脱硫石膏对普通硅酸盐水泥性能影响的试验研究

吕新锋 孙 健 谷向民 王 敏 朱桂芝

（山东鲁碧建材有限公司，山东 济南 271103）

0 引言

石膏是水泥生产的原材料之一，随着近二十年全国水泥产量的持续增长，天然石膏资源随着消耗也日趋枯竭，因此，在水泥生产中应用工业副产物脱硫石膏将是重要的应对之策。脱硫石膏是指应用脱硫净化工艺技术处理煤炭燃烧产生的含硫烟气而得到的一种工业副产物，其主要成分和天然石膏基本相同，都是CaSO4·2H2O，其物理、化学特性和天然石膏相同[1-2]。但由于脱硫石膏中会含有部分飞灰、有机碳、碳酸钙、亚硫酸钙以及由钠、钾、镁的硫酸盐或氯化物组成的可溶性盐等杂质[3-5]，因而脱硫石膏的应用会受到一定限制，造成大量的脱硫石膏只能作为废弃物而堆存，不仅占用大量宝贵的土地资源，而且对周围生态环境产生严重影响。本文主要研究脱硫石膏对普通硅酸盐水泥的流变性和膨胀率的影响，以便为脱硫石膏在水泥生产中的应用提供一定的技术支持。

1 试验原材料

（1）熟料矿物：济南市某水泥厂生产，通过磨细，并过200目筛备用；

（2）脱硫石膏：为山东省济南市某电厂产，其化学成分、细度如表1所示；

表1 脱硫石膏的化学成分、细度 %

（3）水泥：为山东济南某水泥厂生产的普通硅酸盐P·O42.5水泥，该水泥中所用石膏为天然石膏，其性能指标如表2所示。

表2 水泥的物理性能指标

2 试验方法

2.1 流变性的试验方法

流变或动态力学分析（DMA）是研究物质变形和流动的科学。使用NXS-11A型旋转黏度计测量水泥浆体黏度，其工作原理是以步进电机作驱动，采用同轴圆筒上旋转式结构，外筒固定，内筒旋转，被测物料充满在两个圆筒之间。当电机带动内筒旋转时，内筒表面受到被测物料的作用，由于电机的转子同时旋转，转子也受到了同样的力矩，此力矩传到可动框架并使其偏转，当偏转到某一角度使测量弹簧的力矩与该力矩相等达到平衡时，此时偏角由刻度盘读出，刻度盘的指示与黏度成正比。

该项试验是把普通硅酸盐水泥中的天然石膏换成脱硫石膏，研究脱硫石膏掺量对普通硅酸盐水泥浆体流变性能的影响，脱硫石膏掺量分别为3%、5%、7%、9%，然后测定水泥浆体的黏度，计算浆体的剪应力和剪切应变速率。

2.2 膨胀率的试验方法

膨胀率测定按《膨胀水泥膨胀率试验方法》（JC∕T313-2019）试验。其基本原理为：水泥加水拌和后会进行水化反应，在养护过程中继续水化形成钙矾石而发生体积膨胀，用比长仪测定水泥试体的膨胀率。因此，通过测定不同矿物组成水泥试样的各龄期试体的长度，就可以计算其膨胀率。

试验方法为：先测定水泥试样的标准稠度与凝结时间，然后按标准稠度加水并搅拌均匀，用40mm×40mm×160mm试模成型，将成型后的试模及试体在20℃、95%的相对湿度下养护，终凝后2h脱模，再将脱模后的试体放入20℃水中养护至各龄期，测量试体的长度。试体养护龄期分别为1d、3d、7d、14d、28d。测量时间从测量试体初长值时算起（试样终凝后2h）。

3 试验结果和分析

3.1 脱硫石膏对普通硅酸盐水泥浆体流变性的影响

脱硫石膏掺量对普通硅酸盐水泥浆体屈服应力影响的试验结果如图1所示。

图1 脱硫石膏掺量对普通硅酸盐水泥浆体屈服应力影响的试验结果

从图1可看出：脱硫石膏掺量对普通硅酸盐水泥浆体影响的曲线近似为牛顿流体，说明脱硫石膏掺量对普通硅酸盐水泥浆体的流变特征影响不明显。但脱硫石膏掺量对普通硅酸盐水泥浆体的剪应力影响比较明显，当脱硫石膏掺量达到9%时，普通硅酸盐水泥浆体剪应力增幅非常明显。因此，当普通硅酸盐水泥中脱硫石膏替代天然石膏后，随着脱硫石膏掺量的变化，脱硫石膏对普通硅酸盐水泥浆体的流变特性影响不大，但对普通硅酸盐水泥浆体的剪应力影响比较大。

