稻草纤维+矿渣微粉增强磷石膏基材料性能的研究

徐庆祥 仇建宇 李文松 熊芷莹

（贵州师范大学磷石膏基复合材料与建筑工程学院，贵州 贵阳 550025）

0 引言

磷石膏的长期大量堆放，特别是经过雨水浸泡以后，其中的重金属、氟化物等有害杂质会以水体为介质在环境之中传递，引起水系以及土壤的污染[1]。据统计，到2019年，我国磷石膏的新增堆存量仍然保持在45Mt/a左右，依旧存在较大的环境风险和堆存压力[2]。纤维有增韧、增强和阻裂的作用，而对于稻草纤维，因其来源广泛，相对质量较轻，拥有一定的韧性，呈现条状的线性结构[3]，而直接焚烧会带来大气污染和浪费，近年来相关人员对其有效利用进行了大量的研究。Huangy[4]等以磷石膏-矿渣-石灰-水泥体系胶凝磷石膏基复合材料制作试件，经过测试，试件在90℃蒸汽养护7h后自然养护7d的抗压强度达到15.6MPa。张学元[5]等从轻骨料混凝土拉压比、抗冲击强度分析稻草纤维的增韧效果，结果表明，稻草纤维提高轻骨料混凝土拉压比的效果与其他纤维相近，且改性后提高抗冲击强度效果显著。

笔者在前人研究的基础上，将矿渣微粉、磷建筑石膏、稻草纤维3种材料进行配比，即以磷建筑石膏为基体，加入矿渣作为增强磷石膏基复合材料，以生石灰作为碱性激发剂，再加入稻草纤维，通过研究矿渣微粉以及稻草纤维还有生石灰的掺量对磷石膏材料性能影响的情况，探索一种能够满足建筑行业使用要求的矿渣增强稻草纤维磷石膏基复合材料。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

磷建筑石膏：取自贵州开来绿色建筑磷石膏基复合材料公司，外观为灰白色粉末状，β半水石膏含量为80%，细度（方孔筛余）为4.7%，初凝时间6min，终凝时间13.5min。

稻草：取贵阳地区出产的稻草秸秆，表面色泽明亮，内部无腐烂发霉情况。

矿渣微粉：取自河北某矿场S95型矿渣微粉，表面呈白色粉末状，比表面积为452.3m2/kg，测定密度为2.86g/cm2，具体成分如表1所示。

表1 矿渣微粉成分（单位：%）

NaOH溶液：原状为白色片状晶体，取自河北庆兴化工产品有限公司。通过加水配置的体积分数5%NaOH溶液。

生石灰：取自四川重庆天阳建材公司，纯度99%以上。

缓凝剂：取自北京万图科技有限公司，类型为蛋白类石膏缓凝剂，表面呈灰白色粉末状，软化系数0.2~0.5。

1.2 试件制备

将遴选后的稻草进行剪切或者粉碎后浸入5%NaOH溶液12h后取出，干燥水洗，测定pH酸碱度为6左右，晾干备用。为了增加对磷石膏的利用效率，在磷石膏基复合材料制备中，石膏的使用量应适量提高，控制在50%以上。矿渣掺入过多增加磷石膏复合材料比重，使磷石膏基复合材料密度增大，导致比热系数增大[6]，故而将矿渣控制在40%以内。生石灰的掺入会增加OH-的含量，促进钙矾石生成，增加膨胀应力，膨胀应力过大时容易产生裂隙[7]，故而生石灰的掺量控制在2%～6%以内。稻草纤维的掺量控制在10%以内，长度为0.5~4.5cm。

试件参照《水泥胶砂强度检验方法》（GBT 17671）进行制取，需注意以下要点：

严格按照设计要求设计磷石膏基复合材料配合比进行实验，室内湿度为50%左右，温度为20±1℃。搅拌时，先将缓凝剂放入称量好的水中，用玻璃棒充分搅拌。使得缓凝剂充分融入水中。然后将处理好的磷石膏粉末倒入搅拌锅，经过60s搅拌初步均匀后，将浸润湿透的稻草均匀放入参与搅拌90s至各成分完全均匀。然后装入模具，放在振捣台上进行振捣。振捣前，用插捣棒均匀插捣60次，然后进行振捣，抹平后覆盖上塑料薄膜，防止水分快速蒸发流失，保持试模湿度。24h后拆除试模，将试件置放于湿度为90%、20℃恒温恒湿条件下进行养护。

1.3 测试方法

1.3.1 表观密度及吸水率

参照标准《排水法测定材料密度》（GB/T 134772-2022）测定试件表观密度，参照《纸面石膏板表面吸水率测定方法》（GB/T 9775-2008）测定材料吸水率。

