添加劑對脫硫石膏耐水性影響試驗(yàn)分析

曾偉濱　周淑春

(中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇徐州　221116)

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添加劑對脫硫石膏耐水性影響試驗(yàn)分析

曾偉濱周淑春*

(中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇徐州221116)

摘要:在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了礦物摻合料、緩凝劑、玻璃纖維對脫硫石膏耐水性的影響，通過調(diào)整礦物摻合料、緩凝劑、玻璃纖維的摻入量，獲得了各添加劑對脫硫石膏的耐水性影響規(guī)律，進(jìn)而為提高脫硫石膏的耐水性提供了合理的設(shè)計(jì)思路，為工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞:脫硫石膏，礦物摻合料，緩凝劑，玻璃纖維，軟化系數(shù)

我國是一個(gè)發(fā)展中國家，城市化正在加快發(fā)展。我國能源結(jié)構(gòu)中煤炭占76．12%，工業(yè)能源結(jié)構(gòu)中燃煤占73．9%［1］。煤燃燒產(chǎn)生的SO2占總排放量的90%，其中燃煤電廠排放量約占40%。到1995年全國SO2排放總量達(dá)到歷年之最的2 370萬t，超過了美國和歐洲各國，躍居世界首位;在2006年，我國SO2排放總量高達(dá)2 588萬t，穩(wěn)居世界第一;2009年我國SO2排放總量為2 214．4萬t，其中工業(yè)SO2排放量為1 865．9萬t［2］。為了解決SO2污染，我國采用了石灰(石)—石膏濕法煙氣脫硫。在此過程中也會產(chǎn)生大量的工業(yè)廢棄料CaSO4·2H2O，也就是我們所說的脫硫石膏，其特性與天然石膏的特性極其類似。目前，在國內(nèi)相當(dāng)一部分脫硫石膏還是以堆貯為主，已成為火電廠第二大固體廢物。如能將其充分利用，代替一部分天然石膏，不僅節(jié)約自然資源而且能使電廠固體廢物資源化［3］。因此，如何處置和利用脫硫石膏已成為一個(gè)突出的問題。

關(guān)于脫硫石膏的再利用問題前人已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究［4］，但在處置和利用脫硫石膏的過程中遇到的主要問題是石膏制成品的軟化系數(shù)太低，在潮濕環(huán)境中強(qiáng)度急劇降低并發(fā)生蠕變，因此很難推廣應(yīng)用。所以本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用試驗(yàn)的方法探究增強(qiáng)脫硫石膏耐水性及強(qiáng)度的方法，為脫硫石膏的推廣應(yīng)用提供科學(xué)的理論支持。

1　材料與試驗(yàn)方法

1．1原材料

為了增強(qiáng)脫硫石膏的耐水性，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，使用脫硫石膏(來自邳州電廠)、白水泥、生石灰、粉煤灰、玻璃纖維、SC石膏緩凝劑等材料進(jìn)行試驗(yàn)。

1．2實(shí)驗(yàn)方法

依據(jù)中華人民共和國關(guān)于建筑石膏的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［5-9］和前人研究的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，我們將礦物摻合料的含量控制在10%～50%(礦物摻合料為生石灰、白水泥、粉煤灰按1∶4∶3的比例混合而成)，緩凝劑的含量控制在0．1%～0．3%，玻璃纖維的含量控制在0．3%～1．5%。每個(gè)變量按照5個(gè)水平自由組合，共設(shè)計(jì)125組試驗(yàn)。按照J(rèn)C/T 698—2010關(guān)于測定軟化系數(shù)的規(guī)定，試驗(yàn)時(shí)，將三塊干燥試件，在(20±3)℃的水中浸泡24 h，用濕毛巾擦干試件表面。將擦干的試件平放在抗折機(jī)的圓形平行支桿上，支撐間距為500 mm，在跨距中央平行于支桿方向施加荷載，加載速度為20 N/s，直至試件斷裂。結(jié)果取三個(gè)試件斷裂荷載的算術(shù)平均值［10］。通過實(shí)驗(yàn)測得的各組石膏試塊軟化系數(shù)隨摻合料的變化，最終選取使石膏的軟化系數(shù)最大所對應(yīng)摻合料的摻入量作為最佳摻入量。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1礦物摻合料對脫硫石膏試塊軟化系數(shù)的影響

