膨脹珍珠巖/脫硫石膏復(fù)合材料的制備與性能

楊慧君，李剛，趙紅艷，王愛芹，馬玉薇，湯驊，王玉雪

（石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003）

火力發(fā)電廠在發(fā)電過程中會(huì)產(chǎn)生SO2占主要成分的爐煙，其直接排入大氣，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，在加裝脫硫裝置后會(huì)排出大量固體脫硫石膏，其產(chǎn)量在2012～2016 年間從5230 萬(wàn)t 增加到7100 萬(wàn)t，且仍在逐年增長(zhǎng)，如果不加以妥善處理，脫硫石膏的堆積將會(huì)占用大量土地資源，其所含的重金屬、酸性氧化物等物質(zhì)會(huì)污染環(huán)境，因此，脫硫石膏的資源化利用已經(jīng)成為人們必須面對(duì)的一個(gè)重大社會(huì)問題[1]。

目前，我國(guó)對(duì)脫硫石膏的利用主要包括做水泥緩凝劑、制備建筑石膏、硫酸鈣晶須、防水塊、防火板以及改良土壤等，其中，脫硫石膏在建筑方面主要被制成石膏砌塊、石膏墻板、石膏粉和石膏基復(fù)合膠凝材料等[2-4]。膨脹珍珠巖是一種天然酸性玻璃質(zhì)火山熔巖，具有輕質(zhì)、保溫、隔熱、抗老化、耐腐、無(wú)毒無(wú)味等優(yōu)良性能，資源豐富，價(jià)格低廉，廣泛用于建筑、輕工、鑄造、醫(yī)藥、食品、農(nóng)林園藝等行業(yè)[5-6]。大多數(shù)學(xué)者都認(rèn)識(shí)到了脫硫石膏及膨脹珍珠巖優(yōu)良的發(fā)展前景，利用它們制備建筑材料，但研究重點(diǎn)多在于各種添加物對(duì)石膏材料的影響，對(duì)于具體的制備過程研究較少。而且隨著我國(guó)對(duì)大氣污染治理的高度重視，煙氣脫硫設(shè)施會(huì)越來(lái)越完善，脫硫石膏產(chǎn)量將持續(xù)增加，預(yù)計(jì)到2022 年，我國(guó)脫硫石膏生產(chǎn)量將達(dá)7350 萬(wàn)t，利用率將遞增為84%，但與德國(guó)、日本等國(guó)100%的利用率相比仍存在一定的差距[7]。因此，為了進(jìn)一步提高脫硫石膏的附加值和利用量[8]，同時(shí)考慮到膨脹珍珠巖眾多的優(yōu)良性能，以脫硫石膏和膨脹珍珠巖為主料，并考慮到石膏的快速凝結(jié)性能，添加部分檸檬酸減緩石膏凝結(jié)速度，制備一種輕質(zhì)復(fù)合材料，研究材料制備方式、試件振搗次數(shù)、膨脹珍珠巖摻量對(duì)膨脹珍珠巖/脫硫石膏復(fù)合材料性能的影響，確定制備該復(fù)合材料的較優(yōu)方式。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

脫硫石膏為新疆石河子市天富熱電廠所產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，其主要成分為二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O）；膨脹珍珠巖為寧波豫浙保溫建材有限公司生產(chǎn)，其顆粒大小為1～4 mm；檸檬酸為天津市盛奧化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；實(shí)驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)所用主要儀器包括箱式電阻爐、水泥膠砂攪拌機(jī)、水泥膠砂振實(shí)臺(tái)、電子計(jì)重秤、電熱鼓風(fēng)干燥箱、電動(dòng)抗折實(shí)驗(yàn)機(jī)、萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 原材料處理

將脫硫石膏放置在溫度為350℃的箱式電阻爐中煅燒3 h 脫去3/2 結(jié)晶水，然后于爐中自然降溫取出，放置于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中自然降至室溫，過孔徑0.63 mm 的篩子，制得石膏粉。

