天然硬石膏的水化研究

黎德玲，潘子鶴，劉明亮，周海玲，韓甲興，鄭翠紅

(安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

天然硬石膏的水化研究

黎德玲，潘子鶴，劉明亮，周海玲，韓甲興，鄭翠紅

(安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

本文以天然硬石膏為原料，用硫酸鈉、硫酸氫鈉、碳酸鉀、硫酸鉀、氧化鈣和復(fù)合激發(fā)劑FG為激發(fā)劑，分別測試硬石膏的3d水化率。結(jié)果表明：硫酸氫鈉激發(fā)水化效果好于硫酸鈉；硫酸鉀的激發(fā)水化效果好于碳酸鉀；在這幾種激發(fā)劑中，復(fù)合激發(fā)劑FG的激發(fā)水化效果最好，F(xiàn)G加入3%時(shí)，3d水化率達(dá)到63.8%。

天然硬石膏；激發(fā)劑；水化率

隨著我國建筑業(yè)和建材業(yè)的迅猛發(fā)展，對石膏的需求越來越大。目前，我國熟石膏膠凝材料及制品(除化學(xué)石膏外)，幾乎全部采用天然二水石膏為原料制得，已形成了我國建筑石膏工業(yè)的基礎(chǔ)體系，并成為我國新型建材的重要組成部分[1-3]。我國石膏儲(chǔ)量非常大，硬石膏類礦床礦石儲(chǔ)量約占60%。天然硬石膏比天然二水石膏堅(jiān)硬，水化速度較慢，凝結(jié)時(shí)間較長，化學(xué)活性差，強(qiáng)度低。長期以來，對硬石膏的研究進(jìn)展緩慢，大部分硬石膏資源未得到有效的利用。天然硬石膏凝膠性能較差是限制其開發(fā)利用的重要原因之一，因此如何在短時(shí)間內(nèi)提高其水化率，改善其凝膠性能，無論是從資源開發(fā)、節(jié)約能源方面，還是從發(fā)展新型建材等方面，都具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。目前對提高硬石膏水化率方法主要有提高硬石膏細(xì)度[4-5]、煅燒改性[6]以及添加激發(fā)劑[7-8]等。本文通過加入激發(fā)劑研究天然硬石膏的水化。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

天然硬石膏：安徽含山某石膏礦的天然硬石膏為原料，200目，平均化學(xué)成分(%)：SO355.9，CaO 40.1，F(xiàn)e2O30.17，Al2O30.71，MgO0.12，K2O+Na2O0.40，SiO21.8。

試驗(yàn)中其他試劑均為分析純試劑。

1.2 試驗(yàn)方法

水化率測試：稱取一定天然硬石膏，加入一定激發(fā)劑，按粉與水質(zhì)量比為1∶1加入水，水化3d的硬石膏用無水乙醇終止水化，在35±2℃下烘干至恒重，準(zhǔn)確稱量烘干至恒重的硬石膏水化樣品，于230℃煅燒60min，自然冷卻，再稱重，計(jì)算結(jié)晶水含量，由此計(jì)算二水石膏含量及硬石膏水化率。

用ZCT型差熱—熱重分析儀對樣品進(jìn)行差熱—熱重分析；用D/Max-2200型X-射線衍射儀對樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析；NEXUS870型紅外分析儀對樣品進(jìn)行基團(tuán)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料分析

圖1為天然硬石膏原料X-射線衍射圖譜。其衍射峰均為CaSO4多晶粉體的衍射峰，無其他雜峰出現(xiàn)，說明原料中雜質(zhì)含量少。

圖2為天然硬石膏原料的紅外圖譜。由圖2可知，608cm-1、676cm-1、1 140cm-1為SO42-的譜帶，464cm-1、882cm-1、1 445cm-1、1 627cm-1為的譜帶。說明原料中存在碳酸鹽。

圖3為天然硬石膏原料的差熱—熱重(DTA-TG)分析圖。從圖中可知，在200℃以下，差熱曲線沒有明顯的吸熱峰，但對應(yīng)的失重比較嚴(yán)重，這是樣品失去吸附水。當(dāng)溫度達(dá)到約670℃時(shí)，DTA曲線有一個(gè)明顯的吸熱峰，對應(yīng)的TG曲線有一個(gè)較大的失重，對應(yīng)原料化學(xué)分析和紅外分析，670℃時(shí)失重和吸熱應(yīng)該是白云石MgCa(CO3)2經(jīng)高溫煅燒分解引起的。

