脫硫石膏在干混砂漿中的應(yīng)用

董麗卿，賈陸軍

(綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料與建造學(xué)院，綿陽 621000)

脫硫石膏是對含硫燃料燃燒后產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行脫硫凈化處理而得到的工業(yè)副產(chǎn)石膏。長期以來，大量的脫硫石膏不僅占用土地資源，其含有的酸根、重金屬等污染物還會(huì)對空氣、水體和土壤產(chǎn)生巨大的污染，僅2019年，我國脫硫石膏產(chǎn)量就達(dá)到了71.5 Mt[1,2]。關(guān)于脫硫石膏的利用，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究。Rungrudee[3]等利用火山灰、煙氣脫硫石膏和粘土創(chuàng)新性地制備出一種類陶瓷結(jié)構(gòu)的植物生長材料。Greenway[4]等人研究了脫硫石膏在農(nóng)業(yè)土壤改良劑方面的應(yīng)用，證明了這種改良劑對淡水生物無害。Xu Aiye[5]等利用脫硫石膏制備出了CaSO4晶須，并給出了制備工藝?？紤]到最大程度的提高消納量，將脫硫石膏應(yīng)用于建筑材料中也是一個(gè)研究熱點(diǎn)。Baohong Guan[6]對鋁酸鈣水泥和脫硫石膏復(fù)合漿體的早期水化特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明脫硫石膏的摻入加速了鈣礬石的水化速度，有利于提升鋁酸鈣水泥的強(qiáng)度。徐鳳廣[7]利用脫硫石膏漿液制備了高強(qiáng)水泥基自流平砂漿，給出了較優(yōu)配比，并對水化產(chǎn)物進(jìn)行了表征。

脫硫石膏的主要成分是CaSO4·2H2O，經(jīng)煅燒后可以生產(chǎn)出β-CaSO4·0.5H2O，可作為建筑石膏使用。文章主要以煅燒脫硫石膏為主要研究對象，將烘干后的脫硫石膏摻入干混砂漿中，復(fù)配粉煤灰、礦粉等礦物摻合料，以優(yōu)化砂漿的膠材性能，通過調(diào)節(jié)外加劑的種類和用量，得到綜合性能良好的干混砂漿產(chǎn)品，為脫硫石膏的綠色可持續(xù)利用提供一種行之有效的技術(shù)方案。

1 原材料與實(shí)驗(yàn)方案

1.1 原材料

PO 42.5R水泥由重慶富皇水泥廠提供，脫硫石膏由重慶富皇水泥廠提供，粉煤灰由重慶安穩(wěn)電廠提供，礦粉取自鈺宏再生資源有限公司。對水泥、脫硫石膏、粉煤灰和礦粉樣品進(jìn)行XRF分析，結(jié)果如表1所示。

表1 原料的XRF測試結(jié)果

纖維素醚，為白色粉末，其粘度為35 000 mP·s；引氣劑為十二烷基硫酸鈉(K12)，呈白色粉末狀；此兩種化學(xué)外加劑均由廣東龍湖科技股份有限公司提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)及測試方法

實(shí)驗(yàn)所選取的基礎(chǔ)配比強(qiáng)度等級為M5，不添加任何外加劑的干混抹灰砂漿，其中水泥120 kg/t，砂880 kg/t。將所有原料烘干后，根據(jù)配比加入砂漿攪拌機(jī)中攪拌1 min，再邊攪拌邊加入混合均勻的干粉外加劑，繼續(xù)攪拌1 min后，再加入水?dāng)嚢? min，然后將攪拌均勻的砂漿倒出，測試其稠度、保水率和容重等相關(guān)性能參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中礦物摻合料按內(nèi)摻計(jì)算，化學(xué)外加劑按外摻計(jì)算。

抗壓強(qiáng)度、稠度和保水率等相關(guān)實(shí)驗(yàn)測試根據(jù)JGJ/T70—2009進(jìn)行，對照組的初始稠度控制在80 mm左右，2 h稠度損失控制在30%以內(nèi)，凝結(jié)時(shí)間控制在3～5 h范圍內(nèi)。強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)采用的試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，40 ℃蒸養(yǎng)3 d后測試其抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 脫硫石膏

將烘干后的β-半水石膏替換部分水泥作為膠材，不添加任何外加劑，考察脫硫石膏摻量變化對砂漿基本性能的影響規(guī)律，結(jié)果如表2所示。

表2 脫硫石膏梯度實(shí)驗(yàn)

根據(jù)表2結(jié)果可知，隨著脫硫石膏摻量的增大，初始稠度緩慢增大，2 h稠度損失率顯著增加，同時(shí)，其保水性也明顯變差。可以看到，脫硫石膏對砂漿的和易性和施工性均有不利影響，這與石膏的水化機(jī)理密切相關(guān)。石膏結(jié)晶水化速率較快，因此需水量較高，造成其施工性變差?？箟簭?qiáng)度的數(shù)據(jù)表明，適量的脫硫石膏對提高砂漿的抗壓強(qiáng)度有積極的作用，隨著脫硫石膏摻量的增加，抗壓強(qiáng)度先上升再下降，當(dāng)摻量為15 kg時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到了9.2 MPa。因此，有必要通過膠凝材料組成和配比的優(yōu)化，結(jié)合有機(jī)功能性外加劑的摻入，解決因石膏凝結(jié)硬化過快導(dǎo)致的砂漿保水性下降、施工性能變差的問題。綜合考慮施工性、抗壓強(qiáng)度和成本，選取脫硫石膏替換15 kg的水泥，作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)配比。

