膨胀珍珠岩/脱硫石膏复合材料的制备与性能

杨慧君，李刚，赵红艳，王爱芹，马玉薇，汤骅，王玉雪

（石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003）

火力发电厂在发电过程中会产生SO2占主要成分的炉烟，其直接排入大气，会对环境造成污染，在加装脱硫装置后会排出大量固体脱硫石膏，其产量在2012～2016 年间从5230 万t 增加到7100 万t，且仍在逐年增长，如果不加以妥善处理，脱硫石膏的堆积将会占用大量土地资源，其所含的重金属、酸性氧化物等物质会污染环境，因此，脱硫石膏的资源化利用已经成为人们必须面对的一个重大社会问题[1]。

目前，我国对脱硫石膏的利用主要包括做水泥缓凝剂、制备建筑石膏、硫酸钙晶须、防水块、防火板以及改良土壤等，其中，脱硫石膏在建筑方面主要被制成石膏砌块、石膏墙板、石膏粉和石膏基复合胶凝材料等[2-4]。膨胀珍珠岩是一种天然酸性玻璃质火山熔岩，具有轻质、保温、隔热、抗老化、耐腐、无毒无味等优良性能，资源丰富，价格低廉，广泛用于建筑、轻工、铸造、医药、食品、农林园艺等行业[5-6]。大多数学者都认识到了脱硫石膏及膨胀珍珠岩优良的发展前景，利用它们制备建筑材料，但研究重点多在于各种添加物对石膏材料的影响，对于具体的制备过程研究较少。而且随着我国对大气污染治理的高度重视，烟气脱硫设施会越来越完善，脱硫石膏产量将持续增加，预计到2022 年，我国脱硫石膏生产量将达7350 万t，利用率将递增为84%，但与德国、日本等国100%的利用率相比仍存在一定的差距[7]。因此，为了进一步提高脱硫石膏的附加值和利用量[8]，同时考虑到膨胀珍珠岩众多的优良性能，以脱硫石膏和膨胀珍珠岩为主料，并考虑到石膏的快速凝结性能，添加部分柠檬酸减缓石膏凝结速度，制备一种轻质复合材料，研究材料制备方式、试件振捣次数、膨胀珍珠岩掺量对膨胀珍珠岩/脱硫石膏复合材料性能的影响，确定制备该复合材料的较优方式。

1 实 验

1.1 原材料

脱硫石膏为新疆石河子市天富热电厂所产生的工业废渣，其主要成分为二水硫酸钙（CaSO4·2H2O）；膨胀珍珠岩为宁波豫浙保温建材有限公司生产，其颗粒大小为1～4 mm；柠檬酸为天津市盛奥化学试剂有限公司生产；实验用水为实验室自来水。

1.2 实验仪器

实验所用主要仪器包括箱式电阻炉、水泥胶砂搅拌机、水泥胶砂振实台、电子计重秤、电热鼓风干燥箱、电动抗折实验机、万能实验机等。

1.3 实验方法

1.3.1 原材料处理

将脱硫石膏放置在温度为350℃的箱式电阻炉中煅烧3 h 脱去3/2 结晶水，然后于炉中自然降温取出，放置于实验室环境中自然降至室温，过孔径0.63 mm 的筛子，制得石膏粉。

1.3.2 试件制备

称取实验所需的原料，依次加入搅拌锅中，搅拌均匀，然后倒入尺寸为40×40×160 mm 的水泥胶砂三联模具中，放置于水泥胶砂振实台上，振捣成型，在实验室自然环境中放置1 d 后拆模。每组实验做两组试模，共6 个试件。

1.3.3 性能测试

制备好的试件在实验室环境中自然养护7 d后，将一组中的3 个试件放置于温度为（40±2）℃的电热鼓风干燥箱中烘至恒重，取出称重，计算其干表观密度，测其绝干状态下的抗折、抗压强度。一组中的另外3 个试件没入（20±2）℃的水中，吸水4 h 后取出，用湿毛巾擦干试件表面水份，测其吸水饱和状态下的抗折、抗压强度。试件性能的测试参照GB/T 17669.3—1999《建筑石膏力学性能的测定》。

