碳化养护对磷石膏基复合胶凝材料力学性能与耐水性的影响及机理研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0384

摘要/Abstract

摘要：

磷石膏基材料耐水性差、强度不足，限制了其规模化资源利用。本文以半水磷石膏为主要原料，复掺水泥、粉煤灰和生石灰，制备磷石膏基复合胶凝材料（PGC），研究标准、水浴和碳化养护对PGC力学性能、耐水性及微观结构的影响。结果表明：PGC在三种养护条件下的28 d抗压强度均显著高于单一磷石膏体系，其中标准养护下抗压强度最高，达到33.78 MPa；碳化养护下PGC兼具较高强度和优良耐水性，28 d 抗压强度为27.68 MPa，抗压软化系数为1.0。TG-DTG、XRD、FTIR和SEM结果表明，水泥水化、粉煤灰-石灰火山灰反应及碳化沉积协同生成水化硅酸钙（C-S-H）、AFt和CaCO₃，CaCO₃主要沉积于晶体间隙、凝胶孔及局部微裂隙中，并与水化产物共同改善微观结构连续性。碳化养护可有效提升PGC的强度-耐水协同性能，可为磷石膏高值化利用、CO₂固封及低碳胶凝材料开发提供参考。

关键词: 磷石膏, 软化系数, 碳化养护, 抗压强度, 碳化沉积

Abstract:

Phosphogypsum-based materials have poor water resistance and insufficient strength， which limits their large-scale resource utilization. In this paper， phosphogypsum-based composite cementitious material （PGC） was constructed by using hemihydrate phosphogypsum as the main raw material， mixed with cement， fly ash and quicklime. The effects of standard， water bath and carbonation curing on the mechanical properties， water resistance and microstructure of PGC were studied. The results show that the 28 d compressive strength of PGC under three curing conditions is significantly higher than that of single phosphogypsum system， and the compressive strength under standard curing is the highest， reaching 33.78 MPa. Under carbonation curing， PGC has both high strength and excellent water resistance. The 28 d compressive strength is 27.68 MPa， the compressive softening coefficient is 1.0. The results of TGA， XRD， FTIR and SEM show that calcium silicate hydrate （C-S-H）， AFt and CaCO₃ are synergistically formed by cement hydration， fly ash-lime pozzolanic reaction and carbonation deposition. CaCO₃ is mainly deposited in crystal gaps， gel pores and local microcracks， and improves the continuity of microstructure together with hydration products. Carbonation curing can effectively improve the strength-water resistance synergy of PGC， which can provide reference for high-value utilization of phosphogypsum， CO₂ sequestration and development of low-carbon cementitious materials.

Key words: phosphogypsum, softening coefficient, carbonation curing, compressive strength, carbonation deposition

中图分类号:

TU526

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图/表 9

表1 HPG、水泥和FA的化学成分

Table 1 Chemical composition of HPG， cement and FA

Material	Mass fraction/%
Material	CaO	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	MgO	SO₃	Na₂O	Cl^-	P₂O₅	K₂O	TiO₂	SrO	Other
HPG	41.31	3.55	0.50	0.15	0.03	52.97	0.10	0.01	0.89	0.10	0.07	0.15	0.17
Cement	63.40	20.16	4.68	3.51	4.04	2.30	0.71	0.05	—	—	—	—	1.15
FA	4.33	46.26	42.30	3.33	0.51	0.62	0.24	0.02	0.25	0.55	1.24	0.07	0.28

图1 原材料的宏观形貌和微观结构

Fig.1 Macroscopic morphology and microstructure of raw materials

表2 配合比设计

Table 2 Mix ratio design

Sample No.	Mass fraction/%				Water-solid mass ratio	Curing method
Sample No.	HPG	Cement	FA	Quicklime	Water-solid mass ratio	Curing method
PG-1	100.0	—	—	—	0.3	Standard curing
PG-2	100.0	—	—	—	0.3	Water bath curing
PG-3	100.0	—	—	—	0.3	Carbonation curing
PGC-1	60.0	22.4	9.6	8.0	0.3	Standard curing
PGC-2	60.0	22.4	9.6	8.0	0.3	Water bath curing
PGC-3	60.0	22.4	9.6	8.0	0.3	Carbonation curing

图2 PG体系和PGC体系不同龄期的TG-DTG分析

Fig.2 TG-DTG analysis of PG and PGC systems at different curing ages

图3 PG体系和PGC体系28 d的FTIR及XRD分析

Fig.3 FTIR and XRD analysis of PG and PGC systems at 28 d

图4 PG体系和PGC体系7和28 d的力学性能分析

Fig.4 Mechanical properties analysis of PG and PGC systems at 7 and 28 d

图5 PG体系和PGC体系的耐水性和养护进程分析

Fig.5 Water resistance and curing process analysis of PG and PGC systems

图6 PG体系和PGC体系的SEM照片及EDS分析

Fig.6 SEM images and EDS analysis of PG and PGC systems

图7 PGC体系的抗压强度和耐水性对比分析

Fig.7 Comparative analysis of compressive strength and water resistance of PGC systems

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