碱当量对磷石膏-碱矿渣泡沫混凝土性能的影响

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0962

摘要/Abstract

摘要：

将磷石膏和矿渣用于制备泡沫混凝土，有利于固废的高效利用。本文固定CaO+Na₂CO₃为激发剂、磷石膏掺量为50%（质量分数），研究不同碱当量（2.5%、3.0%、3.5%和4.0%，质量分数）对磷石膏-碱矿渣泡沫混凝土（PAF）性能的影响，并结合XRD、TG-DTG、SEM和BSE分析水化产物与气孔特征。结果表明：随着碱当量从2.5%增至4.0%，PAF的流动度、湿密度、抗压强度和抗折强度均减小，而吸水率与干燥收缩增大；软化系数随着碱当量先增大后减小，在碱当量为3.0%时达到峰值，试样表现出最佳的耐水性能。当碱当量为3.0%时，体系中C-（A）-S-H凝胶与AFt晶体生成量最多且分布均匀，孔径最小，圆度最接近1，形成致密连续的微观结构，此时PAF有较高的力学性能、较低的吸水率与收缩变形，综合性能最优。本研究为磷石膏资源化利用及固废基泡沫混凝土的配合比优化提供了理论依据与技术支撑。

关键词: 磷石膏-碱矿渣泡沫混凝土, 碱当量, 干燥收缩, 平均圆度值, 软化系数, 耐水性能

Abstract:

The utilization of phosphogypsum and slag in the preparation of foam concrete is beneficial for the efficient use of solid wastes. In this study， CaO+Na₂CO₃ was fixed as activator， the phosphogypsum content was 50% （mass fraction）. The effects of different alkali equivalents （2.5%， 3.0%， 3.5%， and 4.0%， mass fraction） on properties of phosphogypsum-alkali-activated slag foam concrete （PAF） were investigated. The hydration products and pore characteristics were analyzed by XRD， TG-DTG， SEM and BSE. The results show that as the alkali equivalent increases from 2.5% to 4.0%， the fluidity， wet density， compressive strength and flexural strength of PAF decrease， while the water absorption and drying shrinkage increase. The softening coefficient increases first and then decreases， reaching a peak at 3.0%， indicating the best water resistance of sample. When the alkali equivalent is 3.0%， the formation of C-（A）-S-H gel and AFt crystals is maximized and uniformly distributed， the pore size is minimal， and the roundness approaches 1， forming a dense and continuous microstructure. Under this condition， PAF exhibits higher mechanical properties， lower water absorption， and reduced shrinkage deformation， resulting in the optimal overall performance. This study provides a theoretical basis and technical support for the resource utilization of phosphogypsum and the mix proportion optimization of solid-waste-based foamed concrete.

Key words: phosphogypsum-alkali-activated slag foam concrete, alkali equivalent, drying shrinkage, average roundness value, softening coefficient, water resistance

中图分类号:

TU528

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图/表 17

表1 原状磷石膏的主要化学成分

Table 1 Main chemical composition of undisturbed PG

Composition	Na₂O	MgO	Al₂O₃	SiO₂	P₂O₅	SO₃	K₂O	CaO	Cl	Fe₂O₃	F
Mass fraction/%	0.26	0.11	0.38	3.63	1.26	56.81	0.10	35.95	0.03	0.23	1.11

表2 矿渣的性能指标

Table 2 Property index of slag

Density/（g·cm^-3）	Specific surface area/（m²·kg^-1）	7 d activityindex/%	28 d activityindex/%	Mobilityratio/%	Moisturecontent/%	Loss onignition/%
3.10	429.00	84.20	98.50	98.00	0.25	1.24

图1 矿渣的粒径分布

Fig.1 Particle size distribution of slag

图2 矿渣的XRD谱

Fig.2 XRD pattern of slag

表3 不同碱当量PAF的配合比

Table 3 Mix proportion of PAF with different alkali equivalents

Sample	Mix proportion/kg
Sample	PG	CaO	Na₂CO₃	Water reducer	Coagulant	Water	Foaming agent
A2.5	500	11.3	21.4	5	30	500	281.4
A3.0	500	13.4	25.7	5	30	500	281.4
A3.5	500	15.8	29.9	5	30	500	281.4
A4.0	500	18.1	34.2	5	30	500	281.4

图3 不同碱当量PAF的XRD谱

Fig.3 XRD patterns of PAF with different alkali equivalents

图4 不同碱当量PAF的TG-DTG曲线

Fig.4 TG-DTG curves of PAF with different alkali equivalents

表4 基于TG曲线计算的PAF在不同温度区间内的质量损失

Table 4 Mass loss of PAF in different temperature ranges calculated based on TG curves

Sample	Mass loss/%
Sample	△m₁	△m₂	△m₃	Total
A2.5	1.77	3.75	1.23	9.90
A3.0	9.90	7.99	0.97	27.22
A3.5	11.25	5.99	1.20	29.03
A4.0	4.84	6.78	1.77	20.16

图5 不同碱当量PAF水化产物的SEM照片

Fig.5 SEM images of hydration products of PAF with different alkali equivalents

图6 不同碱当量PAF的气孔断面图

Fig.6 Porosity profile of PAF with different alkali equivalents

表5 不同碱当量PAF的气孔参数

Table 5 Porosity parameters of PAF with different alkali equivalents

Sample	Porosity/%	Porosity（d≤50 μm）/%	Porosity（50 μm<d<100 μm）/%	Porosity（d≥100 μm）/%	Averagepore size/μm	Average roundnessvalue
A2.5	34.24	33.79	0.34	0.10	11.42	1.99
A3.0	51.00	50.29	0.56	0.15	7.66	1.88
A3.5	57.51	55.55	0.98	0.98	15.92	2.67
A4.0	65.85	63.35	1.98	0.46	17.35	3.07

图7 不同碱当量PAF的流动度和湿密度

Fig.7 Fluidity and wet density of PAF with different alkali equivalents

图8 不同碱当量PAF的抗压强度和抗折强度

Fig.8 Compressive strength and flexural strength of PAF with different alkali equivalents

图9 不同碱当量PAF的软化系数

Fig.9 Softening coefficient of PAF with different alkali equivalents

图10 不同碱当量PAF耐水性能的影响因素

Fig.10 Influence factors of water resistance of PAF with different alkali equivalents

图11 不同碱当量PAF的干燥收缩

Fig.11 Drying shrinkage of PAF with different alkali equivalents

图12 不同碱当量PAF干燥收缩的影响因素

Fig.12 Influence factors of drying shrinkage of PAF with different alkali equivalents

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