1.3.2 試件制備

稱取實(shí)驗(yàn)所需的原料，依次加入攪拌鍋中，攪拌均勻，然后倒入尺寸為40×40×160 mm 的水泥膠砂三聯(lián)模具中，放置于水泥膠砂振實(shí)臺(tái)上，振搗成型，在實(shí)驗(yàn)室自然環(huán)境中放置1 d 后拆模。每組實(shí)驗(yàn)做兩組試模，共6 個(gè)試件。

1.3.3 性能測(cè)試

制備好的試件在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中自然養(yǎng)護(hù)7 d后，將一組中的3 個(gè)試件放置于溫度為（40±2）℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘至恒重，取出稱重，計(jì)算其干表觀密度，測(cè)其絕干狀態(tài)下的抗折、抗壓強(qiáng)度。一組中的另外3 個(gè)試件沒入（20±2）℃的水中，吸水4 h 后取出，用濕毛巾擦干試件表面水份，測(cè)其吸水飽和狀態(tài)下的抗折、抗壓強(qiáng)度。試件性能的測(cè)試參照GB/T 17669.3—1999《建筑石膏力學(xué)性能的測(cè)定》。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料制備方式對(duì)復(fù)合材料性能的影響

材料制備方式對(duì)復(fù)合材料性能的影響見圖1、2、3。其中，材料制備方式有4 種，方式1 是先在攪拌鍋中加入石膏粉，再加入檸檬酸低速攪拌60 s，然后加入膨脹珍珠巖低速攪拌60 s，最后加入水低速攪拌60 s，振搗40 次，成型；方式2 是先在攪拌鍋中加入膨脹珍珠巖，然后加入石膏粉，再加入檸檬酸低速攪拌60 s，最后加入水低速攪拌60 s，振搗40 次，成型；方式3 是先在攪拌鍋A 中加入石膏粉，再加入檸檬酸低速攪拌60 s，然后在攪拌鍋B 中加入水，再加入攪拌鍋A 中的混合物低速攪拌30 s，然后加入膨脹珍珠巖低速攪拌30 s，振搗40 次，成型；方式4 是先在攪拌鍋A 中加入石膏粉，再加入檸檬酸低速攪拌60 s，然后在攪拌鍋B 中加入水，再加入膨脹珍珠巖，然后加入攪拌鍋A 中的混合物低速攪拌60 s，振搗40 次，成型。

圖1 材料制備方式對(duì)復(fù)合材料性能的影響Fig.1 Effect of material preparation method on properties of composites

從圖1（a）可以看出，采用方式1 和方式4 時(shí)復(fù)合材料的絕干強(qiáng)度較采用方式2 和方式3 時(shí)大，其絕干抗折強(qiáng)度、絕干抗壓強(qiáng)度分別為4.79 MPa、11.32 MPa 和4.66 MPa、11.61 MPa；從圖1（b）可以看出，采用方式1 時(shí)復(fù)合材料的飽水強(qiáng)度較大，飽水抗折強(qiáng)度和飽水抗壓強(qiáng)度分別為1.76 MPa、4.71 MPa；從圖1（c）可以看出，采用方式1 和方式2 時(shí)復(fù)合材料的干表觀密度較小，分別為1.241 g/cm3、1.239 g/cm3，采用方式1 時(shí)復(fù)合材料的強(qiáng)度較大、干表觀密度較小。這主要是由于方式1 在石膏粉與檸檬酸充分?jǐn)嚢杈鶆虻幕A(chǔ)上摻入膨脹珍珠巖進(jìn)行攪拌，且較其余方式攪拌次數(shù)多，使得各種原料分散更均勻，然后再加入水充分?jǐn)嚢?，使得石膏漿體在同等用水量的情況下流動(dòng)性更好，制得的試件更優(yōu)異。因此，綜合考慮，方式1 是較優(yōu)的材料制備方式。

