SA组分对提高脱硫建筑石膏耐水性的研究

摘要：本文以SA组分对脱硫β石膏进行改性，实验表明：SA的加入可以提高脱硫β石膏的水化活性，缩短脱硫β石膏的凝结时间，使试件的耐水性及强度均有较大幅度提高。通过控制SA在脱硫β石膏中的掺量,可以有效提高脱硫β石膏的多项性能，尤其是强度和耐水性。关键词：脱硫β石膏；强度；软化系数；耐水性引　言脱硫石膏是近年来国家强化对火力电厂二氧化硫排放控制，采用湿法脱硫工艺的副产品。截至2015年底,全国火电厂烟气脱硫装置投运容量超过8.2亿千瓦，其中采用湿法脱硫工艺的就占到92.8%以上。脱硫石膏迅速增长，其利用成为亟待解决的问题。利用工业副产脱硫石膏制备的石膏基材料。不仅具有一般的隔音、隔热、自动调节室内湿度等性能，而且不含有害组分，达到绿色环保、无毒、无害、无污染的效果[1]。但是石膏体材料耐水性差，限制了其应用领域。为进一步使电厂脱硫石膏得到妥善的处理和有效的综合利用，促进脱硫环保工业及其相关产业健康、快速发展，并节约天然石膏资源，有必要通过提高石膏制品耐水性以扩大石膏产制品应用范围。本文以脱硫β石膏为基材,加入SA组分，通过SA对脱硫石膏进行改性，试验调整脱硫石膏中SA掺量，得到脱硫石膏基胶凝材料的最佳配比，并利用SEM分析胶结料的水化过程和微观结构。1 原材料及试验方法1.1原材料脱硫石膏：本文采用的石膏原料是产自江苏省张家港市，经过脱水、干燥、陈化的脱硫β型石膏，其基本性能见表1；自配添加剂，主要有缓凝、保水和减水作用，掺量为脱硫石膏质量的1.0％；SA组分，自行配制；1.2 试验方法1.2.1试验配合比本次实验考察不同掺加量的SA对脱硫石膏水化产物耐水性能的影响。在脱硫石膏中分别掺入1%，2%，5%，8%，10%、15%、20% SA进行试验。分别测定标准稠度后，浇注成型出尺寸为40mm x 40mm x 160mm的标准试件，每个配合比成型6个试件，在实验室条件下自然养护3d后分别测试试件的抗压、抗折强度、吸水率、软化系数等基本物理性能。以上实验均按照GB9776—2008《建筑石膏》进行。对掺有SA和未掺SA的脱硫石膏试样微观形貌进行SEM电镜分析[5]。1.2.2测定方法在参考了目前多种试验方法的基础上，参照JC/T517－2004《粉刷石膏》标准中的龄期规定的基础上确立。（1）将石膏粉和添加组分混合均匀，按照标准扩散度用水量成型，一次需成型2组试件(每组40mm×40mm×160mm的试件三块）以便对比。（2）使用水泥胶砂搅拌机，先将称量好的水置于搅拌锅中，再将石膏和添加组分的混合粉体倒入，先慢搅2分钟，再快搅2分钟，再慢搅1分钟，装模后选用水泥胶砂振动台振动成型。（3）试件成型后放于试验室条件下，终凝后1小时后编号拆模。（4）第一组在（20±5）℃，湿度（60±5）％的试验条件下养护48h后称取每块试件的重量取平均值，记为mg，然后放入静止水槽中浸泡24h后再取出将试件表面的水分擦干，称取其重量取平均值，记为ms。第二组在（20±5）℃，湿度（60±5）％的试验条件下养护72h，两组同时测强度，浸水后的抗压强度记为fs，不浸水的抗压强度记为fg。1.2.3计算公式W＝(ms－mg)×100％/mgR＝fs/fgw—试件的吸水率（％）；R—试件的软化系数；ms—试件养护48h再浸水24h吸水后的重量（g）；mg—试件养护72h时的重量（g）；fs—试件养护48h再浸水24h后的抗压强度（MPa）；fg—试件养护72h后干燥状态的抗压强度（MPa）；1.2.4所用设备电子天平：量程2Kg，感量为0.01g；水槽，置于恒温恒湿室中，保证温度在20℃左右；软化系数测试中浸水前和浸水后的抗压强度的测试方法按GB/T17669.3《建筑石膏力学性能的测定》进行，设备要求详见标准中规定，但抗压夹具的承压面积应为40mm×40mm。2.试验结果与分析2.1 基本物理性能测试结果与分析在脱硫石膏中掺入2%、5%、8%、10%、15%、20%试样，其基本性能测试结果见表1。从表1中数据可以看出，掺入2%、5%、8%、10%、15%、20%SA的试样，其抗折、抗弯强度比没有添加SA的试样都得到了显著的提高，吸水率下降明显。由表1分别绘制SA对脱硫β石膏吸水率及软化系数、抗折强度、抗压强度影响的折线图，如图1、图2、图3所示。2.1.1抗折、抗压强度结果分析由图1可以看出，脱硫β石膏试样3d的抗折、抗压强度随SA掺量变化的规律相似。随着SA掺量的增加其强度增加，掺量超过10%后抗折、抗压强度都有下降趋势，SA掺量在10%左右时其抗折、抗压强度达到最大值。