2 结果与讨论

2.1 材料制备方式对复合材料性能的影响

材料制备方式对复合材料性能的影响见图1、2、3。其中，材料制备方式有4 种，方式1 是先在搅拌锅中加入石膏粉，再加入柠檬酸低速搅拌60 s，然后加入膨胀珍珠岩低速搅拌60 s，最后加入水低速搅拌60 s，振捣40 次，成型；方式2 是先在搅拌锅中加入膨胀珍珠岩，然后加入石膏粉，再加入柠檬酸低速搅拌60 s，最后加入水低速搅拌60 s，振捣40 次，成型；方式3 是先在搅拌锅A 中加入石膏粉，再加入柠檬酸低速搅拌60 s，然后在搅拌锅B 中加入水，再加入搅拌锅A 中的混合物低速搅拌30 s，然后加入膨胀珍珠岩低速搅拌30 s，振捣40 次，成型；方式4 是先在搅拌锅A 中加入石膏粉，再加入柠檬酸低速搅拌60 s，然后在搅拌锅B 中加入水，再加入膨胀珍珠岩，然后加入搅拌锅A 中的混合物低速搅拌60 s，振捣40 次，成型。

图1 材料制备方式对复合材料性能的影响Fig.1 Effect of material preparation method on properties of composites

从图1（a）可以看出，采用方式1 和方式4 时复合材料的绝干强度较采用方式2 和方式3 时大，其绝干抗折强度、绝干抗压强度分别为4.79 MPa、11.32 MPa 和4.66 MPa、11.61 MPa；从图1（b）可以看出，采用方式1 时复合材料的饱水强度较大，饱水抗折强度和饱水抗压强度分别为1.76 MPa、4.71 MPa；从图1（c）可以看出，采用方式1 和方式2 时复合材料的干表观密度较小，分别为1.241 g/cm3、1.239 g/cm3，采用方式1 时复合材料的强度较大、干表观密度较小。这主要是由于方式1 在石膏粉与柠檬酸充分搅拌均匀的基础上掺入膨胀珍珠岩进行搅拌，且较其余方式搅拌次数多，使得各种原料分散更均匀，然后再加入水充分搅拌，使得石膏浆体在同等用水量的情况下流动性更好，制得的试件更优异。因此，综合考虑，方式1 是较优的材料制备方式。

2.2 试件振捣次数对复合材料性能的影响

按照方式1 进行原材料搅拌，采用不同振捣次数制备试件。试件振捣次数对复合材料绝干强度、饱水强度的影响分别见图2。

从图2 可以看出，复合材料的强度随着试件振捣次数的减少呈降低-增加-降低的趋势，在振捣次数为5 次时，其绝干抗折强度、饱水抗折强度和饱水抗压强度均达到较大值，分别为4.74 MPa、1.90 MPa 和5.27 MPa，比试件振捣次数40 次时分别提高了5.80%、9.83% 和12.85%。随着试件振捣次数的减少，试件中的小气泡增多，试件的密实度降低，强度随之降低，但当试件振捣次数为5 次时，脱硫石膏浆体达到较优状态，硬化后试件强度增加，振捣次数低于5 次，强度仍然会下降。主要是因为膨胀珍珠岩的密度小于脱硫石膏，试件振捣次数越多，复合材料浆体中的膨胀珍珠岩上浮越明显，整个试件上部膨胀珍珠岩居多，整体不均匀，而当试件振捣次数为5 次时，复合材料的绝干抗折强度、饱水抗折强度和饱水抗压强度均有较大值，膨胀珍珠岩均匀分散在脱硫石膏浆体中，振捣次数增加或减少，复合材料浆体均不处于较优状态，试件强度都会降低[9]。当试件振捣次数为0 次时，试件的绝干抗折强度、绝干抗压强度、饱水抗折强度和饱水抗压强度分别为3.99 MPa、9.18 MPa、1.78 MPa 和4.70 MPa，同时也可满足GB/T9776—2008《建筑石膏》、JC/T 698—2010《石膏砌块》、GB/T28627—2012《抹灰石膏》的强度要求。