2.2 硫酸鈉和硫酸氫鈉為激發(fā)劑

以硫酸鈉和硫酸氫鈉作為激發(fā)劑，其含量對天然硬石膏的3d水化率的影響如圖4所示。

從圖4中可知，隨著激發(fā)劑硫酸鈉含量的增加，天然硬石膏的3d水化率升高。當(dāng)硫酸鈉加入量為4%時(shí)，水化率達(dá)到最大，為26.1%。再增加硫酸鈉的量，水化率反而降低。這是因?yàn)榱蛩徕c易溶于水，在開始水化時(shí)，硫酸鈉提供大量的硫酸根，使得二水硫酸鈣達(dá)到飽和，生成很多晶核，有利于二水石膏的生成。以硫酸氫鈉作為激發(fā)劑，其3d水化率明顯增大。在硫酸氫鈉加入量達(dá)到3%時(shí)，其3d水化率達(dá)到41.8%，明顯高于硫酸鈉。這是由于硬石膏原料中含有少量的碳酸鹽，硫酸氫鈉溶于水后顯酸性，遇到碳酸鹽反應(yīng)，使得石膏原料顆粒裂解，變小，提高其溶解度，有利于水化。這從3d水化產(chǎn)物的XRD圖譜(圖5)得到證明。

從圖5中可以看出，以硫酸鈉為激發(fā)劑，產(chǎn)物中有二水硫酸鈣、未水化的硫酸鈣和帶有一個(gè)結(jié)晶水的硫酸鈉；以硫酸氫鈉為激發(fā)劑，產(chǎn)物中有二水硫酸鈣和未水化的硫酸鈣，由于加入硫酸氫鈉量少，沒有出現(xiàn)硫酸鈉的衍射峰。在水化后的產(chǎn)物中，沒有中間產(chǎn)物復(fù)鹽的生成，說明硫酸鈉和硫酸氫鈉對硬石膏的水化機(jī)理是無水硫酸鈣先溶解，二水硫酸鈣飽和析晶。

2.3 碳酸鉀和硫酸鉀為激發(fā)劑

碳酸鉀和硫酸鉀作為硬石膏的激發(fā)劑，3d水化率隨激發(fā)劑加入量的變化關(guān)系如圖6所示。

從圖6可知，碳酸鉀作為激發(fā)劑效果不明顯，當(dāng)加入4%時(shí)，3d水化率只有14.9%。硫酸鉀作為激發(fā)劑，效果明顯，當(dāng)加入4%時(shí)，硬石膏水化率為39.6%。白冷等[7]認(rèn)為：硫酸鉀作為激發(fā)劑，其水化機(jī)理為硫酸鉀與少量溶解的硫酸鈣首先生成硫酸鉀鈣復(fù)鹽，復(fù)鹽再分解成硫酸鉀和二水硫酸鈣，從而加快硬石膏的水化速度。

2.4 氧化鈣為激發(fā)劑

氧化鈣作為硬石膏的激發(fā)劑，3d水化率隨氧化鈣加入量的變化關(guān)系如圖7所示。

氧化鈣作為激發(fā)劑，硬石膏3d水化率變化不大。當(dāng)氧化鈣加入7%，硬石膏水化率為10.5%。氧化鈣顯堿性，遇水生成氫氧化鈣，這說明氫氧根對硬石膏激發(fā)效果較差。

2.5 復(fù)合激發(fā)劑FG

以上討論的都為單一的激發(fā)劑，激發(fā)效果有限，F(xiàn)G為實(shí)驗(yàn)室配制的復(fù)合激發(fā)劑。圖8為復(fù)合激發(fā)劑對天然硬石膏3d水化率的影響。

從圖8可知，復(fù)合激發(fā)劑對天然硬石膏的激發(fā)效果很明顯。當(dāng)FG加入3%時(shí)，3d水化率達(dá)到63.8%。

3 結(jié)論

(1) 通過XRD分析、紅外分析和差熱—熱重分析，本試驗(yàn)原料天然硬石膏含有少量的雜質(zhì)，雜質(zhì)主要為白云石。

(2) 硫酸氫鈉作為激發(fā)劑對硬石膏激發(fā)水化效果優(yōu)于硫酸鈉；硫酸鉀的激發(fā)水化效果優(yōu)于碳酸鉀；在幾種激發(fā)劑中，復(fù)合激發(fā)劑FG的激發(fā)水化效果最好，F(xiàn)G加入3%時(shí)，3d水化率達(dá)到63.8%。

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Study on Hydration of Natural Anhydrite

LI De-ling, PAN Zi-he, LIU Ming-liang, ZHOU Hai-ling, HAN Jia-xing, ZHENG Cui-hong
(School of Materials Science and Engineering, Anhui University of Technology, Ma'anshan 243002, China)

In this paper, three-day hydration rate of natural anhydrite was determined, using sodium sulfate, sodium hydrogen sulfate, potassium carbonate, potassium sulfate, calcium oxide and composite FG as activating agents. The results showed that the efficiency of sodium hydrogen sulfate is higher than that of sodium sulfate, while potassium sulfate is more efficient than potassium carbonate. Among these activating agents, the one of composite FG exhibited the highest efficiency. The three-day hydration rate was determined to be as high as 63.8% when 3% of composite FG was added.

natural anhydrite; activating agent; hydration rate

TQ177.32

A

1007-9386(2010)05-0007-03

安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2008A003),安徽省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2009B050)。

2010-08-16