基于不同水膏比脫硫石膏砌塊的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

迭健 陳偉 龍偉

（1.西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院 四川成都 610039 2.攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院 四川攀枝花 617000）

引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國對煤炭的需求量也大幅的增加，通過燃煤會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化硫，排入空氣中的二氧化硫會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重的危害[1]。為了使二氧化硫的排放得到有效的控制，產(chǎn)生了許多的脫硫技術(shù)，其中濕法脫硫技術(shù)以穩(wěn)定、高效等優(yōu)點(diǎn)成為應(yīng)用比較廣泛的脫硫技術(shù)[2]。但通過脫硫工藝會(huì)產(chǎn)生一種工業(yè)副產(chǎn)物脫硫石膏，因此如何正確處理脫硫石膏這種工業(yè)副產(chǎn)物也成為一個(gè)重大的環(huán)境問題[3]。

脫硫石膏的物理化學(xué)性質(zhì)和天然石膏的物理化學(xué)性質(zhì)相似程度很高，其中脫硫石膏和天然石膏的化學(xué)組成成分都是二水硫酸鈣[4]。脫硫石膏一般呈較細(xì)的顆粒，平均粒徑大約在40～60μm，其中二水硫酸鈣的含量一般在90%以上[5]，水份含量大約占10～20%，脫硫石膏的還含有碳酸鈣、三氧化二鋁、二氧化硅、亞碳酸鈣、有機(jī)碳等雜質(zhì)。

目前在國內(nèi)，脫硫石膏主要被用于生產(chǎn)水泥緩凝劑以及粉刷石膏、石膏板、石膏砌塊等石膏制品[6]。在建材行業(yè)，脫硫石膏與水泥、石灰被一起稱為三大膠凝材料。

1 脫硫石膏材料基本參數(shù)

1.1 原材料及實(shí)驗(yàn)器材[7～8]

脫硫石膏：本次論文試驗(yàn)中脫硫石膏材料由四川藍(lán)鼎環(huán)?？萍加邢挢?zé)任公司提供。天然石膏與脫硫石膏化學(xué)成分組成、脫硫石膏物理性能分別如表 1～2 所示[9]。

水：可飲用自來水。

壓力測試機(jī)：STYE-3000B型，由浙江土工儀器制造有限公司提供。

表1 天然、脫硫石膏化學(xué)成分組成及細(xì)度

表2 脫硫石膏物理力學(xué)性能

1.2 水膏比

本文中試驗(yàn)內(nèi)容將參照國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑石膏力學(xué)性能的測定》（GB/T17669.3-1999）的測試方法進(jìn)行[7]。文中脫硫石膏凈漿的水膏比如表3所示。

表3 脫硫石膏不同水膏比

1.3 試驗(yàn)方法

將脫硫石膏與水按上述比例混合攪拌均勻后，制成尺寸為100mm×100mm×100mm的試件，終凝后脫模，空氣中自然養(yǎng)護(hù)，相對濕度為40～50%，分別對每組水膏比進(jìn)行 1h、2h、4h、8h、12h、24h 的抗壓強(qiáng)度測試。

1.4 試塊制作中注意問題

（1）由于脫硫石膏初凝時(shí)間較短，攪拌完畢后應(yīng)及時(shí)將漿液裝入試模，對于水膏比0.7以下的試塊，需要振搗排出氣泡；

（2）待試塊初凝后，及時(shí)脫模，對水膏比低的試塊釋放熱量大，溫度高，脫模不易；

（3）試塊取出后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前應(yīng)將試件各接觸面修整平滑，避免試驗(yàn)時(shí)承壓面受力不均勻；

（4）在試驗(yàn)過程中，載荷應(yīng)連續(xù)且均勻地加載，如果加載速度過快或過慢，會(huì)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造成偏差。

2 不同水膏比對脫硫石膏抗壓性能的影響

2.1 試塊抗壓試驗(yàn)破壞現(xiàn)象描述

試塊開始受壓到最終破壞，根據(jù)裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展情況，可劃分為兩個(gè)部分[10]。第一部分，當(dāng)水膏比為0.4～0.6時(shí)，試塊開始破壞時(shí)只產(chǎn)生幾條細(xì)微的通縫，試塊表面沒有明顯的剝落，當(dāng)壓力繼續(xù)增加后，隨著通縫的變大最終沿通縫破壞成幾個(gè)部分，而當(dāng)水膏比為0.6～1.0時(shí)，又可分為三個(gè)階段：

