免煅烧脱硫石膏－石灰复合材料及其应用研究

2014-09-26钟世云任思澔

粉煤灰综合利用 2014年3期

李满，钟世云，任思澔

(1.中国建筑第八工程局有限公司总承包公司，上海200135;2.同济大学材料科学与工程学院，上海201804)

随着脱硫石膏产量快速增长，对其处置和利用都将面临严峻形势。目前脱硫石膏作为胶凝材料，绝大部分属于经不等温度的煅烧后应用，虽然在一定程度上能够满足使用要求，然而受到产品性能和经济效益的限制，应用规模有限[1，2]。对于脱硫石膏的免煅烧应用，目前已有一定的技术成果，相关的专利产品部分业已投入实际工程应用[3～5]。然而，从现有资料来看，对脱硫石膏免煅烧应用的技术原理鲜有报道。试验采用生石灰和原状脱硫石膏免煅烧制备复合胶凝材料，以期对脱硫石膏的免煅烧应用理论有所探索。通过脱硫石膏的附着水与生石灰反应放热脱去结晶水，此水再与生石灰反应放热使其继续脱水，如此循环，免煅烧制备脱硫石膏-石灰复合材料。

在保证上述过程能够持续进行的前提下，脱硫石膏附着水含量越少，系统热量利用率越大，综合效益越高。前期研究成功得到了相对较佳的附着水含量，基于此，本次试验着重研究生石灰用量对复合材料性能的影响，并利用性能优异的脱硫石膏-石灰复合材料配制粉刷石膏。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

试验中所用的脱硫石膏来自上海宝田新型建材有限公司，其主要成分见表1。生石灰来自昆山市西南石灰厂，粉状，有效氧化钙含量在85%左右。柠檬酸来自国药集团化学试剂有限公司，工业级。

表1 脱硫石膏的化学组成

1.2 试验方法

1.2.1 材料制备将3.5%附着水含量的脱硫石膏和相应生石灰置入自制反应容器中，搅拌均匀后适当密封6h。反应后得到的复合材料碾碎全部过0.9mm方孔筛。

1.2.2 陈化把制备好的脱硫石膏-石灰复合材料平铺成4cm的料层，置于试验室，温度(20士5)℃，相对湿度(65士10)%条件下，每天翻动一次。

1.2.3 成型、养护与测试未添加缓凝剂的成型参照GB/T 9776-2008《建筑石膏》，添加缓凝剂的成型参照JC/T 517-2004《粉刷石膏》;试件的养护参照 JC/T 517-2004《粉刷石膏》;除保水率参照 JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》测试外，其他性能的测试均参照JC/T 517-2004《粉刷石膏》。

2 结果与讨论

2.1 生石灰用量对复合材料强度的影响

脱硫石膏一定时，生石灰用量对脱硫石膏-石灰复合材料强度的影响见图1。从图1可知，0.9水胶比时，随着生石灰用量的增大，复合材料的抗折和抗压强度不断增大;0.5水胶比时，复合材料的强度先增大后减小，在0.5灰膏比条件下，抗折和抗压强度达到最大，分别为4.24MPa和12.34MPa。生石灰用量越大，放出的热量越多，能够使更多的二水石膏脱水具有胶凝性。但是，过高的反应温度会使半水石膏继续脱水成为无水石膏，从而使其胶凝性变差。生石灰用量增大的同时，制备的复合材料中熟石灰比例相应增大，然而石灰的强度很小，在这一复合体系中对强度不利。试验表明，随着水胶比减小，免煅烧脱硫石膏-石灰复合材料强度显著提高。因为当复合材料用水量减少时，凝胶体系结构更加密实。综合性能和成本考虑，生石灰用量为脱硫石膏50%时制备脱硫石膏-石灰复合材料较好，下文即是用此配比研究其性能并配制粉刷石膏。

图1 生石灰用量对复合材料强度的影响

2.2 陈化对复合材料性能的影响

前期研究发现该复合材料在标准稠度用水量条件下凝结时间不易测定，且缓凝剂对未经任何处理的脱硫石膏-石灰复合材料缓凝效果不明显。为精确测定陈化对复合材料凝结时间的影响，试验固定0.5水胶比，掺加0.3%的柠檬酸。

由图2可知，随着陈化时间的延长，材料初凝时间逐渐增大，但增速是先增大后减小的。对于脱硫石膏-石灰复合材料，在陈化期间，主要进行着以下两个影响凝结时间的化学过程:Ⅲ型无水石膏向半水石膏转化;半水石膏吸水生成二水石膏。其中前者增大材料的初凝时间，后者减小凝结时间，两个过程交互作用影响着脱硫石膏-石灰复合材料的初凝时间[1，6]。

图2 陈化对复合材料凝结时间的影响

已有研究[7]指出，二水石膏结晶水可以被Ⅲ型无水石膏所夺取。一方面是因为Ⅲ型无水石膏具有极强的吸附能力，可以夺取硅胶的结晶水;另一方面是因为再生、残存二水石膏的结晶水稳定性较原生二水石膏差。在陈化初期，由于再生二水石膏的生成与二水石膏(包括残存与再生)的脱水，使二水石膏的含量始终在发生变化。而二水石膏特别是再生二水石膏对水化性质和物理性质的影响是十分显著的，这可能也是陈化对该复合材料凝结时间的一个影响因素。

图3是陈化对脱硫石膏-石灰复合材料强度的影响。经1d陈化后，复合材料的抗折和抗压强度均大幅降低，其中抗折强度降幅超过20%，抗压强度降幅多达47%;随着陈化时间的继续延长，强度基本呈缓慢降低趋势。