高强高流态无水磷石膏基混凝土的开发与性能评估——绿色建材新突破

《Powder Technology》：Development and performance evaluation of high-strength and high-fluidity anhydrous phosphogypsum-based concrete

为解决传统水泥基混凝土高能耗、高污染问题，中南大学研究团队开发了新型无水磷石膏基混凝土(APC)。通过多尺度表征技术系统分析其水化机理，结果表明：掺加30%矿渣(GBFS)和10%普通硅酸盐水泥(OPC)的APC 28天抗压强度达79 MPa，弹性模量为5.14×104 MPa，碳排放降低56.6%，成本下降61.4%。该研究为工业固废资源化利用提供了创新路径。

　　

在建筑行业绿色转型的背景下，传统水泥基混凝土因高能耗、高污染问题日益凸显。普通硅酸盐水泥(OPC)生产每年消耗超过7亿吨石灰石，其碳排放约占全球总排放量的7%。与此同时，工业固废磷石膏的年产量超过2亿吨，历史堆存量超过60亿吨，其资源化利用成为研究热点。然而，磷石膏中含有的残余磷酸、氟化物等杂质导致材料强度低、耐水性差，难以满足结构混凝土对高强高流态的要求。

为突破这一技术瓶颈，中南大学土木工程学院的研究团队在《Powder Technology》上发表了创新性研究成果。他们通过600-800°C的煅烧脱水工艺将磷石膏转化为无水磷石膏(APG)，清除了90%以上的可溶性杂质，并通过晶体重构提升了胶凝活性。研究构建了APG-OPC-矿渣(GBFS)-电石渣(CCR)多组分协同体系，成功开发出兼具高强高流态特性的无水磷石膏基混凝土(APC)。

研究团队采用多学科交叉的研究方法，主要包括：流体性能测试（坍落度与扩展度测定）、力学性能测试（抗压强度、弹性模量等）、耐久性评估（收缩率、抗渗性、碳化性能）、多尺度表征技术（X射线衍射(XRD)、热重分析(TG)、扫描电镜(SEM)、压汞法(MIP)）以及环境安全评估（重金属浸出浓度、pH值测定）。这些方法的综合运用为全面评价APC性能提供了坚实的数据支撑。

性能表现

研究发现，当GBFS掺量达到30%时，APC初始坍落度为261 mm，初始扩展度为690 mm，超过CECS/T 566-2018标准对高流态混凝土的要求（坍落度≥200 mm，扩展度≥600 mm）。力学性能方面，G30P10组（30% GBFS+10% OPC）28天抗压强度达到79 MPa，弹性模量为5.14×10⁴ MPa，满足C60高强度混凝土标准。

收缩特性

APC的收缩行为呈现三阶段演化规律：早期（0-7天）快速收缩，中期（7-28天）缓慢积累，后期（>28天）趋于稳定。所有OPC含量≥5%的APC试件28天收缩率均小于0.05%，满足GB/T 11968-2020标准要求，表现出良好的体积稳定性。

耐水性能

随着GBFS掺量从10%增加到30%，APC的吸水率从3.05%降至0.74%，软化系数从0.585提升至0.896。当GBFS掺量为30%时，所有组别的软化系数均超过GB 8239-2014标准要求（≥0.85），显著改善了磷石膏基材料的耐水性问题。

气体渗透性

GBFS含量对APC气体渗透系数(K_t)影响显著。当OPC含量固定为10%时，GBFS掺量从10%增至30%可使K_t从7.68×10^-18 m²降至2.77×10^-18 m²，降幅达63.9%。与传统C40 OPC混凝土相比，APC具有更优异的气体阻隔性能。

碳化性能

碳化深度测试显示，当OPC含量为10%时，GBFS掺量从10%增至30%可使碳化深度从22.1 mm减至10.6 mm，碳化系数从0.76提升至1.03。GBFS的二次水化反应生成的C-S-H凝胶有效填充孔隙，阻碍CO₂侵入，显著提升了抗碳化能力。

水化产物与微观结构

XRD分析表明，随着GBFS替代率的增加，未反应的APG衍射峰强度降低，而钙矾石衍射峰强度增加。热重分析显示，GBFS掺量达到30%时，50-120°C温度区间的失重率显著增加，表明更多的C-S-H和钙矾石生成。扫描电镜观察发现，G30P10组形成了"刚性钙矾石/DG骨架-柔性C-S-H填充"的致密复合结构，这是其高性能的微观基础。

压汞法测试进一步揭示，G30P10组总孔隙率为6.64%，其中无害凝胶孔（<10 nm）占比21.75%，有害孔（>50 nm）占比47.79%，优化的孔结构是其高性能的关键。EDS元素分析显示，G30P10组中硅元素含量达到9.35%，且分布均匀，表明C-S-H凝胶生成充分，微观结构更加致密。

水化机理

APC体系呈现三阶段多组分协同反应特征：第一阶段OPC主要矿物水化形成C-S-H凝胶和钙矾石骨架；第二阶段GBFS在碱性环境下发生火山灰反应，生成二次C-S-H和补充性钙矾石；第三阶段APG在碱性环境中溶解度增加，水化生成二水石膏(DG)。这种多阶段协同反应构筑了APC独特的高性能微观结构。

环境安全与经济性

环境评估显示，APC的重金属和磷浸出浓度均符合标准要求，pH值维持在9.16-11.12的碱性范围。碳排放分析表明，APC的碳排放量比传统C60 OPC混凝土降低52%以上，碳排放指数(CI)最低仅为3.01 kg/m³/MPa。经济性方面，APC成本不足C60 OPC混凝土的70%，价格指数(PI)最低为4.04 CNY/MPa，降幅达38.6%。

研究结论表明，通过优化GBFS和OPC配比，APC成功实现了高流态和高强度的平衡。G30P10组不仅力学性能达到C60标准，还具有优异的耐久性和环境友好性。该研究为磷石膏等工业固废的资源化利用提供了创新解决方案，推动了绿色混凝土技术的发展，对建筑行业低碳转型具有重要意义。未来研究将聚焦于APC全尺寸构件的耐久性评价体系建立，进一步促进该技术的工程应用和产业化发展。