何玉鑫 ，華蘇東 ，瞿 縣

（1.江陰邦特科技有限公司，江蘇無錫214442；2.南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；3.江蘇省一夫新材料科技有限公司）

2012年，中國(guó)石膏消耗總量為1.07億t，天然石膏開采量為3 700萬t。目前，中國(guó)工業(yè)副產(chǎn)石膏產(chǎn)量比較多，2012年脫硫石膏和磷石膏產(chǎn)量分別為6 000萬t和7 000萬t，利用率分別為83%和24%。大量未處理的工業(yè)副產(chǎn)石膏堆積和填埋，既污染環(huán)境也制約了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。石膏礦渣綠色材料是一種新型的綠色環(huán)保材料，復(fù)配礦渣改性可生成水硬性產(chǎn)物水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠和鈣礬石（AFt），它們是具有強(qiáng)度高、耐水性好等特點(diǎn)的膠凝材料。開發(fā)石膏礦渣綠色材料，有利于節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型相結(jié)合，推動(dòng)和發(fā)展可持續(xù)的綠色生態(tài)文明建設(shè)。筆者分析考察了石膏礦渣綠色材料中生石灰和水泥激發(fā)劑的摻加量，以及不同輔助激發(fā)劑改善綠色材料的各項(xiàng)性能，以期為綠色材料在保溫材料、混凝土、免煅燒磚、粉刷石膏等領(lǐng)域的推廣運(yùn)用提供借鑒。

1 石膏礦渣綠色材料的制備

礦渣在激發(fā)劑（石灰、水泥等）提供的堿性條件下，活性的二氧化硅和三氧化鋁不斷從礦渣中解離出來參與水化反應(yīng)生成C-S-H，石膏進(jìn)一步激發(fā)生成AFt，能更好地提高材料的強(qiáng)度和耐水性。激發(fā)劑是石膏礦渣綠色材料不可或缺的材料，可提供足夠的OH-，其主要以水泥、生石灰和復(fù)合激發(fā)劑為主。張毅等［1］通過2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的生石灰激發(fā)原狀脫硫石膏（或磷石膏）礦渣綠色材料，28 d后抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別大于30 MPa和3 MPa，但抗凍融能力差且需要高溫養(yǎng)護(hù)1 d。陽超琴等［2］利用8%的 SH（主要成分為 CaO、SiO2、Na2O、H2O）改性磷石膏，其28 d后抗壓強(qiáng)度為29.4 MPa。黎良元等［3］利用復(fù)配堿激發(fā)劑制備了石膏-礦渣凝膠材料，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為12.6 MPa和6.0 MPa，軟化系數(shù)為 0.77。 吳其勝等［4］研究了 NaOH、KAl2（SO4）3、Na2SO4和Na2SiO3等4種激發(fā)劑的激發(fā)效果，發(fā)現(xiàn)硅酸鈉能很好地改善綠色材料的性能，28 d后抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度僅為12.6 MPa和4.9 MPa。何玉鑫等［5］用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的生石灰和輔助激發(fā)劑激發(fā)礦渣，得到的綠色材料28 d后抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為40.1 MPa和11.0 MPa，且利用10%的水泥和輔助激發(fā)劑激發(fā)礦渣，28 d后抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為41.9 MPa和7.1 MPa，軟化系數(shù)為0.94。樊先平等［6］發(fā)現(xiàn)綠色材料中水泥摻加量為7%～10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)可獲得最佳性能。綜上所述，為獲得高強(qiáng)度和高耐水性能的石膏礦渣綠色材料，常用水泥的摻加量為7%～10%，即生石灰摻加量為3%～4%；同時(shí)，輔助激發(fā)劑是石膏礦渣綠色材料必不可少的，可克服其凝結(jié)時(shí)間短和早期強(qiáng)度低等缺陷。

1.1 輔助激發(fā)劑改性

石膏礦渣綠色材料因其凝結(jié)時(shí)間短、早期強(qiáng)度低、碳化性能差和易起砂等缺點(diǎn)，在應(yīng)用上仍受到一定的限制。筆者對(duì)不同添加劑改性石膏礦渣綠色材料作了分析，以期推動(dòng)石膏礦渣綠色材料的發(fā)展。