第一階段：試塊開始受壓，到第一批裂縫產(chǎn)生之前。在這個(gè)階段，伴隨壓力的慢慢增加，試塊內(nèi)部出現(xiàn)細(xì)微裂縫，多數(shù)情況下會(huì)同時(shí)產(chǎn)生數(shù)條裂縫。據(jù)試驗(yàn)得出，試塊中產(chǎn)生第一批裂縫時(shí)的壓力約占受到破壞時(shí)的壓力的40～60%。

第二階段：隨著壓力的繼續(xù)增加，試塊中的裂縫將會(huì)慢慢擴(kuò)大，并將沿著豎向發(fā)展，在試塊內(nèi)逐漸形成貫穿的裂縫。此時(shí)，壓力即便沒有在繼續(xù)增大，試塊的裂縫仍然會(huì)持續(xù)發(fā)展下去，此時(shí)的試塊已經(jīng)達(dá)到破壞邊緣。此時(shí)產(chǎn)生的壓力約為破壞時(shí)壓力的80～90%。

第三階段：壓力繼續(xù)增加，試塊內(nèi)裂縫迅速擴(kuò)張，試塊四周剝落明顯，最后試塊破碎失穩(wěn)。

在石膏的攪拌過程中為了使料漿具有一定的流動(dòng)性，加入了遠(yuǎn)多于理論上半水石膏水化成二水石膏所需要的用水量[11]。

脫硫石膏結(jié)晶體為柱狀結(jié)構(gòu)，緊密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)會(huì)使水化、硬化體有較大的表觀密度[12]，而天然石膏水化產(chǎn)物晶體多為針狀、片狀結(jié)構(gòu)，且晶體結(jié)構(gòu)較疏松，天然石膏會(huì)比脫硫石膏的硬化體表觀密度低10～20%，因此脫硫石膏相對于天然石膏會(huì)有較高強(qiáng)度。

2.2 不同水膏比的脫硫石膏試塊在不同時(shí)間段的抗壓試驗(yàn)結(jié)果

脫硫石膏試塊抗壓強(qiáng)度受水膏比的影響較大。試驗(yàn)研究脫硫石膏試塊水膏比率分別為 0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 和 1.0 條件下，脫硫石膏試塊1h、2h、4h、8h、12h 和 24h 的抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如表 4、圖 1 所示。

表4 不同水膏比在不同時(shí)間段的抗壓試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，當(dāng)水膏比為0.40時(shí)，脫硫石膏砌塊的24h內(nèi)平均抗壓強(qiáng)度為8.18MPa；當(dāng)水膏比為0.5時(shí)，脫硫石膏砌塊的24h內(nèi)平均抗壓強(qiáng)度為6.81MPa；當(dāng)水膏比為0.70時(shí)，脫硫石膏砌塊的24h內(nèi)平均抗壓強(qiáng)度為5.97MPa；當(dāng)水膏比為0.80時(shí)，脫硫石膏砌塊的24h內(nèi)平均抗壓強(qiáng)度為4.40MPa；當(dāng)水膏比為0.90時(shí)脫硫石膏砌塊的24h內(nèi)平均抗壓強(qiáng)度為2.62MPa；當(dāng)水膏比為1.00時(shí)脫硫石膏砌塊的24h內(nèi)平均抗壓強(qiáng)度為1.82MPa。由圖1可知，隨著水膏比的增大，脫硫石膏砌塊的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)減小的趨勢，當(dāng)水膏比在0.4左右時(shí)，其各時(shí)段抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)水膏比在0.4左右時(shí)，脫硫石膏砌塊的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。

圖1 不同水膏比在不同時(shí)間段的抗壓試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

（1）石膏試塊的水膏比與各時(shí)段的抗壓強(qiáng)度值成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（2）水膏比為0.4的試塊在各時(shí)段的強(qiáng)度值保持最大，其值是水膏比為1.0的試塊強(qiáng)度的4～5倍。

（3）脫硫石膏水膏比為0.4時(shí)，初凝時(shí)間為55s，水膏比1.0時(shí)為30min，表明初凝時(shí)間與水膏比關(guān)系十分密切。

（4）脫硫石膏水膏比為0.4時(shí)，水化熱達(dá)到64度，水膏比1.0時(shí)只有39度，表明水化熱與水膏比成反比。