玻璃纖維和硅酸鈉復(fù)合對鹽石膏性能的影響

李志新，徐開東，馮浩強(qiáng)，王繼娜，張建武，馬先偉，牛季收

(河南城建學(xué)院材料與化工學(xué)院河南省城市固廢綜合處置與生態(tài)利用協(xié)同創(chuàng)新中心，平頂山 467036)

0 引 言

鹽石膏是制鹽工業(yè)產(chǎn)生的固體廢棄物，巖鹽、海鹽和湖鹽是我國的三大食鹽來源[1]。由于鹽生產(chǎn)方法(煮海為鹽、湖池曬鹽和鑿井取鹽)的不同而分成二水石膏(CaSO4·2H2O)和無水石膏(CaSO4)兩種，煮海為鹽產(chǎn)生的鹽石膏主要以二水石膏(CaSO4·2H2O)為主，鑿井取鹽產(chǎn)生的鹽石膏主要以無水石膏(CaSO4)為主[2-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)100萬噸真空鹽就會(huì)產(chǎn)生鹽石膏廢渣2萬噸左右[4-5]，不僅占用大量土地，增加處理費(fèi)用，而且還嚴(yán)重污染環(huán)境。

井鹽鹽石膏的產(chǎn)生量最大,占總量的50%左右，主要分布在河南、四川、重慶、湖北、湖南、江西、江蘇、安徽等地。與天然石膏相比，井鹽鹽石膏的粒度小、強(qiáng)度低，利用困難，己成為一種污染環(huán)境的固體廢棄物[6]，因此，亟需開發(fā)井鹽鹽石膏的改性措施，李貴素[7]通過在井鹽鹽石膏中添加硫鋁酸鹽水泥熟料來改善它的性能，使強(qiáng)度提高到400 MPa以上；陳俠等[8]也對某一硫酸鹽激發(fā)劑作用下，鹽石膏的水化過程進(jìn)行了研究，要求激發(fā)劑的摻量一定要適中。

盡管井鹽鹽石膏(以下簡稱“鹽石膏”)在改性技術(shù)方面已有研究并取得一定的成果，但整體研究淺顯，單一外加劑性能改善效果差。本文旨在研究玻璃纖維與硅酸鈉復(fù)合對鹽石膏水膏比、凝結(jié)及硬化強(qiáng)度等性能的影響，并通過掃描電鏡研究兩者復(fù)合改善鹽石膏性能的機(jī)理，為鹽石膏的資源化利用奠定理論基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

鹽石膏取自中國平煤神馬集團(tuán)聯(lián)合鹽化有限公司，建筑石膏由應(yīng)城市盛昌石膏制品有限公司生產(chǎn)，白度84～86，化學(xué)組成分別見表1和表2。

此外，玻璃纖維購自長沙立行建材科技有限公司，九水硅酸鈉來自天津博迪化工有限公司，三聚磷酸鈉來自武漢聯(lián)德化學(xué)品有限公司，九水硅酸鈉和三聚磷酸鈉均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

鹽石膏的基本配比為：鹽石膏50%、建筑石膏50%、三聚磷酸鈉0.12%。試件制備和性能測試參照《抹灰石膏》GB/T 28627—2012進(jìn)行，采用QUANTA 450掃描電子顯微鏡分析石膏晶體形貌。表面或斷面經(jīng)噴金處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 玻璃纖維對鹽石膏的影響

2.1.1 玻璃纖維對鹽石膏性能的影響

玻璃纖維對鹽石膏水膏比、凝結(jié)時(shí)間及強(qiáng)度的影響，如圖1所示。可以看出，加入玻璃纖維后，鹽石膏的水膏比和凝結(jié)時(shí)間變化不大，水膏比基本在20%～22%之間，凝結(jié)時(shí)間在60～80 min之間。玻璃纖維增大了鹽石膏的強(qiáng)度，且隨纖維摻量的增加，它的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在纖維摻量為0.20%時(shí)，強(qiáng)度最大，此時(shí)，它的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別由原來的1.15 MPa和3.44 MPa增加到2.03 MPa和5.08 MPa，增幅分別達(dá)76.52%和47.67%。由此可知，玻璃纖維顯著改善了鹽石膏的強(qiáng)度，適宜的玻璃纖維摻量為0.20%。

