脱硫石膏对硫氧镁水泥性能影响的试验研究

2021-07-12朱效甲朱倩倩朱芸馨朱玉杰

江苏建材 2021年3期

朱效甲，朱倩倩，朱芸馨，朱玉杰

（济南市杰美菱镁建材研究所，山东济南 250031）

0 引言

硫氧镁水泥是由活性氧化镁（MgO）和一定浓度的硫酸镁（MgS04）溶液制备而成的MgO-MgSO4-H2O 三元胶凝体系。硫氧镁水泥作为一种镁质胶凝材料，具有耐火性高、热导率低、密度低、质量轻等特点，但由于硫氧镁水泥的力学强度较差，耐水性不佳，制约了其在土木工程领域的应用与推广。目前，提高硫氧镁水泥性能主要有两种途径：添加外加剂或矿物掺和料。

以硫氧镁水泥为基本体系，掺加不同掺量的烟气脱硫石膏，研究脱硫石膏对硫氧镁水泥凝结时间、硬化热效应、力学强度及耐水性能的影响，为扩大脱硫石膏的应用领域寻求新出路，也为脱硫石膏在硫氧镁水泥中的应用提供理论支持。

1 试验

1.1 原材料

轻烧氧化镁（MgO）: 辽宁海城市华丰矿业有限公司提供，采用水合法[1]测得其活性氧化镁含量为63.0%，细度 200 目（0.08 mm），方孔筛筛余量为9.8%，主要化学成分见表1。

表1 轻烧氧化镁粉主要化学成分 %

工业七水硫酸镁（MgSO4·7H2O）: 江苏口缘镁业有限公司提供，工业级白色粉末晶体，MgSO4·7H2O含量为99.83%，主要化学成分见表2。

表2 工业七水硫酸镁主要化学成分 %

烟气脱硫石膏：山东聊城电热厂提供，灰白色粉末，其化学成分见表3，物理性能见表4，XRD 图谱见图1，SEM 照片见图2。

表3 烟气脱硫石膏主要化学成分 %

表4 烟气脱硫石膏物理性能

图1 烟气脱硫石膏XRD 图谱

图2 烟气脱硫石膏SEM 照片

由图1 可以看出，本试验所用的烟气脱硫石膏原料中主要矿物组成是CaSO4·2H2O。

由图2 可以看出，本试验所用的烟气脱硫石膏的微观形貌主要为棒状晶体结构。

水：普通自来水。

1.2 试件制备

量取硫酸镁溶液（密度1.25 g/cm3，纯硫酸镁含量为22.50%），倒入搅拌锅中，按设计配比称取其他原材料，依次倒入搅拌锅中，先慢速搅拌3 min，再快速搅拌4 min，将搅拌好的料浆注入40 mm×40 mm×160 mm 三联试模内，振动60 s，刮平模具表面，覆盖塑料薄膜，在温度（20±2） ℃、相对湿度（60±5）%的条件下养护24 h 脱模，之后自然养护至规定龄期进行性能测试。

1.3 试验方案

1.3.1 方案设计

在硫氧镁水泥中掺加烟气脱硫石膏的量分别为轻烧氧化镁质量的 0、10%、20%、30%、40%、50%，用硫酸镁溶液调整料浆稠度为（39±1） mm。

1.3.2 研究内容

脱硫石膏对硫氧镁水泥凝结时间、水化硬化热效应、力学强度、耐水性及质量吸水率的影响。

1.3.3 试验方法

凝结时间测试参照GB/T7669.4—1999 《建筑石膏净浆物理性能的测定》；强度测试参照GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检测方法（ISO 法）》；软化系数参照GB/T23451—2009《建筑用轻质隔墙条板》规定；水化硬化热效应采用多通路自动巡检仪测试，将巡检仪的热电偶探头逐一埋入试件中心，用塑料薄膜覆盖试件表面，测试不同养护时间硫氧镁水泥水化硬化反应热的温升变化情况。

2 试验结果与讨论

2.1 烟气脱硫石膏掺量对硫氧镁水泥凝结时间的影响

烟气脱硫石膏掺量对硫氧镁水泥凝结时间的影响见表5。

表5 烟气脱硫石膏掺量对硫氧镁水泥凝结时间的影响

由表5 可看出，随着烟气脱硫石膏掺量的增加，硫氧镁水泥的初凝、终凝时间逐渐缩短。当脱硫石膏掺量低于30%时，硫氧镁水泥初凝、终凝时间缩短幅度相对较小；当脱硫石膏掺量超过30%时，硫氧镁水泥的初凝、终凝时间开始大幅度缩短，浆体化学反应进行的相对比较急促。石膏掺量从0 增加至50%时，硫氧镁水泥初凝时间由350 min 缩短至53 min，缩短幅度为84.86%，终凝时间由460 min缩短至80 min，缩短幅度为82.61%。硫氧镁水泥初凝、终凝的时间差也大幅度缩短，由110 min 缩短至27 min，缩短幅度为75.45%。分析原因可能是由于脱硫石膏的初凝时间为17 min、终凝时间为23 min，掺入硫氧镁水泥中，能够与硫氧镁水泥起到共价协同效应，促进并参与了硫氧镁水泥的水化反应，从而加快了硫氧镁水泥的水化反应速率，并缩短了硫氧镁水泥初凝、终凝的时间差。