1.1.1 鋼渣改性

鋼渣的主要礦物成分是硅酸二鈣、硅酸三鈣、RO相（MgO、FeO和MnO的固溶體）及少量的游離氧化鈣等，由于雜質(zhì)溶進(jìn)物相中，使其不具有水泥熟料的高活性，通過粉磨、外加劑激發(fā)（硫酸鈉、水玻璃、硫酸鋁和石膏等）可有效提高鋼渣的活性。Y.Huang等［7］將鋼渣摻入磷石膏-礦渣體系中，抗壓強(qiáng)度超過40 MPa。殷小川等［8］采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的鋼渣改性磷石膏堿性，有效固定了磷石膏中可溶性磷和可溶性氟，提高了磷石膏基水泥的早期性能，3d和28 d后抗壓強(qiáng)度分別超過10MPa和49MPa。

1.1.2 水玻璃改性

水玻璃主要成分是SiO2和Na2O，可以為體系提供足夠的OH-，激發(fā)礦渣水化，是一種良好的輔助激發(fā)劑。何玉鑫等［5］利用自制的水玻璃輔助生石灰激發(fā)礦渣，不僅提高了體系的力學(xué)性能和耐水性能，而且有效抑制了硬化體的膨脹。田亮等［9］利用水玻璃和特種化纖改善了綠色材料的韌性和強(qiáng)度，160 d后抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為43.4 MPa和9.3 MPa。

1.1.3 硫酸鹽改性

硫酸鹽可充分激發(fā)硬石膏膠凝性，有效開發(fā)出硬石膏礦渣綠色材料。彭家惠等［10］在600℃下煅燒明礬以加快硬石膏水化和改善硬化體顯微結(jié)構(gòu)，硬石膏1 d和3 d后的水化率從7.2%和12.9%分別提高到29.3%和45.5%，輔助水泥激發(fā)礦渣，獲得抗壓強(qiáng)度為30.5 MPa，軟化系數(shù)為0.78。

1.1.4 復(fù)合添加劑改性

針對(duì)石膏礦渣綠色材料的凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)和強(qiáng)度低的不足，可將工業(yè)副產(chǎn)二水石膏和硬石膏復(fù)配，利用硫酸鹽、堿性激發(fā)（水泥、石灰等）和其他鹽類激發(fā)（K2Cr2O4和Na2Cr2O4等）先對(duì)硬石膏活性進(jìn)行改性。石宗利等［11］摻入硫酸鹽激發(fā)氟石膏的活性，加快了無水硫酸鈣水化速度和二水石膏的過飽和和析晶速度，縮短了凝結(jié)時(shí)間（初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別為3 h和6.4 h）；利用苛性堿和水玻璃輔助水泥激發(fā)礦渣，生成大量水硬性產(chǎn)物，但AFt含量過多，內(nèi)部應(yīng)力集中出現(xiàn)裂紋。應(yīng)俊等［12］摻入硫酸鹽和水玻璃的復(fù)合激發(fā)劑，輔助水泥激發(fā)礦渣，制備的綠色材料28 d后抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別達(dá)到40.5 MPa和7.4 MPa，吸水率和軟化系數(shù)分別為4.2%和0.92。

2 石膏礦渣綠色材料應(yīng)用

2.1 保溫材料

石膏礦渣綠色材料運(yùn)用于保溫隔熱性能的復(fù)合墻體材料，可保護(hù)環(huán)境和綜合利用資源。李久明等［13］對(duì)聚苯乙烯（EPS）顆粒進(jìn)行改性處理，提高了EPS-石膏-礦渣墻體保溫材料的強(qiáng)度、軟化系數(shù)的同時(shí)還保持著較低的導(dǎo)熱系數(shù)。李化建等［14］用秸稈纖維改性脫硫石膏基輕質(zhì)保溫墻體材料，具有能耗低、成本低、施工強(qiáng)度低、保溫隔熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，可用于工業(yè)和民用建筑、車站候車室等室溫墻體保溫材料。晉強(qiáng)等［15］在石膏礦渣綠色材料中摻入棉花秸稈，可以改善EPS顆粒懸浮的缺點(diǎn)，具有較好的保溫性能和合適的力學(xué)性能，為固體廢棄物再利用指出了資源化的新途徑。