1.3.2 抗压/抗折强度

试件参照《水泥胶砂强度检验方法》（GBT 17671）进行强度检验。

1.3.3 相关性分析

在上述单因素试验的基础上选取矿渣含量、生石灰掺量、纤维掺量、纤维长度4个因素作为试验因素，磷石膏基复合胶凝材料表观密度、吸水率、抗压及抗折性能为响应值，用SPSSAU进行数据处理，进行相关性分析。

2 试验结果与分析

2.1 对磷石膏基复合材料密度的影响

各因素改变对表观密度的影响试验结果如表2所示，矿渣和生石灰的增加，增大了磷石膏基复合材料样品的密度。当矿渣掺量从10%增加到30%的时候，密度从1122.42kg/m3增加到1496.37kg/m3，增量为24.98%；随着生石灰从2%增加到6%，试件密度从1286.34kg/m3增加到1336.26kg/m3，增量为24.98%。稻草纤维掺量的增加，降低了试件的密度。随着稻草纤维的增加，密度呈曲线下降，且当纤维的含量逐渐增大，其密度改变的速率逐渐加快，当稻草纤维掺量达到10%时，试件的密度下降到1119.72kg/m3。稻草纤维长度在0.5~1.5cm之间时，对于密度影响较大，稻草纤维长度在1.5~4.5cm之间时，稻草纤维的长度变化对于试件的密度无明显改变。

表2 各因素改变对表观密度的影响试验结果

在以生石灰作为碱性激发剂的条件下，矿渣水化生成C-S-H，然后部分C-S-H与磷建筑石膏水化物二水硫酸钙（2.32g/cm3）生成钙矾石，钙矾石的密度小于二水硫酸钙（1.73g/cm3）的密度，但是未参与生成钙矾石的部分，密度大于钙矾石与二水硫酸钙。随着矿渣的增加，C-S-H生成量增加，故而试件密度先缓慢增长，然后逐渐加快。随着生石灰的增加，其碱激发作用加强，分离出的OH-增加，促进钙矾石的生成，从而一定程度降低了表观密度。由于稻草纤维的密度较小，随着稻草纤维增量的不断加大，其体积不断增大，材料密度减小。同时因为稻草纤维具有亲水性，使得磷石膏基复合材料内部的水分增加，试件成型后，随着自由水的流失，使得磷石膏基复合材料的内部孔隙率增加，减小磷石膏基复合材料密度。

2.2 对磷石膏基复合材料吸水率的影响

各因素改变对吸水率影响试验结果,如表3，矿渣掺量的增加，降低了样品的吸水率，随着矿渣从10%增加到30%，试件的吸水率从22.45%降低到12.32%，减少了44.90%。在试验条件下，随着生石灰的比例不断上升，试件的吸水率从22.45%降低到12.32%，减少量为44.90%。稻草纤维掺量的增加，增加了试件的吸水率随着稻草纤维的增加，吸水率呈曲线上升，且当纤维的含量逐渐增大，其吸水率改变的速率逐渐加快，当稻草纤维掺量达到10%时，试件的吸水率上升到23.59%。稻草纤维长度在0.5~1.5cm之间时，吸水率较小，稻草纤维长度在1.5~4.5cm之间时，稻草纤维的长度对于试件的吸水率无明显改变。

表3 各因素改变对吸水率影响试验结果

C-S-H凝胶的生成，减少了水的蒸发作用，而随着钙矾石带来的体积膨胀，填充磷石膏基复合材料内部部分孔隙，降低孔隙率，试件的密实度得到增长，吸水率降低。稻草纤维作为一种常见的植物纤维，其主要成分为纤维素，其亲水性较强，从而影响基体界面和纤维本身的耐久性[8]。同时，稻草纤维具有亲水性，使得磷石膏基复合材料内部的水分增加，试件成型后，随着自由水的不断蒸发，使得磷石膏基复合材料的内部孔隙率增加。当稻草纤维长度<1cm时，其与水的接触面较大，且更容易在磷石膏基复合材料内部离散分布，减少了交叉等情况产生的孔隙，降低材料的吸水率。

2.3 对磷石膏基复合材料力学性能的影响

试验结果如图1～图4所示。

2.3.1 磷石膏基复合材料的抗折强度

由图1可知，矿渣比例的增加，使得磷石膏基复合材料的抗折强度以及抗压强度得以增强。随着矿渣比例从10%增加到30%，磷石膏基复合材料的抗折强度从4.60MPa增加到8.70MPa，增长率为89.13%，抗折强度增长速率由平缓逐渐加快。由图2可知，生石灰的加入对于磷石膏基复合材料的强度有增强作用，当生石灰的掺量为3%时，磷石膏基复合材料的抗折强度达到最大值9.5MPa。由图3可知，当稻草纤维增加到4%时，试件的抗折强度达到最大值7.8MPa，然后逐渐降低。由图4可知，当稻草纤维的长度在1.5～4.5cm之间变化时，对于材料的影响并不明显，而长度在0.5cm左右碎末状变为4.5cm长条状时，抗折强度则从6.5MPa增加到7.5MPa。