2.2 試件振搗次數(shù)對(duì)復(fù)合材料性能的影響

按照方式1 進(jìn)行原材料攪拌，采用不同振搗次數(shù)制備試件。試件振搗次數(shù)對(duì)復(fù)合材料絕干強(qiáng)度、飽水強(qiáng)度的影響分別見圖2。

從圖2 可以看出，復(fù)合材料的強(qiáng)度隨著試件振搗次數(shù)的減少呈降低-增加-降低的趨勢(shì)，在振搗次數(shù)為5 次時(shí)，其絕干抗折強(qiáng)度、飽水抗折強(qiáng)度和飽水抗壓強(qiáng)度均達(dá)到較大值，分別為4.74 MPa、1.90 MPa 和5.27 MPa，比試件振搗次數(shù)40 次時(shí)分別提高了5.80%、9.83% 和12.85%。隨著試件振搗次數(shù)的減少，試件中的小氣泡增多，試件的密實(shí)度降低，強(qiáng)度隨之降低，但當(dāng)試件振搗次數(shù)為5 次時(shí)，脫硫石膏漿體達(dá)到較優(yōu)狀態(tài)，硬化后試件強(qiáng)度增加，振搗次數(shù)低于5 次，強(qiáng)度仍然會(huì)下降。主要是因?yàn)榕蛎浾渲閹r的密度小于脫硫石膏，試件振搗次數(shù)越多，復(fù)合材料漿體中的膨脹珍珠巖上浮越明顯，整個(gè)試件上部膨脹珍珠巖居多，整體不均勻，而當(dāng)試件振搗次數(shù)為5 次時(shí)，復(fù)合材料的絕干抗折強(qiáng)度、飽水抗折強(qiáng)度和飽水抗壓強(qiáng)度均有較大值，膨脹珍珠巖均勻分散在脫硫石膏漿體中，振搗次數(shù)增加或減少，復(fù)合材料漿體均不處于較優(yōu)狀態(tài)，試件強(qiáng)度都會(huì)降低[9]。當(dāng)試件振搗次數(shù)為0 次時(shí)，試件的絕干抗折強(qiáng)度、絕干抗壓強(qiáng)度、飽水抗折強(qiáng)度和飽水抗壓強(qiáng)度分別為3.99 MPa、9.18 MPa、1.78 MPa 和4.70 MPa，同時(shí)也可滿足GB/T9776—2008《建筑石膏》、JC/T 698—2010《石膏砌塊》、GB/T28627—2012《抹灰石膏》的強(qiáng)度要求。

圖2 試件振搗次數(shù)對(duì)復(fù)合材料性能的影響Fig.2 Effect of vibration frequency of specimen on properties of composites

試件振搗次數(shù)對(duì)復(fù)合材料干表觀密度的影響見圖3?？梢钥闯?，試件振搗次數(shù)越少，復(fù)合材料干表觀密度越小。當(dāng)試件振搗次數(shù)為0 次時(shí)，復(fù)合材料的干表觀密度達(dá)到最小值，為1.213 g/cm3。由于膨脹珍珠巖是一種輕質(zhì)材料，在石膏漿體中存在上浮現(xiàn)象，隨著試件振搗次數(shù)的減少，其上浮現(xiàn)象減輕，可以更均勻地分散在漿體中；同時(shí)，試件振搗次數(shù)越少，漿體中存在的小氣泡越多，因此，復(fù)合材料干表觀密度越小。

圖3 試件振搗次數(shù)對(duì)復(fù)合材料干表觀密度的影響Fig.3 Effect of vibration frequency on dry apparent density of composites

試件分別振搗5、0 次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在膨脹珍珠巖摻量均為0.5%的情況下，試件振搗0 次時(shí)表面膨脹珍珠巖的量明顯少于試件振搗5 次時(shí)的量。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，振搗次數(shù)越多，石膏漿體流動(dòng)性越好，雖然試件只振搗了5 次，但其漿體較振搗次數(shù)為0 次的漿體具有更大的流動(dòng)性，膨脹珍珠巖上浮明顯。

