湿磨碳化钢渣对磷建筑石膏性能及微观结构的影响

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0031

摘要/Abstract

摘要：

面向建材低碳转型及固废资源化利用需求，本文提出采用湿磨碳化钢渣改性低碳磷建筑石膏，构建新型高性能石膏胶凝材料。结果表明，经过碳化处理的钢渣，对磷建筑石膏的工作性能与耐水性能均有明显的改善作用，且可通过增加湿磨碳化时间降低其对力学性能的劣化作用。碳化60 min钢渣的综合效果最优，在保证工作性能与力学性能的同时，使磷建筑石膏耐水性能得到了较大的改善。体系中形成了CaCO₃与二水硫酸钙（CaSO₄·2H₂O）“双晶相”复合结构，对石膏力学性能有一定的负面作用，但起到了保护石膏晶体结构、增加其耐水性能的作用。

关键词: 磷建筑石膏, 碳化钢渣, 工作性能, 力学性能, 微观结构

Abstract:

This study addressed the needs of low-carbon development in building materials and solid waste resource utilization by proposing the use of wet grinding carbonized steel slag-modified low-carbon beta-hemihydrate phosphogypsum to develop a novel high-performance low-carbon gypsum cementitious material. Results demonstrate that wet grinding carbonized steel slag significantly improves both the working properties and water resistance of beta-hemihydrate phosphogypsum， with mechanical properties degradation mitigated by extended carbonization time. The system carbonized for 60 min exhibits optimal comprehensive performance， maintaining working and mechanical properties while achieving substantial enhancement in water resistance. The formation of “dual-phase” composite structures between CaCO₃ and calcium sulfate dihydrate （CaSO₄·2H₂O） exerts a certain negative effect on gypsum’s mechanical properties， yet effectively protects its crystal structure and enhances water resistance.

Key words: beta-hemihydrate phosphogypsum, carbonized steel slag, working property, mechanical property, microstructure

中图分类号:

TU52

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图/表 19

表1 β-HPG和SS的化学组成

Table 1 Chemical composition of β-HPG and SS

Raw material	Mass fraction/%
Raw material	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	SO₃	CaO	MgO	P₂O₅	F	Loss
β-HPG	7.56	0.51	0.18	42.40	36.48	0.02	1.04	1.22	10.49
SS	13.40	6.32	16.83	—	52.80	3.87	0.93	—	5.85

表2 β-HPG的物理力学性能

Table 2 Physical and mechanical properties of β-HPG

Setting time/min		Compressive strength/MPa
Initial setting	Final setting	2 h	Dry
3.4	8.8	4.6	10.5

图1 β-HPG和SS的粒度分布曲线

Fig.1 Particle size distribution curves of β-HPG and SS

图2 β-HPG和SS的XRD谱

Fig.2 XRD patterns of β-HPG and SS

图3 β-HPG和SS的SEM照片

Fig.3 SEM images of β-HPG and SS

图4 不同碳化时间下SS的pH值

Fig.4 pH value of SS with different carbonization time

图5 不同碳化时间下SS的粒径分布

Fig.5 Particle size distribution of SS with different carbonization time

图6 不同碳化时间下SS的热重分析曲线

Fig.6 Thermogravimetric analysis curves of SS with different carbonization time

表3 不同碳化时间下SS的固碳率

Table 3 Carbon sequestration rate of SS with different carbonization time

Carbonization time/h	0.5	1.0	3.0	5.0
Carbon sequestration rate/%	14.19	17.51	16.96	18.69

表4 配合比

Table 4 Mix proportion

Sample	Mass fraction/%			W/B
Sample	β-HPG	SS	PCE	W/B
CSS-T0-20%	80	20	0.5	0.50
CSS-T30-20%	80	20	0.5	0.50
CSS-T60-20%	80	20	0.5	0.50

表5 不同碳化程度SS浆料作用下复合体系流动度参数

Table 5 Flowability parameters of composite system of SS slurries with different carbonization degrees

Sample	Fluidity/mm	Initial setting time/min	Final setting time/min
CSS-T0-20%	210	5	17
CSS-T30-20%	265	9	15
CSS-T60-20%	255	7	14

图7 不同碳化程度SS对β-HPG抗压强度的影响

Fig.7 Effect of SS with different carbonization degrees on compressive strength of β-HPG

图8 不同碳化程度SS对β-HPG吸水率和软化系数的影响

Fig.8 Effect of SS with different carbonization degrees on water absorption rate and softening coefficient of β-HPG

图9 不同碳化程度SS作用下试样的XRD谱

Fig.9 XRD patterns of samples with SS under different carbonization degrees

图10 不同碳化程度SS作用下试样的热重分析曲线

Fig.10 Thermogravimetric analysis curves of samples with SS under different carbonization degrees

表6 不同碳化程度SS作用下试样的热分析数值

Table 6 Thermal analysis data of samples with SS under different carbonization degrees

Sample	Mass loss rate/%
Sample	At 50~200 ℃	At 400~500 ℃	At 520~800 ℃	Total
CSS-T0-20%	15.75	0.06	2.51	19.13
CSS-T30-20%	15.25	0.16	4.38	21.51
CSS-T60-20%	15.05	0.29	4.29	20.93

图11 不同碳化程度SS作用下试样的FT-IR谱

Fig.11 FT-IR spectra of samples with SS under different carbonization degrees

图12 不同碳化程度SS作用下试样的SEM照片

Fig.12 SEM images of samples with SS under different carbonization degrees

图13 不同碳化程度SS对试样孔隙结构的影响

Fig.13 Effect of SS with different carbonization degrees on pore structure of samples

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