普通硅酸盐水泥浆体的黏度随脱硫石膏掺量变化的规律如图2所示。

图2 普通硅酸盐水泥浆体黏度随脱硫石膏掺量变化的规律

从图2可看出：当用脱硫石膏取代普通硅酸盐水泥中的天然石膏后，随着脱硫石膏掺量不断地增加，普通硅酸盐水泥浆体的黏度逐渐在减小，而且脱硫石膏掺量越高，普通硅酸盐水泥浆体的黏度越小。其主要原因是因为脱硫石膏本身具有一定的缓凝效果，当提高普通硅酸盐水泥浆体中的脱硫石膏掺量时，将会使普通硅酸盐水泥浆体的屈服应力和黏度降低，使普通硅酸盐水泥浆体的整体流动性得到改善，并使其具有良好的工作性能。

将脱硫石膏不同掺量的普通硅酸盐水泥浆体的剪应力随剪切速率流变曲线做回归分析，分析结果如表3所示。

表3 掺入脱硫石膏的水泥浆体剪应力随剪切速率流变曲线回归分析结果

通过对4个试样的剪应力随剪切速率流变曲线进行回归分析，结果表明：不同脱硫石膏掺量的普通硅酸盐水泥浆体的剪切应力和剪切应变之间的线性关系比较明显，基本属于宾汉姆流变方程。对回归流变方程进行数据分析和总结，最后归纳出回归方程的通用公式为：

式中：

a——普通硅酸盐水泥浆体的屈服应力；

b——通硅酸盐水泥浆体塑性黏度。

3.2 脱硫石膏掺量对普通硅酸盐水泥浆体膨胀率的影响

脱硫石膏对普通硅酸盐水泥标准稠度、凝结时间的影响如表4所示。

表4 脱硫石膏掺量对普通硅酸盐水泥标准稠度和凝结时间的影响

从表4可看出：当普通硅酸盐水泥中的天然石膏换成脱硫石膏后，随着脱硫石膏掺量不断地增加，其加水量在逐渐增加，但变化不大，说明脱硫石膏掺量对普通硅酸盐水泥的标准稠度（或需水量）影响不大。此外，随着脱硫石膏掺量不断地增加，其凝结时间（初凝时间和终凝时间）都逐渐延长，而且脱硫石膏掺量越大，其凝结时间（初凝时间和终凝时间）都更长，当脱硫石膏掺量为3%时，其初凝时间和终凝时间分别155min和265min；当脱硫石膏掺量为9%时，其初凝时间和终凝时间分别增加到240min和335min。

脱硫石膏掺量对普通硅酸盐水泥膨胀率的影响如图3所示。

从图3可看出：在水泥试体养护过程中，普通硅酸盐水泥（OPC）的试体表现为体积收缩，特别是在水化初期（3d前）收缩率增加较快，而水化后期（7d后）收缩才稳定。而在普通硅酸盐水泥中加入脱硫石膏替代天然石膏后，其试体的体积呈现为膨胀，在水化初期（14d内）膨胀率增加速度较快，而水化后期（14d后）膨胀趋于稳定；此外，脱硫石膏的掺量越高，其试体体积的膨胀率就越大。

图3 脱硫石膏掺量对普通硅酸盐水泥的膨胀率的影响

4 结束语

（1）脱硫石膏掺量对普通硅酸盐水泥浆体影响曲线近似为牛顿流体，但脱硫石膏掺量对普通硅酸盐水泥浆体的剪应力影响较为明显。

（2）随着脱硫石膏掺量的增加，普通硅酸盐水泥浆体的黏度逐渐减小，其浆体的剪切应力和剪切应变之间的线性关系符合宾汉姆流变方程。

（3）在普通硅酸盐水泥养护水化过程中，普通硅酸盐水泥试体的体积呈现为收缩现象，而加入脱硫石膏的普通硅酸盐水泥试体的体积则呈现为膨胀，并且随脱硫石膏掺量的增加，其试体膨胀率也逐渐增大。