為了研究礦物摻合料對脫硫石膏軟化系數(shù)的影響，首先應(yīng)了解摻合料各組分在脫硫石膏中的作用機(jī)理。白色硅酸鹽水泥的簡稱，以適當(dāng)成分的生料燒至部分熔融，主要成分為硅酸鈣。當(dāng)白水泥加入脫硫石膏后，白水泥中的C3A與石膏反應(yīng)生成鈣礬石，鈣礬石雖然在前期阻止白水泥水化反應(yīng)，但是在后期可以提高石膏的強(qiáng)度和軟化系數(shù)。

生石灰主要成分是氧化鈣(CaO)，經(jīng)磨細(xì)后比表面積約為石膏的1/100，所以遇水后會消耗大量的水分。生石灰經(jīng)一系列反應(yīng)生成碳酸鈣，碳酸鈣的溶解度較低，約為石膏溶解度的1/200。脫硫石膏反應(yīng)后生成的二水石膏表面被不溶于水的碳酸鈣所包覆，提高了脫硫石膏產(chǎn)品的耐水性［11］。

我國火電廠粉煤灰的主要氧化物組成為:SiO2，Al2O3，F(xiàn)eO，F(xiàn)e2O3，CaO，TiO2，MgO，K2O，Na2O，SO3，MnO2等，此外還有P2O5等。粉煤灰顆粒呈多孔型蜂窩狀組織，比表面積較大，具有較高的吸附活性，顆粒的粒徑范圍為0．5 μm～300 μm。并且具有多孔結(jié)構(gòu)，孔隙率高達(dá)50%～80%，有很強(qiáng)的吸水性。粉煤灰屬于活性礦物質(zhì)，但其活性物質(zhì)含量較低，早期水化活性很差。脫硫石膏加入粉煤灰后，其制成品的絕對強(qiáng)度降低，但可以提高脫硫石膏的軟化系數(shù)。粉煤灰在石膏中，以水泥和石灰作為堿性激發(fā)劑，以脫硫石膏作為硫酸鹽激發(fā)劑，加速粉煤灰的水化硬化反應(yīng)，提高脫硫石膏制成品的軟化系數(shù)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

在脫硫石膏中分別加入10%～50%的礦物摻合料，將每組(三塊)石膏砌塊試件，在(20±3)℃的水中浸泡24 h，用濕毛巾擦干試件表面，測定其斷裂荷載。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析，將礦物摻合料作為唯一變量，其他添加劑作為不變量，作出脫硫石膏制成品強(qiáng)度和軟化系數(shù)隨礦物摻合料含量變化規(guī)律，如圖1所示。

從圖1可以看出隨礦物摻合料的變化，軟化系數(shù)先提高后降低，說明軟化系數(shù)不是隨礦物摻合料的含量增加而提高的。當(dāng)?shù)V物摻合料的含量占脫硫石膏的10%～20%之間時(shí)，脫硫石膏的抗折軟化系數(shù)最高，其抗折軟化系數(shù)等于0．686，符合JC/T 698—2010的要求(抗折軟化系數(shù)≥0．6)。此時(shí)脫硫石膏試塊28 d抗折強(qiáng)度為3．2 MPa，抗壓強(qiáng)度為9．6 MPa(為抗壓強(qiáng)度最大值)，同樣符合相關(guān)規(guī)范要求。

2．2SC石膏緩凝劑對脫硫石膏試塊軟化系數(shù)的影響

脫硫石膏的終凝時(shí)間為6 min～30 min，可操作時(shí)間只有5 min～10 min，不能滿足石膏基材的成型與施工需要［12］。雖然脫硫石膏中加入緩凝劑后，可調(diào)節(jié)石膏的凝結(jié)硬化時(shí)間，滿足不同的施工要求，但加入緩凝劑的同時(shí)也會影響石膏制成品的一些物理和力學(xué)性能。所以在滿足施工要求的同時(shí)，我們應(yīng)尋找合適的石膏緩凝劑品種和合適的摻入量，來保證石膏其他的物理力學(xué)性能。

SC石膏緩凝劑，是一種被破壞的蛋白質(zhì)，具有成本低，緩凝時(shí)間長，強(qiáng)度損失小的特點(diǎn)。近年來SC石膏緩凝劑應(yīng)用廣泛，所以本文將對它進(jìn)行討論。當(dāng)SC石膏緩凝劑加入脫硫石膏時(shí)，會吸附在半水石膏顆粒表面，降低生成結(jié)晶胚芽的速度和半水石膏的溶解度，從而延緩了二水石膏的生成和結(jié)晶，降低反應(yīng)速度［13］。