2.2 混凝土

石膏礦渣綠色材料通過鋼渣粉、促凝劑、減水劑等可以彌補(bǔ)凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、起砂和碳化性能差等不足，促進(jìn)其在混凝土中的運(yùn)用。林宗壽等通過鋼渣粉改性磷石膏礦渣綠色材料，可縮短磷石膏基混凝土的凝結(jié)時(shí)間［16］，兼具抗起砂和抗碳化性能［17］。石宗利等［18］利用減水劑、早強(qiáng)劑、半水石膏和促凝劑等制備高強(qiáng)石膏基混凝土磚和砌塊，在有效降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、保護(hù)土地資源和環(huán)境的目標(biāo)。

2.3 免煅燒磚

傳統(tǒng)黏土磚因占地多、能耗高、磚自重大，施工生產(chǎn)中勞動(dòng)強(qiáng)度高、工效低的缺點(diǎn)，正逐步被新型材料取代。石膏礦渣綠色磚的制備有利于環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，只需復(fù)合礦物改性劑的高效激發(fā)，便可具有較優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度與耐水性能。周可友等［19］復(fù)摻激發(fā)劑及早強(qiáng)劑、減水劑，石膏礦渣綠色磚在14 d后抗壓強(qiáng)度達(dá)26.3 MPa，軟化系數(shù)為0.94，凍融循環(huán)25次的強(qiáng)度損失率為7.5%，質(zhì)量損失率為1.9%，可滿足JC 238—1991《粉煤灰砌塊》中的抗凍耐水要求。何玉鑫等［20］采用綠色材料制備免煅燒磷石膏磚，28 d后抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為35.8 MPa和3.3 MPa，吸水率和軟化系數(shù)分別為2.3%和0.90。

2.4 粉刷石膏

國(guó)內(nèi)外內(nèi)墻抹灰材料充分利用了石膏輕質(zhì)、防火、保溫隔熱和吸聲等功能，同時(shí)還具有不易開裂和黏結(jié)強(qiáng)度較高的特點(diǎn)。目前，石膏礦渣綠色粉刷材料主要是以硬石膏為主要研究對(duì)象，通過添加增強(qiáng)材料與活性激發(fā)劑等手段激發(fā)硬石膏的活性，生產(chǎn)出性能優(yōu)異的粉刷石膏。 王錦華等［21］和楊新亞等［22］利用激發(fā)劑激發(fā)硬石膏礦渣材料，在保水劑和水泥等材料的作用下制備了各項(xiàng)性能滿足JC/T 517—2004《粉刷石膏》標(biāo)準(zhǔn)要求的粉刷石膏產(chǎn)品。

2.5 自流平材料

石膏強(qiáng)度低和耐水性差制約了其在自流平材料的運(yùn)用，減水劑、早強(qiáng)劑和堿激發(fā)劑可明顯改善石膏自流平材料的各項(xiàng)性能。張國(guó)防等［23］采用復(fù)配礦渣和粉煤灰改性脫硫石膏，在早強(qiáng)劑和減水劑的作用下制備了節(jié)能環(huán)保、低成本的石膏基防靜電自流平砂漿。鋁酸鹽水泥是一種快硬水泥，可縮短石膏復(fù)合材料的凝結(jié)時(shí)間。謝建海等［24］采用脫硫石膏占36%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）、礦渣粉占32%、硫鋁酸鹽水泥占28%、堿性激發(fā)劑占4%配制的脫硫石膏自流平材料流動(dòng)度達(dá)170 mm以上，30 min流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失很小，絕干抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到6.8 MPa和29.2 MPa，軟化系數(shù)達(dá) 0.82。

3 展望與結(jié)論

石膏礦渣綠色材料是一種新型綠色環(huán)保材料，具有重要和積極的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。因此應(yīng)促進(jìn)其在建筑領(lǐng)域中的深入研究和運(yùn)用，努力加快石膏礦渣綠色材料產(chǎn)業(yè)化的步伐。但是，石膏礦渣綠色材料的推廣過程中仍然存在一些亟需解決的問題：1）作為一種新型材料，石膏礦渣綠色材料在抗碳化性能、抗凍融性能和耐堿性能等一系列耐久性能方面的研究較少，缺少充足的理論依據(jù)；2）石膏礦渣綠色材料的起粉、起砂、返霜等問題也是不容忽視的重要問題，有待研究者提出有效的解決辦法。

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