外加劑對脫硫石膏制備現(xiàn)澆墻體材料性能影響

（河北交通職業(yè)技術學院，河北 石家莊050091）

當前，我國電廠多采用濕式石灰石—石膏法脫硫，隨著脫硫裝置的不斷增加，大量的脫硫石膏也隨之產生。若得不到有效的利用，不僅會占用大量土地，還會對地下水造成污染，從而損害接觸者的身體健康。脫硫石膏中含有的重金屬、有機污染物等有害物質，也可能隨著雨水的沖刷進入地層，污染土地。隨著環(huán)保力度的加大和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的進一步推進，脫硫石膏的綜合開發(fā)越來越受到人們的重視[1-4]。

目前，歐、美、日等國家都很重視脫硫石膏的綜合利用，日本、美國等國家脫硫石膏的利用率達到80%～90%。而我國脫硫石膏僅在少數(shù)領域中得到應用，如建筑石膏、水泥輔助料、路基填埋料，尚未形成工業(yè)化規(guī)模。

關于脫硫石膏的利用研究成果較多[5-10]，課題組前期在不同種類的緩凝劑、減水劑配比調整下，通過對脫硫建筑石膏漿體的性能測試，表明谷氨酸鈉緩凝劑、聚羧酸類減水劑的效果較顯著，而對于緩凝劑、減水劑在復配狀態(tài)下的適應性如何，外加劑復配后脫硫石膏硬化體的力學性能能否滿足要求，還需要作進一步的探討。

本研究重點討論谷氨酸鈉和聚羧酸兩種外加劑復配下對脫硫石膏制備現(xiàn)澆墻體材料施工性能、力學性能的影響。

1 實驗

1.1 試劑和儀器

凝結時間測定儀；截圓錐模；電動抗壓抗折試驗機；液壓式壓力試驗機；試模；水泥凈漿攪拌機；電熱恒溫培養(yǎng)箱；水泥膠砂振實臺；S-4800電子掃描顯微鏡。

脫硫石膏取自河北省唐山市陡河電廠。初凝時間為5 min，終凝時間為8 min。脫硫石膏的主要化學成分見表1，主要性能指標見表2。

表1 脫硫石膏的主要化學成分 %

表2 脫硫石膏的主要性能

1.2 脫硫石膏預處理

1.2.1 預烘干

取等質量的脫硫石膏5份放于預先設定好的50℃的烘箱內烘干，每隔30 min取出放于干燥器中冷卻至室溫稱重，直至恒重為止。采用同樣的方法測量在烘箱溫度為55℃、60℃烘干溫度下脫硫石膏隨時間的質量變化。

1.2.2 烘干

為確定最佳的工藝參數(shù)，將經過預烘干的脫硫石膏粉料分別在不同溫度（130℃、140℃、150℃、160℃）和時間（1 h、2 h、3 h）下烘干，檢測烘干產物的各項性能（2 h抗折抗壓強度，初、終凝時間，標準稠度用水量）。

1.3 試驗方法

標稠需水量的測定按GB/T 17669.4-1999進行，初終凝時間的測定按GB/T 17669.1-1999進行，抗折、抗壓強度的測定按GB/T 17669.3-1999進行。

2 實驗結果與討論

2.1 復配條件的篩選

緩凝劑試驗中，谷氨酸鈉的緩凝效果最好。綜合絕干強度的性能測試，發(fā)現(xiàn)在其摻加量為0.3%時的效果最佳。而減水劑試驗中，聚羧酸的性能最好，考慮到谷氨酸鈉顯弱堿性，取加入不同濃度的谷氨酸鈉制備試塊時的上清液對其pH值進行了測定。結果如表3：

表3 谷氨酸鈉不同摻加量時上清液pH值

由表3可以看出，各種濃度下的pH值均不太高，堿性不強，故可以和聚羧酸進行復配。

減水劑試驗中還發(fā)現(xiàn)，隨著減水劑在石膏中摻量的不斷增加，半水脫硫石膏硬化體的強度并不是一直呈現(xiàn)增長的趨勢，當摻量達到一定后，強度會隨之降低，表明減水劑對石膏強度的影響有一個界限摻量。因此，選擇谷氨酸鈉為緩凝劑，摻加量為0.3%，選擇聚羧酸為減水劑，摻加量分別為0.5%、0.7%、0.9%、1.1%，進行復配試驗。