綜合考慮，試件振搗次數(shù)為0 次時(shí)，制備的試件中膨脹珍珠巖分散更均勻，雖然強(qiáng)度未達(dá)到較大值，但滿足規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度要求，因此試件的較優(yōu)振搗次數(shù)為0 次。

2.3 膨脹珍珠巖摻量對(duì)復(fù)合材料性能的影響

選用膨脹珍珠巖摻量為0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%，在采用方式1 進(jìn)行原材料攪拌后試件直接成型的制備基礎(chǔ)上，研究其對(duì)復(fù)合材料性能的影響。膨脹珍珠巖摻量對(duì)復(fù)合材料絕干強(qiáng)度、飽水強(qiáng)度的影響見圖4。從圖中可以看出，隨著膨脹珍珠巖摻量的增加，復(fù)合材料的強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。其中，當(dāng)膨脹珍珠巖摻量為1.5%時(shí)，其飽水抗折強(qiáng)度和飽水抗壓強(qiáng)度有所增加，分別為1.81 MPa、4.43 MPa；當(dāng)膨脹珍珠巖摻量為2.0% 時(shí)，復(fù)合材料的絕干抗折強(qiáng)度也有所增加，為3.83 MPa。膨脹珍珠巖摻量增加，其周圍包裹的石膏漿體就會(huì)減少，且膨脹珍珠巖質(zhì)輕，強(qiáng)度不高，在石膏漿體中主要起填充作用，因此，復(fù)合材料中膨脹珍珠巖越多，其強(qiáng)度越低。然而在膨脹珍珠巖摻量為1.5%、2.0%時(shí)，其周圍包裹的石膏漿體達(dá)到一個(gè)較優(yōu)值，復(fù)合材料強(qiáng)度有所增加[9]。

圖4 膨脹珍珠巖摻量對(duì)復(fù)合材料性能的影響Fig.4 Effect of the content of expanded perlite on the absolute dry strength of the composite

膨脹珍珠巖摻量對(duì)復(fù)合材料干表觀密度的影響見圖5。可以看出，隨著膨脹珍珠巖摻量的增加，復(fù)合材料的干表觀密度呈下降趨勢(shì)。這主要是由于膨脹珍珠巖密度較石膏小，摻量增加，其周圍包裹的石膏漿體會(huì)隨之減少，膨脹珍珠巖越多，石膏漿體越少。

圖5 膨脹珍珠巖摻量對(duì)復(fù)合材料干表觀密度的影響Fig.5 Effect of expanded perlite content on dry apparent density of composites

綜上所述，考慮石膏復(fù)合材料的強(qiáng)度和干表觀密度，取膨脹珍珠巖的較優(yōu)摻量為2.0%。

3 結(jié) 論

石膏復(fù)合材料的制備方式、試件的振搗次數(shù)、膨脹珍珠巖的摻量均會(huì)對(duì)膨脹珍珠巖/脫硫石膏復(fù)合材料的性能產(chǎn)生一定的影響。制備膨脹珍珠巖/脫硫石膏復(fù)合材料的較優(yōu)方式為先在攪拌鍋中加入石膏粉，再加入檸檬酸攪拌，然后加入2.0%膨脹珍珠巖攪拌均勻，最后加入水低速攪拌60 s，直接成型。制得的復(fù)合材料的絕干抗折強(qiáng)度為3.83 MPa，絕干抗壓強(qiáng)度為8.92 MPa，飽水抗折強(qiáng)度為1.66 MPa，飽水抗壓強(qiáng)度為4.26 MPa，滿足所需的強(qiáng)度要求。其干表觀密度為1.166 g/cm3，較未摻入膨脹珍珠巖時(shí)降低6.27%，可使復(fù)合材料輕質(zhì)化。