矿粉对脱硫建筑石膏力学性能及微观结构的影响

2022-01-05杜秉坤邢宝瑞

天津建设科技 2021年6期

高辉，林瑞，杜秉坤，邢宝瑞

（1.天津市建筑科学研究院有限公司，天津 300193；2.天津市建筑工程质量检测中心有限公司，天津 300193；3.天津众建新型建材有限公司，天津 300350）

我国脱硫石膏产量为5 500万t/a，如不能及时处理，势必会对环境造成二次污染[1～3]。与水泥相比，石膏具有密度低、收缩率低、保温隔热、隔音、易加工等优点；但强度低、耐水性差两个缺点大大制约了石膏在我国的大规模应用[4～8]。针对强度低的问题，有学者在石膏中加入活性胶凝材料或化学外加剂等，以改善其强度[9～12]；由于选择原材料不同造成研究结果不一致[13]。本文研究掺加矿粉对脱硫建筑石膏力学性能及微观结构的影响，以期寻找提高脱硫建筑石膏强度的方法和途径。

1 试验

1.1 原材料

1）天津北疆电厂脱硫石膏，主要化学成分见表1。

表1 脱硫石膏的主要化学成分%

为了使该脱硫石膏具有水化硬化性能，需对其进行煅烧脱水处理，使之成为半水石膏即脱硫建筑石膏。先将脱硫石膏放入烘箱预热4 h，温度为40℃，冷却至室温后过0.16 mm方孔筛；再煅烧6 h，温度为190℃，获得脱硫建筑石膏。

2）天津海得润滋建材公司生产的S95级矿渣粉，密度为2.9 g/cm3，比表面积406 m2/kg，7 d活性指数87%，28 d活性指数99%，烧失量0.3%，需水比101%。

3）天津市福晨化学试剂厂生产的氧化钙，纯度95%。

4）聚羧酸减水剂，浓度40%，减水率32%。

5）采用柠檬酸作为缓凝剂。

1.2 试验及检测方法

试验采用的脱硫建筑石膏掺量在70%以上，水胶比0.45，减水剂掺量为胶材的0.5%，缓凝剂掺量为脱硫建筑石膏的0.2%。在室温下成型40 mm×40 mm×160 mm试件，自然养护至规定龄期，按GB/T17671—1999《水泥砂浆强度试验方法》测试其抗压强度。采用XRD测定水化后试样中的各物质成分，采用SEM对试样进行微观形貌观察。

2 结果与分析

2.1 矿粉对脱硫建筑石膏强度的影响

选取矿粉掺量分别为0、10%、20%和30%，研究对脱硫建筑石膏抗压强度的影响。见图1。

图1 矿粉掺量对脱硫建筑石膏抗压强度的影响

当矿粉掺量分别为10%、20%、30%时，脱硫建筑石膏的7、28 d抗压强度均呈现下降的趋势。由此可知，添加矿粉的脱硫建筑石膏抗压强度低于纯脱硫建筑石膏强度；因此单独添加矿粉对脱硫建筑石膏强度的提升没有作用。

出现这种情况是因为：虽然矿粉具有潜在活性，但单独添加时，潜在活性没有被激发。因此在随后%试验中对添加矿粉的试验组添加氧化钙，研究不同掺量碱激发剂氧化钙对矿粉改性脱硫建筑石膏强度的影响。配合比见表2，试验结果见图2。

表2 矿粉改性脱硫建筑石膏配合比

图2 氧化钙掺量对矿粉改性脱硫建筑石膏抗压强度的影响

当矿粉掺量为10%时，随着氧化钙掺量的增加，脱硫建筑石膏抗压强度呈逐渐上升趋势且随着龄期的增长，抗压强度也逐渐增大；当氧化钙掺量为矿粉掺量的9%时，其28 d抗压强度达到最大值，为19.7 MPa，与未掺加氧化钙相比，28 d抗压强度提高了约50%。

当矿粉掺量分别为20%和30%时，随着氧化钙掺量的增加，脱硫建筑石膏抗压强度均呈先上升后下降的趋势且随着龄期的增长，脱硫建筑石膏的抗压强度逐渐增大。当氧化钙掺量为矿粉掺量的3%时，28 d抗压强度达到最大值，分别为28.5、24.6 MPa，与未掺加氧化钙相比，分别提高了约174%和165%。

2.2 矿粉对脱硫建筑石膏微观结构的影响

当矿粉掺量为脱硫建筑石膏的20%、氧化钙掺量为矿粉量的3%时，脱硫建筑石膏抗压强度达到最大值，因此对这一试验组的试样进行XRD和SEM分析。见图3-图5。

图5 掺入20%的矿粉及矿粉量3%氧化钙水化28 d的SEM

图4 掺入20%的矿粉水化28 d的SEM

掺入20%矿粉后，水化产物主要是CaSO4·2H2O、少量钙矾石和C-S-H凝胶；掺入碱激发剂氧化钙后出现了新相莱粒硅钙石，同时，钙矾石和C-S-H凝胶的峰值有所增加，导致脱硫建筑石膏内部结构更加紧密，其力学性能得到提升。

掺入20%矿粉后，有大量交错结晶生长的二水石膏晶体，只有少量C-S-H凝胶和钙矾石晶体，交错的晶体间存在较大空隙；因此，掺入20%矿粉后脱硫建筑石膏的强度仍然很低。碱激发剂氧化钙掺入后，CS-H凝胶显著增加，其包裹在二水石膏晶体表面并在石膏晶体间起到胶结作用，明显减少材料的大孔隙，形成致密结构；此外新相莱粒硅钙石的产生，也使结构更加致密。