分析其原因可能是胶凝磷石膏基复合材料内部矿渣水化生成的絮状C-S-H凝胶包覆住CaSO4·2H2O以及AFt晶体，形成密实的网络结构[9]，使得磷石膏基复合材料抗折性能增加。生石灰的加入，为矿渣的水化提供了碱性条件，使矿渣的活性得以激发，水化生成C-S-H凝胶，但是当生石灰的含量增多时，钙矾石的生成量也会提高[10]，其在磷石膏基复合材料内部产生的应力导致磷石膏基复合材料内部出现裂缝，降低了磷石膏基复合材料的抗折能力。由于稻草纤维在磷石膏基复合材料内部的复杂的网状分布，产生了桥梁搭接的功能，稻草纤维本身的韧性一方面抵消了一部分钙矾石的大量生成引起的膨胀应力；另一方面，对磷石膏基材料在受外荷载过程中起到牵拉作用，抵消一部分荷载。但是当稻草纤维含量过大，会使得磷石膏基复合材料其他材料的含量降低，减少C-A-H凝胶生成，使得磷石膏基复合材料力学性能下降。纤维掺量适量时（4%）时，其在磷石膏基复合材料内部分散较为均匀，对于荷载的传递和吸收作用随着纤维的增大而增大；但是当纤维掺量过大时，纤维容易成团、纠结，造成内部受力的不均匀，从而影响磷石膏基复合材料的性能。稻草纤维的掺量不变时，随着长度的增加，稻草纤维与磷石膏基C-S-H凝胶的接触面减少，以及稻草纤维在单位截面上的分布量减少，对抗折强度的增强能力下降。

2.3.2 对磷石膏基复合材料抗压强度的影响

不同因素对复合材料抗压强度的影响与对抗折强度的影响相似。由图1可知，随着矿渣掺量的增加，抗压强度从8.70MPa增长到17.70MPa，增量为103.45%，抗压强度增长速率由平缓逐渐加快。从图2可知，生石灰的加入对于磷石膏基复合材料的强度有增强作用，当生石灰的掺量为3%时，磷石膏基复合材料的抗压强度达到最大值18.3MPa，然后逐渐降低。由图3可知，当稻草纤维的掺量逐渐增加，试件的抗折强度在逐渐降低。由图4可知，当稻草纤维的长度在1.5～4.5cm之间变化时，对于材料的影响并不明显，而长度在0.5cm左右碎末状变为4.5cm长条状时，抗压强度则从19.3MPa减小到14.8MPa。

稻草纤维的增加，虽然一定程度减少了材料的膨胀应力，但会让磷石膏基复合材料其他组成部分的含量降低，使得磷石膏基复合材料抗压性能下降。随着稻草纤维的长度增加，抗压强度由17.3MPa减小到14.8MPa，可能是由于稻草纤维的长度增加，搅拌时磷石膏基材料内部容易呈团、纠结，使得材料内部产生受力弱点。

2.4 相关性分析

由表4可知，稻草纤维掺量、矿渣掺量、石灰掺量、稻草纤维长度对磷石膏基复合材料的表观密度的影响有如下关系：稻草纤维掺量＞矿渣掺量＞石灰掺量＞稻草纤维长度;对吸水率、抗折强度、抗压强度的影响如下：矿渣掺量＞稻草纤维掺量＞生石灰掺量。由表4可知，稻草纤维长度与吸水率、抗折强度、抗压强度之间的相关系数分别为0.564、0.149、-0.603，接近于0，且p值分别为0.322、0.811、0.281，皆大于0.05，说明稻草纤维长度与吸水率、抗折强度、抗压强度之间无显著的相关关系。

表4 Pearson相关-详细格式

3 结束语

（1）加入矿渣，改善了磷石膏基复合材料的吸水率以及力学性能。适量的稻草纤维的掺入会增加磷石膏基复合材料在抗折方面的性能，同时减轻矿渣增加的自重。

（2）对材料表观密度影响的排序是：稻草纤维掺量＞矿渣掺量＞石灰掺量＞稻草纤维长度；对材料抗压强度及吸水率影响的排序是：矿渣掺量＞稻草纤维掺量＞生石灰掺量＞稻草纤维长度。

（3）对磷石膏基复合材料的耐久性以及抗冲击性能的影响以及各因素之间的相互影响还需要进一步探究。