高强防水石膏复合材料制备及其性能研究

2024-01-06程磊张晓果

江西化工 2023年6期

程磊，张晓果

（1.南昌航空大学科技学院，江西共青城，332020；2.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南郑州，450000）

0 引言

脱硫石膏是FGD 过程的工业副产品，年产接近万吨，较大的工业产量造成了一定的环境压力、经济压力。对脱硫石膏再利用，发挥其比强度高、隔热保温性强、防火性能好的性能优势具有现实意义［1］。但同时，脱硫石膏吸湿性强、防水性差、易软化，这限制了其使用及发展。针对此缺陷，进行改性研究以提高石膏制品的防水性十分重要。本文将以脱硫石膏粉、矿渣微粉为原料，结合硅酸盐水泥、粉煤灰、防水剂［2］制备具有一定防水性的高强石膏制品。

1 实验

1.1 原材料

脱硫石膏粉，工业级，粉末状，标准稠度用水量0.51，初凝时间7.5min、终凝时间12min，江西天宏新材料科技有限公司；矿渣微粉，工业级，密度约2.68g/cm3，江西天宏新材料科技有限公司；粉煤灰，工业级，I 级粉煤灰，江西天宏新材料科技有限公司；有机硅憎水剂，分析纯，北京广联恒进装饰有限公司；硅酸盐水泥，P·O42.5，江西亚东水泥有限公司。

1.2 实验过程

称取500g 脱硫石膏粉与不同质量的矿渣微粉充分混合后获得粉料1；将硅酸盐水泥和粉煤灰以不同比例按总质量150g 混合均匀后获得粉料2；以0.5的水膏比，将粉料1、粉料2 和固定质量10g 的有机硅防水剂在搅拌机中充分拌合，而后浇入尺寸为40mm×40mm×160mm 的三联试模中，振实台上振捣，2h 后凝固脱模，在室温条件下自然养护14 天得到复合石膏制件，组分配比见表1。

表1 石膏材料组分表

1.3 性能测试

每组包含三个试件，各测试结果取平均值。依照《建筑石膏力学性能的测定》（GB/T 17669.3—1999）进行干抗折强度、抗压强度检测；依照《石膏砌块》（JC/T 698—2010），将自然养护完成的试件浸泡于水中，24h 后取出计算吸水率，并测试其吸水状态强度，完成软化系数测定；用扫描电子显微镜观测纯脱硫石膏制件和复合石膏制件的微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 脱硫石膏粉的X 射线衍射分析

图1 为脱硫石膏粉X 射线衍射图，分析衍射图谱，试验所用脱硫石膏粉主要成分为CaSO4·2H2O，并含有少量Fe、Al、Si 等杂质。

图1 脱硫石膏粉X 射线衍射图

2.2 不同矿渣微粉掺入比例性能比较

对照组不进行无机粉料和有机硅防水剂的掺入，测试其干抗压强度约为14.7MPa，抗折强度约为4.9Mpa，吸水率达32%，软化系数为0.41。图2 为不同矿渣微粉掺入对石膏复合制件抗压强度、抗弯强度的影响。在水泥、粉煤灰加入量一定时，随着矿渣微粉掺入量增加，制件力学性能指标呈上升趋势。石膏复合制件抗压强度可达20MPa 以上，抗弯曲强度为8MPa 至9MPa，较对照组力学性能有大幅提高。当脱硫石膏与矿渣微粉质量比为5：2 左右时，能获得较高的力学性能，抗压强度达22.5MPa，抗弯强度为8.9MPa。图3 是石膏制品的防水性能指标，随着矿渣粉掺入量增加，制品的吸水率降低，软化系数增大。当组别1 脱硫石膏粉和矿渣粉的质量比为2：1 时，吸水率达17.65%，软化系数为0.71。在水泥的激发作用下，矿渣微粉的掺入能够改善石膏制品的力学性能，提高防水性，矿渣粉的掺入改善了石膏的微观结构［3］。但过大的矿渣微粉掺入会改变石膏气硬性胶凝材料［4］的优点。

图2 不同矿渣粉掺入量石膏材料力学性能

图3 不同矿渣粉掺入量石膏材料防水性能

2.3 硅酸盐水泥与粉煤灰不同比例掺入性能比较

粉煤灰与硅酸盐水泥按照不同比例掺入对试件力学性能的影响如图4。随着硅酸盐水泥掺入量的降低，制品的力学性能快速下降。当组别7 硅酸盐水泥和粉煤灰质量比为1：14 时，抗压强度为17.2MPa，抗弯强度为5.8MPa。而水泥、粉煤灰掺入比例变化对石膏复合制品防水性能影响不太显著，见图5。粉煤灰和水泥一样，掺入后参与水化反应，形成了耐水性相［5］，吸水率略有降低，软化系数有所提高。

图4 不同粉煤灰掺入石膏材料力学性能

图5 不同粉煤灰掺杂石膏材料防水性能

2.4 微观形貌

纯脱硫石膏制品（对照组）微观形貌如图6，其结构多为针状一维结构，相互交错、穿插生长。进行无机粉料和有机防水剂掺杂后，石膏制品（第3 组）微观形貌如图7 所示，相对图6，其结构由针状变成了板片状，由一维向二维转变，提高了晶粒接触点的稳定性，遇水稳定性增强，防水性提高。无机粉料发生水化反应生成耐水性能好、强度高的新相，同时与石膏形成新的凝胶体，二者弥散分布在晶体表面及间隙处，使石膏复合制件的力学性能和耐水性显著提高［6-8］。