加壓水溶液法制備工藝對(duì)α型高強(qiáng)石膏性能的影響

韓 康，管學(xué)茂，王燕峰，劉松輝，李一凡

(河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，焦作 454003)

0 引 言

脫硫石膏是對(duì)含硫燃料燃燒后產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行脫硫凈化處理而得到的工業(yè)副產(chǎn)石膏，主要來(lái)自燃煤電廠。我國(guó)脫硫石膏年產(chǎn)量在7 000多萬(wàn)噸，其綜合利用率在70%左右，遠(yuǎn)低于國(guó)外綜合利用率(90%以上)。國(guó)內(nèi)剩余的脫硫石膏大量堆存，影響環(huán)境[1-2]。目前脫硫石膏主要用于生產(chǎn)建筑石膏粉、石膏制品、水泥緩凝劑及土壤改良劑等[3-5]，以脫硫石膏為原料制備α型高強(qiáng)石膏是對(duì)其利用的新拓展[6]，而α型高強(qiáng)石膏晶體發(fā)育良好，拌和用水量小，水化熱低，強(qiáng)度是β型建筑石膏的3倍以上，有著更為廣泛的應(yīng)用空間。因此制備α型高強(qiáng)石膏對(duì)提高脫硫石膏綜合利用率和附加值有著重大意義。

近年來(lái)高強(qiáng)石膏制備研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)受到了廣泛關(guān)注，目前其制備方法可以分為三類：常壓鹽溶液法[7-9]、蒸壓法(飽和蒸氣壓法)[10-11]和加壓水溶液法[12]。常壓鹽溶液法采用鹽溶液來(lái)改變石膏各相的溶解度以降低二水石膏向半水石膏的轉(zhuǎn)化溫度。此方法雖然可以降低能耗，但反應(yīng)體系中引入大量無(wú)機(jī)鹽離子，產(chǎn)品制備完成后，無(wú)機(jī)鹽離子難以有效去除而制約了產(chǎn)品的用途。蒸壓法制備工藝耗時(shí)較長(zhǎng)，能耗大，溶解再結(jié)晶條件不夠完善，制備出的產(chǎn)品力學(xué)性能差，導(dǎo)致產(chǎn)品附加值低，不利于繼續(xù)推廣。加壓水溶液法制備時(shí)間短、轉(zhuǎn)晶劑利用率高、晶體發(fā)育良好，制備完成后的產(chǎn)品流動(dòng)性好、需水量低、力學(xué)性能優(yōu)異。采用加壓水溶液法制備的高強(qiáng)石膏附加值高，市場(chǎng)前景良好。

加壓水溶液法在我國(guó)起步較晚[13]，現(xiàn)有的一些加壓水溶液法的產(chǎn)線多是引自國(guó)外，對(duì)制備工藝和原理缺乏自身核心技術(shù)。同時(shí)目前已有研究主要集中在轉(zhuǎn)晶劑對(duì)高強(qiáng)石膏晶體形貌的調(diào)控[14-15]，蒸壓時(shí)間及晶種對(duì)形貌級(jí)配的影響[16]，以及制備工藝參數(shù)對(duì)石膏力學(xué)性能的影響[17]，而對(duì)制備工藝參數(shù)影響α型高強(qiáng)石膏晶體形貌和石膏相組成的研究較少。本文采用加壓水溶液法以二水脫硫石膏為原料制備α型高強(qiáng)石膏，探究水熱溫度、水熱時(shí)間、攪拌轉(zhuǎn)速、料漿濃度四種工藝參數(shù)對(duì)α型高強(qiáng)石膏性能的影響規(guī)律，對(duì)晶體徑向?qū)挾取㈤L(zhǎng)徑比等晶體參數(shù)及石膏相種類、半水石膏生成率進(jìn)行分析與表征，建立加壓水溶液法不同工藝參數(shù)對(duì)α型高強(qiáng)石膏制備的調(diào)控技術(shù)，為使用工業(yè)副產(chǎn)品脫硫石膏制備高強(qiáng)石膏實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及試劑

