脱硫石膏制备粉刷石膏、抗裂砂浆的试验研究解析

(2)水泥
甘肃祁连山水泥厂普通硅酸盐水泥，表观密度3.22g/cm3，比表面积为406 m2/kg，主要化学成分见表1.1。
(3)矿粉
矿粉是将水淬粒化高炉矿渣经过粉磨后达到规定细度的一种超细微粉材料，表观密度2.95g/cm3，比表面积分别为357m2/kg，454m2/kg和560m2/kg。本文矿粉来自永登甘草水泥厂，主要化学成分见表1.1。
b硫酸钾市售，灼烧后K2SO4含量不低于99%，符合国家标准GB/16496-1996。
2.抗裂纤维砂浆技术指标的确定
2.1抗裂砂浆相关标准规范
目前，我国抗裂砂浆尚无国家统一标准，北京地方标准——DB11T537-2008《墙体内保温施工技术规程(胶粉聚苯颗粒保温浆料玻纤网格布抗裂砂浆做法和增强粉刷石膏聚苯板做法)》和上海地方标准——DB31T366-2006《外墙外保温专用砂浆技术标准》中的相关技术指标分别如表2.2和表2.3。
Fe2O3
Al2O3
CaO
MgO
SO3
结晶水
含量
1.27
0.08
0.81
30.9
2.14
41.5
20.02
表1-2脱硫石膏的颗粒粒径分布（%）
粒度（μm）
80
60
50
40
30
20
10
5
脱硫石膏筛余（%）
6.0
14.7
8.6
20.6
33.1
12.5
1.9ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.5
其他原料有半水石膏、矿粉、生石灰、水泥、硫铝酸盐水泥、甲基纤维素、硫酸钾和外加剂。
（2）XRD分析表明按上述配方制得的粉刷石膏1d、3d、7d龄期时水化产物相继形成，结构致密，与试样表现出的综合性能结果一致。
（二）抗裂砂浆的制备
1.试验原材料
（1）脱硫石膏
脱硫石膏是由燃煤电厂进行湿法脱硫而产生的以Ca2SO4•2H2O为主要成分的工业副产品。本文脱硫石膏来自西固热电厂，主要化学成分见表1.1。
48
9.6
—
0.5
60
10
6
330
35
138
48
9.6
—
0.5
60
10
在本次试验过程中，以1、2号试样作为一组对比试验，3、4、5、6号试样作为另一组对比试验进行研究，其中，对1、2号试样进行保水剂对其性能影响的研究，对3、4号试样着重测试缓凝剂对其性能的影响，对5、6号试样在缓凝剂和保水剂的加入量均改变的条件下测其性能。在此基础上，待试样5、6终凝后，先将其脱模，随将试样5置于自然环境中养护，试样6置于45℃烘箱中养护，并测其1d的强度。所得结果见表2-3。
关键词：脱硫石膏粉刷石膏抗折强度抗压强度砂浆纤维抗裂性矿物掺合料外加剂凝结时间
脱硫石膏是用石灰或石灰石经湿法烟气脱硫得到的工业副产品，其纯度高，成份稳定，无放射性，水化硬化体有较高的强度。工业发达国家已较好的对脱硫石膏进行了资源化应用，解决了脱硫石膏在干燥、改性、应用等方面的技术性难题，应用技术比较成熟。在国内，随着热电联产装置规模逐步扩大，产生了大量的脱硫石膏副产品，从而使脱硫石膏的综合利用有着极为丰富的原材料。然而国内脱硫石膏综合利用仅是刚起步，人们对其应用价值和市场竞争力普遍认识还不够。另外天然石膏的处理工艺和设备也并不完全适合脱硫石膏，这更增加了用脱硫石膏加工生产新型建材的难度。
（3）在试块性能满足要求的前提下，通过原料配比、养护方式等的调整，找出由于各种矿物掺合料和化学外加剂的加入而引起的不良现象的原因并加以解决；
（4）在上述试验的基础上，通过正交试验确定最佳原料配比、搅拌方式、养护条件及试验工艺；
（5）对试块断面进行XRD微观表征，进行理论分析，以便给实验过程中出现的相关现象及结果找到相应的理论支撑；本次试验过程中着重对缓凝剂、保水剂以及养护条件的改变对试样物理性能的影响进行了详细的研究。其中，先以不同配方制成试样1～6，其具体加入量见表2-2：
在本实验中，加入柠檬酸钾之后，其首先形成柠檬酸钙，柠檬酸钙沉淀在半水石膏表面形成包裹层，包裹层的形成一方面减缓水化速率，另一方面阻止石膏晶体相互接触，减少形成的结晶接触点，延长结晶网的形成时间，随着水化的进行，包裹层在渗透压作用下被破坏，水化继续进行，最终形成结晶体系。
（2）对1、2号试样的对比中，试样1的凝结时间长于试样2，但其力学性能优于2号试样，究其原因，可认为甲基纤维素作为一种保水剂加入时能够保持石膏浆体中所含的水分，保证界面处石膏浆体中有足够的水分进行水化反应，从而保证粘结强度。再配以盐类激发剂，例如K2SO4，其会在二水石膏颗粒表而生成不稳定的复盐（mCaSO4·盐·nH2O），使其水化率、凝结时间、强度得到提升。具体反应过程如下：
