免煅燒脫硫石膏－石灰復(fù)合材料及其應(yīng)用研究

李 滿，鐘世云，任思澔

(1.中國(guó)建筑第八工程局有限公司總承包公司，上海200135;2.同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海201804)

隨著脫硫石膏產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，對(duì)其處置和利用都將面臨嚴(yán)峻形勢(shì)。目前脫硫石膏作為膠凝材料，絕大部分屬于經(jīng)不等溫度的煅燒后應(yīng)用，雖然在一定程度上能夠滿足使用要求，然而受到產(chǎn)品性能和經(jīng)濟(jì)效益的限制，應(yīng)用規(guī)模有限[1，2]。對(duì)于脫硫石膏的免煅燒應(yīng)用，目前已有一定的技術(shù)成果，相關(guān)的專利產(chǎn)品部分業(yè)已投入實(shí)際工程應(yīng)用[3～5]。然而，從現(xiàn)有資料來(lái)看，對(duì)脫硫石膏免煅燒應(yīng)用的技術(shù)原理鮮有報(bào)道。試驗(yàn)采用生石灰和原狀脫硫石膏免煅燒制備復(fù)合膠凝材料，以期對(duì)脫硫石膏的免煅燒應(yīng)用理論有所探索。通過(guò)脫硫石膏的附著水與生石灰反應(yīng)放熱脫去結(jié)晶水，此水再與生石灰反應(yīng)放熱使其繼續(xù)脫水，如此循環(huán)，免煅燒制備脫硫石膏-石灰復(fù)合材料。

在保證上述過(guò)程能夠持續(xù)進(jìn)行的前提下，脫硫石膏附著水含量越少，系統(tǒng)熱量利用率越大，綜合效益越高。前期研究成功得到了相對(duì)較佳的附著水含量，基于此，本次試驗(yàn)著重研究生石灰用量對(duì)復(fù)合材料性能的影響，并利用性能優(yōu)異的脫硫石膏-石灰復(fù)合材料配制粉刷石膏。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)中所用的脫硫石膏來(lái)自上海寶田新型建材有限公司，其主要成分見(jiàn)表1。生石灰來(lái)自昆山市西南石灰廠，粉狀，有效氧化鈣含量在85%左右。檸檬酸來(lái)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，工業(yè)級(jí)。

表1 脫硫石膏的化學(xué)組成

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料制備 將3.5%附著水含量的脫硫石膏和相應(yīng)生石灰置入自制反應(yīng)容器中，攪拌均勻后適當(dāng)密封6h。反應(yīng)后得到的復(fù)合材料碾碎全部過(guò)0.9mm方孔篩。

1.2.2 陳化 把制備好的脫硫石膏-石灰復(fù)合材料平鋪成4cm的料層，置于試驗(yàn)室，溫度(20士5)℃，相對(duì)濕度(65士10)%條件下，每天翻動(dòng)一次。

1.2.3 成型、養(yǎng)護(hù)與測(cè)試 未添加緩凝劑的成型參照GB/T 9776-2008《建筑石膏》，添加緩凝劑的成型參照J(rèn)C/T 517-2004《粉刷石膏》;試件的養(yǎng)護(hù)參照 JC/T 517-2004《粉刷石膏》;除保水率參照 JGJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試外，其他性能的測(cè)試均參照J(rèn)C/T 517-2004《粉刷石膏》。

2 結(jié)果與討論

2.1 生石灰用量對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的影響

脫硫石膏一定時(shí)，生石灰用量對(duì)脫硫石膏-石灰復(fù)合材料強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖1。從圖1可知，0.9水膠比時(shí)，隨著生石灰用量的增大，復(fù)合材料的抗折和抗壓強(qiáng)度不斷增大;0.5水膠比時(shí)，復(fù)合材料的強(qiáng)度先增大后減小，在0.5灰膏比條件下，抗折和抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，分別為4.24MPa和12.34MPa。生石灰用量越大，放出的熱量越多，能夠使更多的二水石膏脫水具有膠凝性。但是，過(guò)高的反應(yīng)溫度會(huì)使半水石膏繼續(xù)脫水成為無(wú)水石膏，從而使其膠凝性變差。生石灰用量增大的同時(shí)，制備的復(fù)合材料中熟石灰比例相應(yīng)增大，然而石灰的強(qiáng)度很小，在這一復(fù)合體系中對(duì)強(qiáng)度不利。試驗(yàn)表明，隨著水膠比減小，免煅燒脫硫石膏-石灰復(fù)合材料強(qiáng)度顯著提高。因?yàn)楫?dāng)復(fù)合材料用水量減少時(shí)，凝膠體系結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。綜合性能和成本考慮，生石灰用量為脫硫石膏50%時(shí)制備脫硫石膏-石灰復(fù)合材料較好，下文即是用此配比研究其性能并配制粉刷石膏。

圖1 生石灰用量對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的影響

2.2 陳化對(duì)復(fù)合材料性能的影響

前期研究發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料在標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量條件下凝結(jié)時(shí)間不易測(cè)定，且緩凝劑對(duì)未經(jīng)任何處理的脫硫石膏-石灰復(fù)合材料緩凝效果不明顯。為精確測(cè)定陳化對(duì)復(fù)合材料凝結(jié)時(shí)間的影響，試驗(yàn)固定0.5水膠比，摻加0.3%的檸檬酸。