試驗(yàn)用脫硫石膏取自河南省焦作市某火力發(fā)電廠，其主要化學(xué)組成如表1所示。圖1為脫硫石膏XRD譜，可以看出脫硫石膏主要成分為二水石膏，同時(shí)含有少量的CaCO3和SiO2。圖2為脫硫石膏光學(xué)照片，可以看出脫硫石膏的形貌為不規(guī)則球粒狀和不規(guī)則柱狀。表2和圖3為脫硫石膏粒徑分布，可以看出脫硫石膏粒徑范圍比較集中，平均粒徑為46.2 μm。

表1 脫硫石膏主要化學(xué)組成Table 1 Main chemical composition of desulfurization gypsum

圖1 脫硫石膏XRD譜Fig.1 XRD pattern of desulfurization gypsum

圖2 脫硫石膏光學(xué)照片F(xiàn)ig.2 Optical image of desulfurization gypsum

表2 脫硫石膏粒徑分布Table 2 Particle size distribution of desulfurization gypsum

圖3 脫硫石膏粒徑分布圖Fig.3 Particle size distribution of desulfurization gypsum

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 高強(qiáng)石膏的制備

試驗(yàn)采用加壓水溶液法制備α型高強(qiáng)石膏，首先把水和脫硫石膏按照一定的比例加入到反應(yīng)釜中，啟動(dòng)反應(yīng)釜攪拌機(jī)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，制備成懸浮漿體。將反應(yīng)釜加熱到設(shè)定的溫度值，然后保溫一定的時(shí)間。反應(yīng)完畢后，利用釜內(nèi)壓力將水排盡，然后取出制備樣品，使用真空抽濾機(jī)進(jìn)一步去除多余游離水。取部分樣品用酒精多次洗滌處理，使用烘箱在45 ℃下烘干至恒重，酒精處理的樣品用于石膏相、形貌及樣品中結(jié)晶水含量的測(cè)定。其余部分放入烘箱，在110 ℃下烘干游離水，用于高強(qiáng)石膏凈漿物理性能測(cè)定。

1.2.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用的是加壓水溶液法制備的高強(qiáng)石膏，選取對(duì)高強(qiáng)石膏性能影響比較大的四種工藝參數(shù)：水熱溫度、水熱時(shí)間、攪拌轉(zhuǎn)速及料漿濃度作為考察因素進(jìn)行單因素不同水平試驗(yàn)。

1.3 樣品表征及性能測(cè)試

樣品的晶體形貌采用Leica DVM6三維視頻光學(xué)顯微鏡進(jìn)行表征，用光學(xué)顯微鏡放大300倍觀察晶體形態(tài)；并通過(guò)其中的Imageproplus6.0圖像處理軟件對(duì)晶體的長(zhǎng)度、徑向長(zhǎng)度數(shù)值進(jìn)行測(cè)量分析。

石膏相組成采用日本理學(xué)Smart-Lab型X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行分析，Cu靶，掃描范圍5°～70°，掃描速率10(°)/min。按照Rietveld全譜擬合相定量分析方法[18]和石膏三相分析方法進(jìn)行石膏相定量分析。結(jié)晶水含量、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、力學(xué)性能參照J(rèn)C/T 2038—2010《α型高強(qiáng)石膏》進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 水熱溫度對(duì)制備高強(qiáng)石膏的影響

采用水熱時(shí)間4 h、料漿濃度20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、攪拌轉(zhuǎn)速250 r/min，考察水熱溫度因素對(duì)制備高強(qiáng)石膏形貌及石膏相組成的影響，其他因素保持不變，反應(yīng)溫度分別為120 ℃、130 ℃、140 ℃、150 ℃。