4.实验结论
本实验对由燃煤电厂所产生的脱硫石膏的利用和经脱硫石膏所制得的粉刷石膏的改性均做了相应的试验研究，总体来说，可以得出以下结论:
（1）当二水石膏∶半水石膏∶矿粉∶水泥∶硫铝酸盐水泥∶柠檬酸钾∶生石灰∶硫酸钾=330∶35∶138∶48∶60∶0.5∶9.6∶0.5，水灰比为0.32时，所制得的粉刷石膏试样的综合性能最好；
表2-3试样的物理性能测试
物理性能
序号
初凝时间/h
终凝时间/h
抗折强度/Mpa
抗压强度/Mpa
1
3.0
7.0
1.8
4.4
2
2.0
6.5
1.0
3.6
3
1.5
4.0
1.2
3.1
4
3.0
7.0
1.8
3.4
5
3.0
7.0
2.8
4.4
6
3.0
7.0
1.8
3.4
由表（2）可以得出：
（1）对3、4号试样进行柠檬酸钾作用的对比测试，结果显示，3号试样的初、终凝时间明显长于4号，然而抗压、抗折强度却略低于4号试样，这说明柠檬酸钾作为缓凝剂加入时具有较好的缓凝效果，对强度没有明显不利影响。究其原因，可以通过水化机理解释：石膏的水化、硬化过程是一个溶解、结晶过程，无水石膏相溶解形成无水石膏饱和与二水石膏过饱和的离子系统;随着二水石膏晶体的生长，这一离子系统打破原有平衡，产生新的离子和初始水化物，二水石膏晶体大量生成。缓凝剂的作用机理就是把离子吸附于正在成长的二水石膏晶体表面上，并把这些离子结合到晶格内。从而放慢了无水石膏相的溶解速度或降低溶解度。
mCaSO4+盐·nH2O→mCaSO4·盐·nH2O（复盐）
mCaSO4·盐·nH2O （复盐）→mCaSO4·2H2O+盐·（n-2m）H2O
（3）当试样的养护条件发生变化时，试样的物理性能会发生很明显的变化，如试样5、6，虽然其配方完全一样，但是，由于试样6在烘箱中养护，使水分很快蒸发，而其内部石膏颗粒还未来得及水化，因此，其强度出现了明显的降低。相反，试样5通过在自然条件下养护，其内部的石膏颗粒有充足的水分保证水化过程的进行，故试样5的强度明显高于试样6。
创新实验论文
脱硫石膏基复合生态材料的研发
项目负责人：XXX
其 他 成员：XXX
指 导 教师：XXX
2013年12月1日
脱硫石膏制备粉刷石膏、抗裂砂浆的试验研究
摘要：本文利用未煅烧的脱硫石膏制备高附加值的粉刷石膏，主要研究了不同相脱硫石膏互配、外加剂和保水剂的种类、养护条件等对脱硫石膏基粉刷石膏制品性能的影响；裂缝是混凝土与砂浆应用中存在的重大问题。本文针对加入了脱硫石膏、矿粉等矿物掺合料的普通硅酸盐水泥砂浆，研究了纤维的尺寸、形状及掺入量对砂浆性能的影响；
2、试验内容
指导老师的指导下初步拟定粉刷石膏配方；见表2-1：
表2-1实验初期配方
原料
二水石膏
半水石膏
矿粉
水泥
甲基纤维素
柠檬酸钾
生石灰
W/C
掺量
105
105
98
35
0.6
0.9
4
0.32
（2）按照上表的原料配比进行试验，以国标JC/T517—2004对粉刷石膏初、终凝时间，抗折强度，抗压强度，保水率的要求为标准，逐步调整粉刷石膏配方，改进搅拌方式，改变养护条件直至所有主要性能均满足要求，并确定粉刷石膏力学性能与主要原料种类及其配比、搅拌方式以及养护条件之间的关系；
本文利用未煅烧的脱硫石膏制备高附加值的粉刷石膏，以替代水泥、砂浆等抹灰材料，从而实现节约能源，达到对工业废物再次利用等一系列优点。
（一）粉刷石膏的制备
1.试验原材料
本实验所用主要原料--脱硫石膏来自西固热电厂，其主要化学成分及颗粒粒径分布如表1-1、1-2所示。
表1-1脱硫石膏的化学成分（%）
组分
SiO2
结果表明：（1）当二水石膏∶半水石膏∶矿粉∶水泥∶硫铝酸盐水泥∶柠檬酸钾∶生石灰∶硫酸钾=330∶35∶138∶48∶60∶0.5∶9.6∶0.5，水灰比为0.32时，获得了性能优异，满足国标JC/T517—2004要求的粉刷石膏；（2）搅拌方式对砂浆性能的影响较大。与人工搅拌相比，机械搅拌一方面可以极大地降低水混合物比，另一方面可使砂浆混合更均匀，从而提高砂浆的强度，避免离析、沉降等现象；（3）当脱硫石膏：矿粉：氧化钙：硫酸钾=54:23:1.5:0.9，水混合物比介于0.31-0.32之间时，砂浆的初、终凝时间，抗折强度等性能指标均符合地标DB11T537-2008和DB31T366-2006的要求。
表2-2不同组分所制试样
配方/g
序号
二水石膏
半水石膏
矿粉
水泥
石灰粉
甲基纤维素
柠檬酸钾
硫铝酸盐水泥
外加剂
1
275
275
225
120
22.5
0.6
0.9
—
—
2
275
275
225