2.2 復配對初凝時間的影響

將電廠的脫硫石膏經過55℃預烘干2 h，160℃烘干3 h，按照GB/T 17669.4-1999確定標稠需水量為0.68。取200 g半水石膏，添加6 g谷氨酸鈉，按照0.5%、0.7%、0.9%、1.1%分別添加聚羧酸1 g、1.4 g、1.8 g和2.2 g，在水泥凈漿攪拌機中攪拌，測定現(xiàn)澆墻體材料的初凝時間和終凝時間。試驗結果見表4。

表4 不同復配條件下材料初、終凝時間

由表4可以發(fā)現(xiàn)，復配條件和只加入谷氨酸鈉緩凝劑相比，緩凝劑和減水劑的復配，對現(xiàn)澆墻體材料初凝時間基本無影響，由原來的初凝58 min變?yōu)榱?4 min左右；而對終凝時間影響較大，由最初的66 min延長至96 min?，F(xiàn)場施工時，60 min基本可以完成取料、攪拌、添加外加劑和泵入，所以復配后，初終凝時間滿足施工要求，只是材料被泵入夾板后，需要多等待30 min才能拆去夾板。

2.3 復配對材料強度的影響

取經過預處理的半水石膏200 g，添加6 g谷氨酸鈉，按照0.5%、0.7%、0.9%、1.1%分別添加聚羧酸1 g、1.4 g、1.8 g和2.2 g，在水泥凈漿攪拌機中攪拌，制作40 mm×40 mm×160 mm試塊模型1～4，同時制備一組空白試塊，測定試塊的絕干抗折和抗壓強度。試驗結果見表5、表6：

圖1 脫硫石膏SEM圖

表5 不同復配條件下材料抗折強度

圖2 空白條件下的水化電鏡掃描圖

表6 不同復配條件下材料抗壓強度

由表5、表6可知，相對于空白條件下的抗折抗壓強度，添加了谷氨酸鈉和聚羧酸的試塊，其抗折抗壓強度均有所降低，且隨著聚羧酸摻加量的增加抗折抗壓強度一直在降低。聚羧酸摻量由0.5%增加到1.1%時抗折強度由3.31 MPa降低到2.83 MPa，抗壓強度由12.27 MPa降低到10.10 MPa，因此可以選擇出最佳的復配條件是谷氨酸鈉0.3%，聚羧酸0.5%。

2.4 復配中材料微結構變化

圖1為陡河電廠脫硫石膏的SEM圖，圖2為空白條件下SEM圖。分別對4組試驗得到的試塊進行SEM電鏡掃描，掃描電鏡如圖3～圖6：

圖3 1號條件下的水化電鏡圖

由圖3～圖6可以看出，外加劑的加入改變了半水石膏結晶習性和晶體形貌，晶體明顯粗化，晶形也由針狀轉變?yōu)槎讨鶢?，大大削弱了晶體間的搭接，硬化體孔徑增大，大孔比例明顯增加，孔結構劣化，并最終導致建筑石膏強度的大幅度降低。強度損失與其外加劑摻量基本成正比，摻量越高，強度損失越大。對照各組掃描的電鏡圖也可以發(fā)現(xiàn)，在空白條件下，硬化體中有很規(guī)則的晶體結構，而隨著聚羧酸減水劑的加入，晶體結構開始不明顯，且隨著摻加量的增加，晶體結構逐漸消失，宏觀表現(xiàn)為強度降低，進一步證明聚羧酸在0.5%的摻加比為最佳條件。由此得出結論，外加劑最佳復配條件為緩凝劑谷氨酸鈉0.3%，減水劑聚羧酸0.5%。

圖5 3號條件下的水化電鏡圖

圖6 4號條件下的水化電鏡圖

3 結論

電廠的脫硫石膏經過55℃預烘干2 h，160℃下烘干3 h，按照GB/T 17669.4-1999確定標稠需水量為0.68。添加3%谷氨酸鈉作為緩凝劑，0.5%聚羧酸作為減水劑時，減水率為22.6%，現(xiàn)澆墻體材料的初凝時間約為54 min，終凝時間延長至96 min，復配后初終凝時間滿足施工要求；絕干抗折強度為3.31 MPa，絕干抗壓強度為12.27 MPa。對現(xiàn)澆墻體材料砌塊進行電鏡掃描，也證明聚羧酸作為減水劑添加量超過0.5%時，晶體明顯粗化，大大削弱了晶體間的搭接，硬化體孔徑增大，大孔比例明顯增加，材料結構劣化。因此脫硫石膏經預處理，制備墻體材料時選取谷氨酸鈉作為緩凝劑，聚羧酸作為減水劑，添加量分別為3%和0.5%。

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