所以，加入一定量的含SA组分的外加剂，对于弥补缓凝组分引起的脱硫石膏强度的降低是非常有效果的[2]。比较图1的抗折、抗压强度随SA掺量增加而变化的折线的斜率，可见，对应的抗压折线斜率大于对应的抗折折线斜率，表明SA掺量的增加对抗压强度的增加效果更加显著。2.1.2 SA组分变化对脱硫β石膏耐水性影响石膏材料最突出的弱点是其制品耐水性差。主要原因是[4]：(1)在石膏料浆的搅拌过程中，掺入了远高于理论上半水石膏转变为二水石膏所需要的水量，在石膏浆体硬化后，多余的水分将从石膏硬化体中逸出，从而产生了大量的空隙和毛细孔，这些孔隙相互贯通，只要石膏硬化体表面接触到水分，水分就会很快渗透到其内部，并且水分可在石膏硬化体中反复改变方向进行迁移，导致石膏硬化体吸水率变大；(2)由于二水石膏(CaSO4·2H2O)在水中的溶解度与水泥石相比要大得多，从而使石膏硬化体的耐水性较差。上述原因使得石膏制品在某些场合中的应用受到了较大的限制。国内大多数研究成果的软化系数在0.8左右。本文中SA 组分的加入对于提高脱硫石膏的耐水性有非常显著的作用。试样3d软化系数及吸水率与SA掺量的关系如图2、3所示。从图2、3可看出，在SA掺量小于10%时，软化系数随SA掺量增加而增大，吸水率随SA掺量增加而减小；当掺量超过10%时，软化系数有所下降，吸水率有所增大。实验表明，SA掺量为10%时，脱硫β石膏制品的耐水性能最好。实验表明，掺加SA后使脱硫石膏试样的耐水性及强度均有提高，但并不是成正比增加。随SA增加，强度性能和耐水性指标上升到一定程度后，又出现了下降的趋势。由以上实验结果得出，SA的掺量控制在8%～12%范围内比较适宜，在此掺量范围内，脱硫石膏试样的性能能达到耐水高性能建筑材料的要求。2.2 掺入SA组分微观机理分析用SEM电镜观察SA掺量为10%脱硫石膏3d水化试样，可发现，掺入SA脱硫β石膏的水化产物中都夹杂着一些团聚状组织，看不出明显的晶体分布情况，说明晶体之间的搭接更加紧密，试样整体的孔洞减少；二水石膏结晶中存在大量的C-S-H凝胶，即水化硅酸钙。在以石膏为主的结晶结构网中，起到了填充的作用[3-5]。脱硫β石膏基胶凝材料水化时，由于各组分的水化反应速度不同，首先形成二水石膏结晶结构网，其次是SA各组分的水化，由于处在过饱和的石膏浆体中，SA的水化产物除水化硅酸钙凝胶、铝胶、铁胶外，大部分是高硫型的水化硫铝酸钙——钙矾石，而水化硅酸钙的溶解度仅为8x10-4mol/L，钙矾石的溶解度还要小（二水石膏溶解度约为2.08g/L，是AFt的30倍以上），即钙矾石几乎不溶于水。这些溶解性小的水化产物，包覆在石膏结晶体的表面，降低其溶解性，且均匀的分布于胶结料中，所以降低了制品的吸水率，使石膏的耐水性得到了显著提高[6]。掺加SA后形成了钙矾石，其针状结构与其它物质的交叉、共生。水化产物晶体堆积紧密，形貌良好，晶体呈非常规则的几何形状，且晶体之间空隙较少，堆积紧密；对制品起到增强作用，从而使石膏基胶凝材料的强度产生较大幅度的提高。在SA掺量少时，形成少量的钙矾石与水化硅酸钙，由于分布在石膏结晶体内，水化硅酸钙以凝胶出现，钙矾石以针状晶体出现，在以石膏为主的结晶结构网中，起到了填充、交叉共存的作用，随着SA掺加量的增加，这种填充、交叉共存的作用更趋明显，宏观上表现为对抗压、抗折强度的增长的作用；随着掺量的进一步增大，水化硅酸钙的数量增多，形成的钙矾石的数量也增多，由于钙矾石的体积增大，具有膨胀性，此时将导致石膏结晶结构网的破坏，内部微裂纹增多，宏观上表现为抗折、抗压强度的下降。同时SA掺量过大时，水分容易进入由钙矾石膨胀破坏石膏结晶结构网而形成的微裂纹中，导致石膏制品的体积膨胀，饱水抗压强度减小，软化系数降低。3结论（1）SA加入脱硫β石膏后，在饱和的脱硫β石膏浆体中水化生成微溶性的水化硅酸钙与钙矾石，降低了石膏基胶凝材料硬化后的溶解度，提高脱硫β石膏胶凝材料的耐水性。（2）SA作为高效激发脱硫β石膏制作胶凝料组分，掺量控制在8%——10%范围内比较适宜。最佳配比时，石膏基胶凝材料的抗折、抗压和软化系数分别达到4.19Mpa、19.5Mpa和0.91。（3）SA掺量适中时，形成的针状钙矾石晶体与水化硅酸钙凝胶，在以石膏为主的结晶结构网中，起到了填充、交叉共存的作用，使脱硫β石膏制品的耐水性及强度有较大幅度的提高；SA掺量过多时，钙矾石的数量增多，由于钙矾石的体积膨胀，导致了石膏结晶结构网的破坏，内部微裂纹增多，水分容易进入微裂纹中，导致石膏制品的体积膨胀，耐水性及强度减小。