磷渣粉玻璃体微观分相及缓凝作用机理研究

Research about hybridization of crystallization and glass phase in phosphorus slag powder and the presence of phase separation had not been reported and no explicit explanation about retarding mechanism caused by phosphorus slag powder in cement-based material was revealed yet, restraining theoretical development of cement-based materials and application of phosphorus slag powder. With introduction of micro techniques such as FAM, TEM, XPS and Ramam spectrometer, this subject had investigated micro structure and hydration characteristics of cementitious system with incorporation of phosphorus slag powder considering roughness, pattern and defect degree on surface. It was designated to reveal hybridization of crystallization and glass phase and glass separation, obtain ions releasing law from glass phase in alkali solution, to be more specifically clarify Ca(OH)2 and C-S-H gel formation and growth being retarded in cement-based materials liquid and proclaim retarding mechanism of phosphorus slag powder on cement hydration. Launching such research was beneficial to enrich theoretic principle of cement-based materials and provide solid support for mass application of phosphorus slag powder.

目前有关磷渣粉结晶相与玻璃相的聚合形态及玻璃体是否存在分相的研究尚未见报道，磷渣粉应用于水泥基材料产生的"缓凝效应"作用机理尚不明确，成为掺磷渣粉复合水泥基材料理论研究和应用的重要瓶颈。本项目拟利用FAM、TEM、XPS和拉曼光谱分析仪等观测手段，综合考虑磷渣粉表面粗糙度、形貌和缺陷程度等因素，对磷渣粉的微观结构与掺磷渣粉水泥基材料水化特性进行系统研究，探明磷渣粉结晶相与玻璃相的聚合形态及玻璃体分相规律，掌握磷渣粉玻璃体在碱性环境中解聚、离子溶出规律，阐明磷渣粉延缓水泥基材料水化诱导期Ca(OH)2、C-S-H凝胶的成核与生长的本质，揭示磷渣粉玻璃体离子溶出对水泥基材料的缓凝作用机理，建立磷渣粉-水泥基材料的水化动力学模型，丰富复合水泥基材料理论基础，为磷渣粉大范围推广应用提供坚实技术支撑。

根据国家自然科学基金青年基金项目《磷渣粉玻璃体微观分相及缓凝作用机理研究》（51209022）任务书要求，长江科学院结合扫描电镜（SEM）、X-射线衍射（XRD）透射电镜（TEM）、微量热仪、综合热分析仪（DSC-TG）、拉曼光谱仪（RAMAN）等测试手段，研究了磷渣粉的玻璃体微观结构以及磷渣粉延缓水泥胶凝体系水化的作用机理。. 研究结果表明，磷渣粉是CaO-SiO2-Al2O3相矿物，结构中存在分布均匀的结晶环与线性位错、片层状表面台阶等不同形式的结构缺陷。磷渣中的铝主要以四配位存在，但也存在少量六配位铝；硅主要是单聚态存在，但也有高聚态硅存在。在300℃~500℃范围内，磷渣粉部分玻璃相发生了结构转变。. 磷渣粉中部分可溶性磷酸盐与难溶性氟盐通过延长水泥水化诱导期延缓水泥的凝结硬化。其中，易溶性磷酸盐是通过降低液相pH值、形成铝相水化产物以及硅酸盐固溶体等多重效应叠加，难溶性氟盐是通过与水泥颗粒表面水化产物的H+形成氢键产生的吸附效应，延缓水泥水化。掺入P2O5有利于促进各单矿在水化初期的强度增长，但会对水泥的水化起到相互阻碍的作用，降低水泥混合相的早期强度。根据磷渣粉活性激发效果，从好到差依次为：Ca(OH)2＞水泥＞水泥熟料。掺磷渣粉水泥胶凝体系各阶段的水化动力学机制与水泥类似，但磷渣粉的掺入会减小胶凝体系水化加速期与稳定期的水化反应阻力，提高各水化阶段的反应速率。