高強防水石膏復(fù)合材料制備及其性能研究

程磊，張曉果

（1.南昌航空大學(xué)科技學(xué)院，江西共青城，332020；2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，河南鄭州，450000）

0 引言

脫硫石膏是FGD 過程的工業(yè)副產(chǎn)品，年產(chǎn)接近萬噸，較大的工業(yè)產(chǎn)量造成了一定的環(huán)境壓力、經(jīng)濟壓力。對脫硫石膏再利用，發(fā)揮其比強度高、隔熱保溫性強、防火性能好的性能優(yōu)勢具有現(xiàn)實意義［1］。但同時，脫硫石膏吸濕性強、防水性差、易軟化，這限制了其使用及發(fā)展。針對此缺陷，進行改性研究以提高石膏制品的防水性十分重要。本文將以脫硫石膏粉、礦渣微粉為原料，結(jié)合硅酸鹽水泥、粉煤灰、防水劑［2］制備具有一定防水性的高強石膏制品。

1 實驗

1.1 原材料

脫硫石膏粉，工業(yè)級，粉末狀，標準稠度用水量0.51，初凝時間7.5min、終凝時間12min，江西天宏新材料科技有限公司；礦渣微粉，工業(yè)級，密度約2.68g/cm3，江西天宏新材料科技有限公司；粉煤灰，工業(yè)級，I 級粉煤灰，江西天宏新材料科技有限公司；有機硅憎水劑，分析純，北京廣聯(lián)恒進裝飾有限公司；硅酸鹽水泥，P·O42.5，江西亞東水泥有限公司。

1.2 實驗過程

稱取500g 脫硫石膏粉與不同質(zhì)量的礦渣微粉充分混合后獲得粉料1；將硅酸鹽水泥和粉煤灰以不同比例按總質(zhì)量150g 混合均勻后獲得粉料2；以0.5的水膏比，將粉料1、粉料2 和固定質(zhì)量10g 的有機硅防水劑在攪拌機中充分拌合，而后澆入尺寸為40mm×40mm×160mm 的三聯(lián)試模中，振實臺上振搗，2h 后凝固脫模，在室溫條件下自然養(yǎng)護14 天得到復(fù)合石膏制件，組分配比見表1。

表1 石膏材料組分表

1.3 性能測試

每組包含三個試件，各測試結(jié)果取平均值。依照《建筑石膏力學(xué)性能的測定》（GB/T 17669.3—1999）進行干抗折強度、抗壓強度檢測；依照《石膏砌塊》（JC/T 698—2010），將自然養(yǎng)護完成的試件浸泡于水中，24h 后取出計算吸水率，并測試其吸水狀態(tài)強度，完成軟化系數(shù)測定；用掃描電子顯微鏡觀測純脫硫石膏制件和復(fù)合石膏制件的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 脫硫石膏粉的X 射線衍射分析

圖1 為脫硫石膏粉X 射線衍射圖，分析衍射圖譜，試驗所用脫硫石膏粉主要成分為CaSO4·2H2O，并含有少量Fe、Al、Si 等雜質(zhì)。

圖1 脫硫石膏粉X 射線衍射圖

2.2 不同礦渣微粉摻入比例性能比較

對照組不進行無機粉料和有機硅防水劑的摻入，測試其干抗壓強度約為14.7MPa，抗折強度約為4.9Mpa，吸水率達32%，軟化系數(shù)為0.41。圖2 為不同礦渣微粉摻入對石膏復(fù)合制件抗壓強度、抗彎強度的影響。在水泥、粉煤灰加入量一定時，隨著礦渣微粉摻入量增加，制件力學(xué)性能指標呈上升趨勢。石膏復(fù)合制件抗壓強度可達20MPa 以上，抗彎曲強度為8MPa 至9MPa，較對照組力學(xué)性能有大幅提高。當脫硫石膏與礦渣微粉質(zhì)量比為5：2 左右時，能獲得較高的力學(xué)性能，抗壓強度達22.5MPa，抗彎強度為8.9MPa。圖3 是石膏制品的防水性能指標，隨著礦渣粉摻入量增加，制品的吸水率降低，軟化系數(shù)增大。當組別1 脫硫石膏粉和礦渣粉的質(zhì)量比為2：1 時，吸水率達17.65%，軟化系數(shù)為0.71。在水泥的激發(fā)作用下，礦渣微粉的摻入能夠改善石膏制品的力學(xué)性能，提高防水性，礦渣粉的摻入改善了石膏的微觀結(jié)構(gòu)［3］。但過大的礦渣微粉摻入會改變石膏氣硬性膠凝材料［4］的優(yōu)點。

圖2 不同礦渣粉摻入量石膏材料力學(xué)性能

圖3 不同礦渣粉摻入量石膏材料防水性能

2.3 硅酸鹽水泥與粉煤灰不同比例摻入性能比較

粉煤灰與硅酸鹽水泥按照不同比例摻入對試件力學(xué)性能的影響如圖4。隨著硅酸鹽水泥摻入量的降低，制品的力學(xué)性能快速下降。當組別7 硅酸鹽水泥和粉煤灰質(zhì)量比為1：14 時，抗壓強度為17.2MPa，抗彎強度為5.8MPa。而水泥、粉煤灰摻入比例變化對石膏復(fù)合制品防水性能影響不太顯著，見圖5。粉煤灰和水泥一樣，摻入后參與水化反應(yīng)，形成了耐水性相［5］，吸水率略有降低，軟化系數(shù)有所提高。

圖4 不同粉煤灰摻入石膏材料力學(xué)性能

圖5 不同粉煤灰摻雜石膏材料防水性能

2.4 微觀形貌

純脫硫石膏制品（對照組）微觀形貌如圖6，其結(jié)構(gòu)多為針狀一維結(jié)構(gòu)，相互交錯、穿插生長。進行無機粉料和有機防水劑摻雜后，石膏制品（第3 組）微觀形貌如圖7 所示，相對圖6，其結(jié)構(gòu)由針狀變成了板片狀，由一維向二維轉(zhuǎn)變，提高了晶粒接觸點的穩(wěn)定性，遇水穩(wěn)定性增強，防水性提高。無機粉料發(fā)生水化反應(yīng)生成耐水性能好、強度高的新相，同時與石膏形成新的凝膠體，二者彌散分布在晶體表面及間隙處，使石膏復(fù)合制件的力學(xué)性能和耐水性顯著提高［6-8］。

圖6 對照組微觀形貌

圖7 摻雜組（3 號）微觀形貌

3 結(jié)語

（1）利用脫硫石膏粉、礦渣微粉、硅酸鹽水泥、粉煤灰及有機硅防水劑可制備出具有一定防水性的高強石膏復(fù)合制件，較純脫硫石膏制件性能大幅提高，抗壓強度可達20MPa 以上，抗彎強度接近9MPa，吸水率在20%左右，軟化系數(shù)接近0.7。

（2）礦渣微粉、硅酸鹽水泥、粉煤灰的摻入改善了石膏的微觀結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)由針狀變成了板片狀，提高了晶粒接觸點的穩(wěn)定性，遇水穩(wěn)定性增強。

（3）一方面，無機復(fù)合粉料發(fā)生水化反應(yīng)生成耐水性能好、強度高的新相；另一方面，無機復(fù)合粉料與石膏形成新的凝膠體。二者彌散分布在晶體表面及間隙處，提高了力學(xué)性能和耐水性。

（4）無機復(fù)合粉料摻入改性是提高脫硫石膏性能和實現(xiàn)礦渣工業(yè)廢料再利用以獲得防水高強制品的有效途徑。