由圖2可知，隨著陳化時(shí)間的延長(zhǎng)，材料初凝時(shí)間逐漸增大，但增速是先增大后減小的。對(duì)于脫硫石膏-石灰復(fù)合材料，在陳化期間，主要進(jìn)行著以下兩個(gè)影響凝結(jié)時(shí)間的化學(xué)過(guò)程:Ⅲ型無(wú)水石膏向半水石膏轉(zhuǎn)化;半水石膏吸水生成二水石膏。其中前者增大材料的初凝時(shí)間，后者減小凝結(jié)時(shí)間，兩個(gè)過(guò)程交互作用影響著脫硫石膏-石灰復(fù)合材料的初凝時(shí)間[1，6]。

圖2 陳化對(duì)復(fù)合材料凝結(jié)時(shí)間的影響

已有研究[7]指出，二水石膏結(jié)晶水可以被Ⅲ型無(wú)水石膏所奪取。一方面是因?yàn)棰笮蜔o(wú)水石膏具有極強(qiáng)的吸附能力，可以?shī)Z取硅膠的結(jié)晶水;另一方面是因?yàn)樵偕埓娑嗟慕Y(jié)晶水穩(wěn)定性較原生二水石膏差。在陳化初期，由于再生二水石膏的生成與二水石膏(包括殘存與再生)的脫水，使二水石膏的含量始終在發(fā)生變化。而二水石膏特別是再生二水石膏對(duì)水化性質(zhì)和物理性質(zhì)的影響是十分顯著的，這可能也是陳化對(duì)該復(fù)合材料凝結(jié)時(shí)間的一個(gè)影響因素。

圖3是陳化對(duì)脫硫石膏-石灰復(fù)合材料強(qiáng)度的影響。經(jīng)1d陳化后，復(fù)合材料的抗折和抗壓強(qiáng)度均大幅降低，其中抗折強(qiáng)度降幅超過(guò)20%，抗壓強(qiáng)度降幅多達(dá)47%;隨著陳化時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，強(qiáng)度基本呈緩慢降低趨勢(shì)。

圖3 陳化對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的影響

除了上文提到陳化期間石膏發(fā)生的兩種化學(xué)過(guò)程外，對(duì)于這一復(fù)合體系中的石灰，同樣發(fā)生著變化:一方面可能會(huì)有殘存的生石灰吸收空氣中的水消化成熟石灰;另一方面，熟石灰吸收空氣中的水和二氧化碳進(jìn)行著碳化過(guò)程。陳化期間石膏和石灰發(fā)生的這些過(guò)程，都會(huì)不同程度地改變脫硫石膏-石灰復(fù)合材料的力學(xué)性能。

試驗(yàn)擬利用脫硫石膏-石灰復(fù)合材料配制粉刷石膏，綜合考慮材料的性能和時(shí)間效益等各方面因素，決定采用陳化3d的處理工藝。

2.3 粉刷石膏的配制

表2為0.38水膠比、0.25%檸檬酸摻量下，利用陳化3d脫硫石膏-石灰復(fù)合材料配制的面層粉刷石膏的各項(xiàng)性能。

表2 配制面層粉刷石膏的性能

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，配制的面層粉刷石膏滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)性能的要求，且強(qiáng)度高出標(biāo)準(zhǔn)要求較多，其中抗壓強(qiáng)度尤為明顯;其終凝時(shí)間較短，有利于縮短工期，提高抹灰效率;可操作時(shí)間長(zhǎng)，大大提高了面層粉刷石膏的工藝性能。

3 結(jié)論

(1)脫硫石膏用量一定，高水膠比時(shí)，免煅燒脫硫石膏-石灰復(fù)合材料的強(qiáng)度隨生石灰用量增加而增大;低水膠比時(shí)，其強(qiáng)度隨生石灰用量增加先增大后減小，50%生石灰用量時(shí)強(qiáng)度最佳。

(2)隨著陳化時(shí)間的延長(zhǎng)，脫硫石膏-石灰復(fù)合材料的凝結(jié)時(shí)間逐漸增大，抗折和抗壓強(qiáng)度逐漸減小。陳化3d的處理工藝，對(duì)其綜合性能較好。

(3)利用免煅燒脫硫石膏-石灰復(fù)合材料配制的面層粉刷石膏基本滿足JC/T 517-2004《粉刷石膏》要求。

[1]陳燕，岳文海，董若蘭，等.石膏建筑材料[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2003

[2]鐘世云，陳維燈，賀鴻珠.脫硫石膏應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[M].粉煤灰，2009，21(6):35-37

[3]黃金強(qiáng).免煅燒脫硫石膏在內(nèi)墻抹灰砂漿中的應(yīng)用研究[C]//2010第四屆(中國(guó))國(guó)際建筑干混砂漿生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)論文集

[4]馬振義.脫硫石膏免煅燒工藝的應(yīng)用研究[J].磚瓦，2008，(8):10-12

[5]王愛(ài)民，黃金強(qiáng).國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的脫硫石膏免煅燒技術(shù)及應(yīng)用[C]//第三屆中國(guó)工業(yè)副產(chǎn)石膏(粉煤灰)資源利用及市場(chǎng)開(kāi)發(fā)新思路新技術(shù)研討會(huì)論文集

[6][蘇]A.B.伏爾任斯基，A.B.弗朗斯卡婭著.呂昌高等譯.石膏膠結(jié)料和制品[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1980

[7]李逢仁.熟石膏陳化機(jī)理的研究[J].武漢建材學(xué)院學(xué)報(bào)，1982，(2):297-311