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖1 可知：

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

（2）鋼渣取代礦粉會降低泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度，當(dāng)鋼渣摻量由0 增加到20%時，泡沫輕質(zhì)土的28 d 抗壓強(qiáng)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(zhì)土強(qiáng)度主要來源之一，礦粉摻量減少，體系中鋁相減少，水化產(chǎn)物鈣礬石生成量減少，泡沫輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)變得疏松，從而抗壓強(qiáng)度下降。

對比鋼渣作為摻合料的2 種摻入方式發(fā)現(xiàn)，鋼渣取代水泥對磷石膏泡沫輕質(zhì)土的力學(xué)性能有提升作用，鋼渣取代礦粉對磷石膏泡沫輕質(zhì)土的力學(xué)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(zhì)土性能的影響

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

圖2 水膠比對泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響

表4 水膠比對泡沫輕質(zhì)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(zhì)土的流值由160 mm 增加到208 mm，為控制泡沫輕質(zhì)土流值為160~200 mm 以滿足路基填筑對泡沫輕質(zhì)土流動性能的要求，應(yīng)控制泡沫輕質(zhì)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(zhì)土的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，在水膠比為0.34 時28 d 抗壓強(qiáng)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(wěn)泡時間產(chǎn)生影響，當(dāng)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(dǎo)致泡沫水膜變薄，穩(wěn)泡時間縮短；當(dāng)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(zhì)土上層強(qiáng)度低，下層強(qiáng)度高，從而影響泡沫輕質(zhì)土的整體強(qiáng)度。

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

2.4 鋼渣摻量對泡沫輕質(zhì)土收縮性能的影響（見圖3）

圖3 鋼渣摻量對泡沫輕質(zhì)土收縮性能的影響

由圖3 可知，在干燥環(huán)境下，泡沫輕質(zhì)土內(nèi)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(zhì)土早期處于膨脹狀態(tài)，其膨脹值大小與鋼渣摻量成反比。隨著齡期延長，泡沫輕質(zhì)土中的水分繼續(xù)減少，毛細(xì)孔產(chǎn)生收縮應(yīng)力，使泡沫輕質(zhì)土處于收縮的狀態(tài)，并且隨著齡期延長，泡沫輕質(zhì)土的收縮值逐漸變大，當(dāng)齡期到達(dá)19 d 時，泡沫輕質(zhì)土的收縮趨于穩(wěn)定狀態(tài)，收縮值變化很小。對比不同鋼渣摻量泡沫輕質(zhì)土的收縮性能，可以發(fā)現(xiàn)，泡沫輕質(zhì)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(chǎn)物鈣礬石生成量減少，抵抗收縮的能力變?nèi)?。另外，隨著鋼渣摻量增加，泡沫輕質(zhì)土早期固化孔結(jié)構(gòu)能力減弱，連通孔增多，在干燥環(huán)境中，水分散失更快，從而導(dǎo)致泡沫輕質(zhì)土收縮變大。

2.5 鋼渣摻量對泡沫輕質(zhì)土耐水性的影響（見表5）

表5 鋼渣摻量對泡沫輕質(zhì)土耐水性的影響

由表5 可知，泡沫輕質(zhì)土在飽水狀態(tài)時強(qiáng)度較濕狀態(tài)下有所下降，并且強(qiáng)度下降的幅度與鋼渣摻量成正比，表現(xiàn)為水軟化系數(shù)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(dǎo)致磷石膏泡沫輕質(zhì)土早期水化產(chǎn)物較少，結(jié)構(gòu)較為疏松，同時磷石膏泡沫輕質(zhì)土的凝結(jié)時間也會逐漸變長，泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部有害孔越多，滲水孔道變多，從而使磷石膏泡沫輕質(zhì)土更容易受到水的侵蝕，表現(xiàn)為吸水率逐漸增大和水軟化系數(shù)逐漸減小。

2.6 鋼渣摻量對泡沫輕質(zhì)土抗凍性的影響（見表6）

表6 鋼渣摻量對泡沫輕質(zhì)土抗凍性的影響

由表6 可知，摻鋼渣的磷石膏泡沫輕質(zhì)土在凍融循環(huán)后強(qiáng)度均會有所下降，凍融后試塊強(qiáng)度隨鋼渣摻量變化規(guī)律與凍融前相同，說明凍融循環(huán)并未對試塊強(qiáng)度變化規(guī)律產(chǎn)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(qiáng)度均達(dá)到最佳，分別為4.09、4.65 MPa。隨著鋼渣摻量增加，泡沫輕質(zhì)土的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率均先減小后增大，且二者保持一致性，質(zhì)量損失率越小，抗壓強(qiáng)度損失率也越小，在鋼渣摻量為7.5%時二者均達(dá)到最小值，分別為0.66%和12%。磷石膏泡沫輕質(zhì)土的抗凍性與力學(xué)性能變化規(guī)律一致，說明對于磷石膏泡沫輕質(zhì)土而言，力學(xué)性能是影響泡沫輕質(zhì)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(zhì)土養(yǎng)護(hù)3、28 d 的XRD 圖譜見圖4。

圖4 不同鋼渣摻量泡沫輕質(zhì)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(zhì)土水化產(chǎn)物的種類，泡沫輕質(zhì)土3、28 d 的結(jié)晶相均為鈣礬石和未反應(yīng)完的磷石膏。對比不同齡期泡沫輕質(zhì)土結(jié)晶相峰高可以發(fā)現(xiàn)，與養(yǎng)護(hù)3 d 時相比，養(yǎng)護(hù)28 d 的泡沫輕質(zhì)土的結(jié)晶相中磷石膏含量減少，鈣礬石含量增多，說明在養(yǎng)護(hù)過程中，泡沫輕質(zhì)土中的磷石膏繼續(xù)參加反應(yīng)并生成了鈣礬石。

對鋼渣摻量為7.5%的泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行微觀形貌分析，SEM 照片見圖5。

圖5 摻7.5%鋼渣泡沫輕質(zhì)土的SEM 照片

由圖5 可知，泡沫輕質(zhì)土的水化產(chǎn)物主要為C-S-H 凝膠和鈣礬石，未反應(yīng)完的磷石膏填充在水化產(chǎn)物中，共同為泡沫輕質(zhì)土提供強(qiáng)度。對比圖5（a）和（c）可知，早期鈣礬石形態(tài)主要為針狀，隨著水化反應(yīng)進(jìn)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(zhì)土結(jié)構(gòu)變得致密，強(qiáng)度提高。

3 結(jié) 論

（1）在流動性方面，隨著鋼渣摻量的增加，磷石膏泡沫輕質(zhì)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(zhì)土的流動性比取代礦粉時好；在力學(xué)性能方面，鋼渣取代水泥時，磷石膏泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)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(zhì)土的強(qiáng)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(zhì)土水化產(chǎn)物的類型并無影響，水化產(chǎn)物主要為C-S-H凝膠、針狀鈣礬石和短柱狀鈣礬石，隨著養(yǎng)護(hù)時間延長，泡沫輕質(zhì)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(zhì)土中。

（3）泡沫輕質(zhì)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(zhì)土水軟化系數(shù)逐漸減小。在抗凍性方面，隨著鋼渣摻量增加，泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度損失率先減小后增大，影響泡沫輕質(zhì)土抗凍性主要因素為力學(xué)性能。