图2 试件振捣次数对复合材料性能的影响Fig.2 Effect of vibration frequency of specimen on properties of composites

试件振捣次数对复合材料干表观密度的影响见图3。可以看出，试件振捣次数越少，复合材料干表观密度越小。当试件振捣次数为0 次时，复合材料的干表观密度达到最小值，为1.213 g/cm3。由于膨胀珍珠岩是一种轻质材料，在石膏浆体中存在上浮现象，随着试件振捣次数的减少，其上浮现象减轻，可以更均匀地分散在浆体中；同时，试件振捣次数越少，浆体中存在的小气泡越多，因此，复合材料干表观密度越小。

图3 试件振捣次数对复合材料干表观密度的影响Fig.3 Effect of vibration frequency on dry apparent density of composites

试件分别振捣5、0 次的实验结果表明在膨胀珍珠岩掺量均为0.5%的情况下，试件振捣0 次时表面膨胀珍珠岩的量明显少于试件振捣5 次时的量。实验过程中发现，振捣次数越多，石膏浆体流动性越好，虽然试件只振捣了5 次，但其浆体较振捣次数为0 次的浆体具有更大的流动性，膨胀珍珠岩上浮明显。

综合考虑，试件振捣次数为0 次时，制备的试件中膨胀珍珠岩分散更均匀，虽然强度未达到较大值，但满足规范规定的强度要求，因此试件的较优振捣次数为0 次。

2.3 膨胀珍珠岩掺量对复合材料性能的影响

选用膨胀珍珠岩掺量为0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%，在采用方式1 进行原材料搅拌后试件直接成型的制备基础上，研究其对复合材料性能的影响。膨胀珍珠岩掺量对复合材料绝干强度、饱水强度的影响见图4。从图中可以看出，随着膨胀珍珠岩掺量的增加，复合材料的强度呈下降趋势。其中，当膨胀珍珠岩掺量为1.5%时，其饱水抗折强度和饱水抗压强度有所增加，分别为1.81 MPa、4.43 MPa；当膨胀珍珠岩掺量为2.0% 时，复合材料的绝干抗折强度也有所增加，为3.83 MPa。膨胀珍珠岩掺量增加，其周围包裹的石膏浆体就会减少，且膨胀珍珠岩质轻，强度不高，在石膏浆体中主要起填充作用，因此，复合材料中膨胀珍珠岩越多，其强度越低。然而在膨胀珍珠岩掺量为1.5%、2.0%时，其周围包裹的石膏浆体达到一个较优值，复合材料强度有所增加[9]。

图4 膨胀珍珠岩掺量对复合材料性能的影响Fig.4 Effect of the content of expanded perlite on the absolute dry strength of the composite

膨胀珍珠岩掺量对复合材料干表观密度的影响见图5。可以看出，随着膨胀珍珠岩掺量的增加，复合材料的干表观密度呈下降趋势。这主要是由于膨胀珍珠岩密度较石膏小，掺量增加，其周围包裹的石膏浆体会随之减少，膨胀珍珠岩越多，石膏浆体越少。

图5 膨胀珍珠岩掺量对复合材料干表观密度的影响Fig.5 Effect of expanded perlite content on dry apparent density of composites

综上所述，考虑石膏复合材料的强度和干表观密度，取膨胀珍珠岩的较优掺量为2.0%。

3 结 论

石膏复合材料的制备方式、试件的振捣次数、膨胀珍珠岩的掺量均会对膨胀珍珠岩/脱硫石膏复合材料的性能产生一定的影响。制备膨胀珍珠岩/脱硫石膏复合材料的较优方式为先在搅拌锅中加入石膏粉，再加入柠檬酸搅拌，然后加入2.0%膨胀珍珠岩搅拌均匀，最后加入水低速搅拌60 s，直接成型。制得的复合材料的绝干抗折强度为3.83 MPa，绝干抗压强度为8.92 MPa，饱水抗折强度为1.66 MPa，饱水抗压强度为4.26 MPa，满足所需的强度要求。其干表观密度为1.166 g/cm3，较未掺入膨胀珍珠岩时降低6.27%，可使复合材料轻质化。