2.2 烟气脱硫石膏掺量对硫氧镁水泥浆体需水量的影响

为保证合理的浆体流动度和工作性，将硫氧镁水泥浆体稠度控制在（39±1） mm，掺加不同量的烟气脱硫石膏，考察石膏掺量对硫氧镁水泥浆体需水量的影响，结果见图3。

图3 脱硫石膏掺量对硫氧镁水泥浆体需水量的影响

由图3 可以看出，随着烟气脱硫石膏掺量的增加，水胶比逐渐提高，石膏掺量由0 增加至50%时，水胶比由0.68 提高至0.98，增幅为44.12%。原因是烟气脱硫石膏掺加至硫氧镁水泥浆体中，首先吸收浆体中的水，生成二水硫酸钙，这个过程需要消耗部分水分，另外，烟气脱硫石膏自身细度较大，在水化结晶过程中需水量比氧化镁大，因此，随着石膏掺量的增加，需水量也随之提高。

2.3 烟气脱硫石膏掺量对硫氧镁水泥水化硬化热效应的影响

胶凝材料的水化硬化过程伴随着一定的体积膨胀和相应的水化热释放，这两种现象的共存，能够促进并加快胶凝材料的水化进程[2]。脱硫石膏的水化过程也是一个典型的放热过程[3]，烟气脱硫石膏和硫氧镁水泥的水化硬化过程均释放出大量的水化热。采用多通路温度自动巡检仪通过热电偶的信号传输，记录石膏-硫氧镁水泥体系的水化硬化放热过程，结果见图4。

图4 烟气脱硫石膏掺量对硫氧镁水泥水化硬化热效应的影响

由图4 可以看出，随着烟气脱硫石膏掺量的增加，硫氧镁水泥水化过程中出现峰值温度的时间逐渐缩短，养护峰值温度逐渐提高。石膏掺量在0~30%时，峰值温度相对较低，且缩短幅度缓慢，当石膏掺量超过30%时，胶凝材料水化速度加快，峰值温度进一步提高且出现时间进一步缩短，这与浆体凝结时间的规律相吻合。其原因是随着石膏掺量的增加，烟气脱硫石膏在硫氧镁水泥体系中的占比增加，消耗的水量增加，从而加快了胶凝材料的水化反应速率，与硫氧镁水泥存在着共价协同效应，促进了石膏-硫氧镁水泥体系的水化进程，缩短了胶凝材料水化放热温度峰值出现的时间，峰值温度也随之提高。

2.4 烟气脱硫石膏掺量对硫氧镁水泥力学强度的影响

烟气脱硫石膏掺量对硫氧镁水泥力学强度的影响见图5。

图5 烟气脱硫石膏掺量对硫氧镁水泥力学强度的影响

由图5 可以看出：① 随着养护龄期的延长，硫氧镁水泥的力学强度逐渐提高。②随着烟气脱硫石膏掺量的增加，试件各养护龄期的抗压强度呈先提高后降低的趋势，其最佳临界掺量为氧化镁质量的30%。 ③随着烟气脱硫石膏掺量的增加，硫氧镁水泥早期强度发挥较快，力学强度提高幅度较大，体现了其所具有的早强、高强性。综上所述，烟气脱硫石膏掺量较低时（0～30%），遇水迅速水化为分散的二水硫酸钙晶粒，为后期硫氧镁水泥晶相的形成提供了异相晶核[4]，而硫氧镁水泥晶相包覆在二水硫酸钙晶粒表面，提高了硫氧镁水泥硬化结晶相的占比，使水泥硬化结晶结构更加致密，从而大幅度提高了硫氧镁水泥的力学强度。烟气脱硫石膏掺量较大时（>40%），硫氧镁水泥的量相对减少，二水硫酸钙晶粒生成量逐渐增多，硫氧镁水泥晶相不能全部包覆二水硫酸钙晶粒，从而使硫氧镁水泥硬化结构变得较疏松，孔隙增多，导致硫氧镁水泥体系强度逐渐降低。

2.5 烟气脱硫石膏掺量对硫氧镁水泥耐水性能的影响

将养护28 d 的试件一组称重破型，另一组称重后放入（20±1） ℃的水中，水面需高出试件 20 mm，泡水时间为60 d，测试试件的抗折、抗压强度，计算试件的质量吸水率及软化系数，结果见表6。

表6 烟气脱硫石膏掺量对硫氧镁水泥耐水性能的影响

由表6 可以看出，无论是养护28 d 的抗折、抗压强度，还是泡水60 d 的抗折、抗压软化系数，其结果皆呈先提高后降低的趋势，最佳临界掺量在30%～40%。当脱硫石膏掺量为30%时，试件养护28 d 的抗折强度为6.05 MPa、抗压强度为53.03 MPa，泡水60 d 的抗折软化系数为0.91、抗压软化系数为0.83，相比未掺加脱硫石膏的试件分别提高了 84.45%、51.67%、54.74%和 107.50%。说明脱硫石膏掺量小于30%时，脱硫石膏遇水反应生成的二水硫酸钙晶粒能够被硫氧镁水泥硬化结晶相完全包覆，提高了致密性，所以能够大幅度提高试件的力学强度和耐水性。当掺量大于40%后，脱硫石膏遇水生成的二水硫酸钙晶粒占比增加，硫氧镁水泥硬化结晶相无法全部包覆已形成的二水硫酸钙晶粒，其硬化产物结构变得疏松多孔，致密程度大幅度降低，从而降低了其力学强度和耐水性。