2.1.2 玻璃纖維對鹽石膏微觀形貌的影響

研究表明，晶體的微觀結(jié)構(gòu)決定著石膏的強(qiáng)度等性能，石膏硬化體內(nèi)部是由大量相互搭接的晶體構(gòu)成，石膏晶體間或其它相關(guān)能產(chǎn)生交叉搭接的晶體，對石膏的強(qiáng)度十分重要[9]。因此，研究了玻璃纖維對鹽石膏硬化體微觀形貌的影響，如圖2所示。未摻玻璃纖維時(shí)，鹽石膏硬化體晶體間搭接少且較為疏松，見圖2(a)。圖2(b)顯示了纖維的摻入雖未改變鹽石膏硬化體的微觀形貌，但卻創(chuàng)造了新的晶體搭接，玻璃纖維就像在石膏基體中植入了微細(xì)的“鋼筋”一樣，將不同的石膏晶體連接起來，增強(qiáng)了鹽石膏的連續(xù)性，增加了石膏內(nèi)部晶體相互交叉搭接的程度，抑制了石膏裂縫的產(chǎn)生。圖2(c)給出了纖維摻加0.50%時(shí)，晶體中石膏與纖維的情況，纖維分布密集，方向一致，不能充分發(fā)揮摻加纖維的“微筋”作用，多余的纖維增大了應(yīng)力的集中和石膏中的孔隙，減少了石膏晶體的有效含量，因此，玻璃纖維摻量不宜過高。

圖1 玻璃纖維對鹽石膏性能的影響Fig.1 Effect of glass fiber dosage on properties of salt-gypsum

圖2 摻玻璃纖維鹽石膏硬化體的微觀形貌Fig.2 Microstructure of hardened salt-gypsum with glass fiber

2.2 硅酸鈉對鹽石膏性能的影響

2.2.1 硅酸鈉對鹽石膏性能的影響

為揭示硅酸鈉對鹽石膏性能的影響，測定了摻加硅酸鈉鹽石膏的水膏比、凝結(jié)時(shí)間及其強(qiáng)度，結(jié)果見圖3。從圖3(a)可以看出，隨硅酸鈉摻量的增加，鹽石膏的水膏比略有增加，這是由于摻入硅酸鈉增大了溶液的濃度所致。圖3(b)顯示了摻入的硅酸鈉縮短了鹽石膏的凝結(jié)時(shí)間，且隨硅酸鈉摻量的增加，它的凝結(jié)時(shí)間不斷縮短，摻量超過1.5%后，它的凝結(jié)時(shí)間縮短幅度變小。圖3(c)給出了摻加硅酸鈉后，鹽石膏的強(qiáng)度，可以看出，鹽石膏的強(qiáng)度隨硅酸鈉摻量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在硅酸鈉摻量達(dá)到1.5%時(shí)，它的強(qiáng)度增加幅度也變小，在硅酸鈉摻量為3%時(shí)，它的強(qiáng)度最高，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別由原來的1.15 MPa和3.44 MPa增加到2.39 MPa和5.80 MPa，增幅分別達(dá)107.83%和68.60%。由此可知，硅酸鈉的摻入顯著改善了鹽石膏的強(qiáng)度。

圖3 硅酸鈉對鹽石膏性能的影響Fig.3 Influence of sodium silicate on properties of salt-gypsum

2.2.2 硅酸鈉對鹽石膏微觀形貌的影響

用掃描電鏡觀察了鹽石膏硬化體的微觀形貌，如圖4所示。從圖4(a)可以看出，未摻加硅酸鈉時(shí)，鹽石膏硬化體主要為粗大的短柱狀或棱形狀晶體，它的長徑比較小，晶體之間的搭接也較為薄弱，結(jié)構(gòu)疏松。摻加3%硅酸鈉后，它的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，多出一些長徑比較大的石膏晶體，增加了石膏晶體間的有效搭接，硅酸鈉也與石膏在表面形成一層致密的硅酸鈣，從而增大了鹽石膏的強(qiáng)度，見圖4(b)。當(dāng)硅酸鈉的摻量更大(5%)時(shí)，多余的硅酸鈉無法與石膏結(jié)合，反而增加了漿體的濃度，需要更多的水分來包裹多余的硅酸鈉，鹽石膏水化硬化后，多余水分蒸發(fā)，又不利于鹽石膏強(qiáng)度的發(fā)展，從而宏觀上表現(xiàn)為鹽石膏強(qiáng)度的降低，見圖4(c)。

圖4 摻硅酸鈉鹽石膏硬化體的微觀形貌Fig.4 Microstructure of hardened salt-gypsum with sodium silicate

2.3 玻璃纖維與硅酸鈉復(fù)合對鹽石膏性能的影響

表3 摻玻璃纖維和硅酸鈉鹽石膏的性能Table 3 Properties of salt-gypsum with glass fiber and sodium silicate

3 結(jié) 論

(1)玻璃纖維對鹽石膏水膏比和凝結(jié)時(shí)間的影響很小，強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在玻璃纖維摻量為0.20%時(shí)，纖維均勻分布在石膏內(nèi)，它與石膏晶體間相互搭接，共同來承擔(dān)荷載，并能抑制裂縫的產(chǎn)生，從而改善了鹽石膏的強(qiáng)度。

(3)玻璃纖維和硅酸鈉復(fù)合可顯著改善鹽石膏的強(qiáng)度，硅酸鈉與石膏反應(yīng)在石膏表面形成一層致密的硅酸鈣層，使其硬化體結(jié)構(gòu)變得致密，玻璃纖維像微鋼筋一樣穿插于石膏晶體中間，與石膏共同承擔(dān)荷載，從而提高了鹽石膏的強(qiáng)度。