脫硫石膏中分別加入0．5%～3%的SC石膏緩凝劑，分成五組制作標(biāo)準(zhǔn)試塊，按照規(guī)范的要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。以緩凝劑的摻入量作為變量，得到軟化系數(shù)隨緩凝劑摻入量的變化規(guī)律，如圖2所示。

圖1　礦物摻合料對軟化系數(shù)的影響

圖2　SC石膏緩凝劑對軟化系數(shù)的影響

從圖2可知，隨SC石膏緩凝劑添加量的增加，軟化系數(shù)出現(xiàn)先提高后降低的現(xiàn)象。在緩凝劑添加量為1．5%～2%時(shí)出現(xiàn)最大值，其最大值為0．69，符合JC/T 698—2010的要求。

2．3玻璃纖維對脫硫石膏試塊軟化系數(shù)的影響

玻璃纖維在石膏晶體中均勻分布，石膏砌塊一旦發(fā)生開裂，將減少與防止裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展［14］。當(dāng)微裂縫長度大于纖維間距時(shí)，玻璃纖維將起到橋梁作用，傳遞荷載，使砌塊內(nèi)的應(yīng)力場分布更加均勻，尖端的應(yīng)力集中得以鈍化，減弱和消除裂縫發(fā)展的趨勢;當(dāng)微裂縫長度小于玻璃纖維間距時(shí)，裂縫將受玻璃纖維的作用改變發(fā)展方向或者跨越玻璃纖維生成更加細(xì)微的裂縫，消耗了促使裂縫發(fā)展的能量，使裂縫得以停滯。同時(shí)，玻璃纖維的加入會造成二水石膏晶體缺陷和空隙增多，其耐水性會受到影響。

脫硫石膏中加入0．3%～1．5%的玻璃纖維，分做五組標(biāo)準(zhǔn)試塊，試塊按照規(guī)范的要求進(jìn)行測定軟化系數(shù)。以玻璃纖維的百分含量為橫坐標(biāo)，以軟化系數(shù)作為縱坐標(biāo)，得到軟化系數(shù)隨玻璃纖維摻入量的變化規(guī)律，如圖3所示。

由圖3可知，隨玻璃纖維的增加，軟化系數(shù)呈現(xiàn)先降低后增加再降低的趨勢。在玻璃纖維含量為0．3%時(shí)，軟化系數(shù)出現(xiàn)最大值0．68，但考慮到此時(shí)的抗折強(qiáng)度較低，所以經(jīng)綜合比較應(yīng)選取玻璃纖維含量為1．2%，此時(shí)的軟化系數(shù)為0．67，28 d抗折強(qiáng)度為3．11 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖3　玻璃纖維對軟化系數(shù)的影響

3　結(jié)語

通過對礦物摻合料、緩凝劑、玻璃纖維摻入量的調(diào)整，研究了不同外加劑對石膏耐水性的影響，得到了如下結(jié)論:1)脫硫石膏的耐水性隨礦物摻合料的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在20%處達(dá)到最大值0．686。2)耐水性隨緩凝劑含量的增加呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，最大值出現(xiàn)在0．15%～0．2%之間，最大值為0．69。3)耐水性隨玻璃纖維含量的增加呈現(xiàn)先降低后增加再降低的波動(dòng)趨勢變化，但考慮到試樣的抗折強(qiáng)度，認(rèn)為玻璃纖維的含量應(yīng)在1．2%左右選取。

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The water-tolerant property experimental analysis of additives’effects on desulfurization gypsum

Zeng WeibinZhou Shuchun*
(School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221116，China)

Abstract:The water-tolerant property of desulfurization gypsum was studied in this article considering the effects of the mineral admixtures，retarder and glass fiber based on a large number of experiments．By adjusting the admixing amount of mineral admixtures，retarder and glass fiber，rules of different kinds of additives’effects on the water-tolerant property of desulfurization gypsum were obtained．A set of mixture ratio was also acquired which can largely improve the water-tolerant property of desulfurization gypsum block and provide theoretical basis for engineering application．

Key words:desulfurization gypsum，mineral admixtures，retarder，glass fiber，softening coefficient

通訊作者:周淑春(1973-)，女，碩士，副教授

作者簡介:曾偉濱(1990-)，男

收稿日期:2015-10-23

文章編號:1009-6825(2016)01-0124-02

中圖分類號:TU528．041

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A