2.2 礦物摻合料

粉煤灰和礦渣是最常用的兩種礦物摻合料，球狀的粉煤灰具有“滾珠效應(yīng)”，有利于增強(qiáng)砂漿的流動(dòng)性，還可以起到包裹和潤滑作用，進(jìn)而使砂漿具有更好的和易性和粘聚性。礦渣中含有大量的CaO、SiO2和Al2O3等物質(zhì)，與水泥中所含礦物相近，其本身也具有一定的水化活性，可以提高砂漿的致密性，有利于砂漿強(qiáng)度的發(fā)展。粉煤灰和礦渣的用量變化對砂漿性能的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如表3、表4所示。

表4 礦渣摻量梯度實(shí)驗(yàn)

由表3可知，粉煤灰能夠在一定程度上改善砂漿的保水性，并減小稠度損失率。但是當(dāng)粉煤灰的摻量增加到一定程度后，稠度和保水率的增幅變緩?？梢姡?xì)小的粉煤灰顆?？梢云鸬教畛?、潤滑和滾珠效應(yīng)，優(yōu)化細(xì)粉的顆粒級配。力學(xué)性能的測試數(shù)據(jù)表明，隨著粉煤灰的摻入，砂漿的抗壓強(qiáng)度先增加后下降。當(dāng)摻量為5 kg時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到了10.3 MPa?？紤]砂漿等級為M5，以及最大程度的使用粉煤灰，確定粉煤灰摻量為20 kg，進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

由表4可知，隨著礦渣用量的增加，砂漿的初始稠度逐漸增大，保水率逐漸降低，稠度損失也逐漸增大。因?yàn)榈V渣大部分呈玻璃體結(jié)構(gòu)，表面較為光滑，不易吸水，因此，加入的礦渣粉末過多會(huì)導(dǎo)致砂漿容易泌水，使砂漿的稠度損失過大。隨著礦渣摻量的增加，砂漿的抗壓強(qiáng)度先增加后下降，當(dāng)摻量為10 kg時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到了8.9 MPa。在綜合考慮礦渣利用率與砂漿工作性能后，選用礦渣摻量10 kg進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.3 化學(xué)外加劑

纖維素醚中含有大量的醚鍵和羥基，溶于水后會(huì)形成高黏度的溶液，加入砂漿中有利于提高砂漿的保水性和抗垂掛性能，對加入有石膏和礦渣的這種保水性差的砂漿改善作用明顯。根據(jù)之前的實(shí)驗(yàn)配比，進(jìn)行纖維素醚的梯度實(shí)驗(yàn)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。相對于未加入纖維素醚的砂漿，加入纖維素醚后，砂漿的保水率和稠度損失率都有較大改善，綜合保水率和兩小時(shí)稠度損失率來看，纖維素用量為5～6 g/t時(shí)綜合性能較優(yōu)，超過6 g/t時(shí)，砂漿密度有增加趨勢，這有可能導(dǎo)致上墻后不易掛漿，容易下墜脫落，硬化后出現(xiàn)部分空鼓的現(xiàn)象。該實(shí)驗(yàn)條件下，纖維素醚用量不宜高于6 g/t，選用5.5 g/t進(jìn)行后續(xù)研究。

表5 纖維素醚的梯度實(shí)驗(yàn)

由于干混砂漿對和易性的要求較高，加入引氣劑可以有效改善砂漿的和易性、保水性等性能，還能減小砂漿的容重，提高砂漿的抗流掛性能，同時(shí)，也有利于提高砂漿的抗?jié)B性。該實(shí)驗(yàn)采用十二烷基硫酸鈉引氣劑(K12)，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。在摻量不超過10 g/t的范圍內(nèi)，隨著引氣劑摻量的增加，砂漿的初始稠度逐漸增加，但是當(dāng)引氣劑摻量達(dá)到10 g/t后，稠度開始下降，保水率也有一定程度的下降，可能是砂漿中的含氣量超過一定程度后，氣泡相互融合，當(dāng)氣泡大到一定程度后會(huì)破裂，導(dǎo)致砂漿含氣量下降，進(jìn)而引起稠度下降和稠度損失變大。綜合來看，K12引氣劑的最優(yōu)摻量為8 g/t。

表6 K12引氣劑梯度實(shí)驗(yàn)

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終確定的干混砂漿優(yōu)化配比如表7所示，在此配比下，抗壓強(qiáng)度達(dá)到7.6 MPa，滿足設(shè)計(jì)的M5等級的要求。

表7 脫硫石膏干混砂漿較優(yōu)配比

3 結(jié) 論

a.脫硫石膏凝結(jié)時(shí)間較快，摻入后將使砂漿的保水性變差，2 h稠度損失率增加，整體施工性能下降，但適量的脫硫石膏對提高砂漿的抗壓強(qiáng)度有積極的作用。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和石膏利用率考慮，選用15 kg/t的脫硫石膏取代水泥。

b.粉煤灰顆粒能夠有效的增強(qiáng)砂漿的流動(dòng)性，取代部分水泥后，可以改善砂漿的保水性和稠度，摻量為20 kg/t時(shí)具有較好的效果。相較粉煤灰而言，礦渣過量容易離析泌水，使砂漿的初始稠度增大，且2 h后的稠度損失較大，綜合考慮，礦渣的摻量為10 kg/t時(shí)，砂漿各方面的綜合性能較好。

c.纖維素醚的加入有利于改善砂漿的和易性和保水性，纖維素醚的適宜摻量為5.5 g/t。引氣劑可以有效的改善砂漿的保水性、抗?jié)B性和流變性，能夠改善砂漿的和易性，有利于施工，摻量在8 g/t時(shí)具有較好的效果。