2.1.1 水熱溫度對(duì)高強(qiáng)石膏形貌的影響

圖4和圖5分別為120～150 ℃水熱溫度下制備高強(qiáng)石膏的晶體形貌照片和晶體平均長(zhǎng)度、徑向?qū)挾燃伴L(zhǎng)徑比。從整體來(lái)看,當(dāng)水熱溫度上升，脫硫石膏不規(guī)則球狀形貌向α型半水石膏短柱狀形貌轉(zhuǎn)變,并隨著水熱溫度的不斷升高，晶體平均長(zhǎng)度先增大后減小,徑向?qū)挾入S之減小，而長(zhǎng)徑比隨之增大。當(dāng)水熱溫度為120 ℃時(shí)，部分產(chǎn)物的形貌與脫硫石膏原料接近，二水脫硫石膏未完全轉(zhuǎn)化為α型半水石膏，此溫度下晶體平均長(zhǎng)度、徑向?qū)挾燃伴L(zhǎng)徑比分別為64.01 μm、43.23 μm及1.48。當(dāng)水熱溫度為130 ℃時(shí)，脫硫石膏不規(guī)則球狀形貌的晶體基本上消失，轉(zhuǎn)化為平均長(zhǎng)度、徑向?qū)挾燃伴L(zhǎng)徑比分別為71.57 μm、35.64 μm及2.01的α型半水石膏短柱狀晶體。當(dāng)水熱溫度為140 ℃時(shí)，生成的α型半水石膏晶體平均長(zhǎng)度和徑向?qū)挾瘸叽缑黠@減小，而長(zhǎng)徑比增大。當(dāng)水熱溫度為150 ℃時(shí)，生成的晶體平均長(zhǎng)度和徑向?qū)挾瘸叽邕M(jìn)一步減小，長(zhǎng)徑比繼續(xù)增大。由晶體在溶液中分解原則來(lái)看，溫度越高，二水石膏分解越快，晶核生長(zhǎng)速度越快，α型半水石膏結(jié)晶中心增多，所以生成的α型半水石膏晶體尺寸小且長(zhǎng)徑比大。

圖4 不同水熱溫度下制備樣品光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.4 Optical images of samples preparated at different hydrothermal temperatures

圖5 不同水熱溫度下晶體平均長(zhǎng)度、徑向?qū)挾燃伴L(zhǎng)徑比Fig.5 Average length, radial width and aspect ratio ofcrystals at different hydrothermal temperatures

2.1.2 水熱溫度對(duì)高強(qiáng)石膏相組成的影響

對(duì)不同水熱溫度下的樣品進(jìn)行物相表征，其XRD譜見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，水熱溫度為120 ℃的樣品存在二水石膏和半水石膏兩種石膏相的衍射峰，而其他水熱溫度下的樣品只有半水石膏的衍射峰。采用Rietveld全譜擬合相定量分析方法對(duì)120 ℃的樣品進(jìn)行定量分析，其中二水石膏和半水石膏的比值含量如圖7所示，分別為19.6%和80.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)；同時(shí)對(duì)各個(gè)樣品進(jìn)行結(jié)晶水測(cè)試，結(jié)晶水含量的測(cè)試可以對(duì)制備樣品的石膏相組成進(jìn)一步表征。圖8和圖9分別為不同水熱溫度下樣品的結(jié)晶水含量和半水石膏的生成率。理論上制備完成后的α型半水石膏結(jié)晶水含量為6.21%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，制備完成后的樣品結(jié)晶水含量越接近理論結(jié)晶水含量，說(shuō)明二水脫硫石膏轉(zhuǎn)化成α型半水石膏越多。從圖8和圖9中可以看出，當(dāng)水熱溫度為120 ℃時(shí)，結(jié)晶水含量為9.17%，大于理論結(jié)晶水含量，半水石膏生成率較低。說(shuō)明水熱溫度低，在一定的時(shí)間內(nèi)二水脫硫石膏不能完全轉(zhuǎn)化為半水石膏[19-20]。從晶體溶解析晶的機(jī)理來(lái)看：溫度低時(shí)，二水脫硫石膏溶解速率慢，同時(shí)二水脫硫石膏與α型半水石膏的溶解度差較小，α型半水石膏晶核形成數(shù)量少，生長(zhǎng)速率慢；當(dāng)水熱溫度為130 ℃時(shí)，二水脫硫石膏轉(zhuǎn)化為半水石膏的轉(zhuǎn)化率最高達(dá)到99.41%；隨著溫度進(jìn)一步升高，結(jié)晶水含量低于理論結(jié)晶水含量，生成率出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，說(shuō)明有少量的無(wú)水石膏生成。α型半水石膏在水溶液中屬于亞穩(wěn)態(tài)相[21]，溫度過(guò)低脫硫石膏不能完全轉(zhuǎn)化成半水石膏，溫度過(guò)高則會(huì)產(chǎn)生無(wú)水石膏相。

圖6 不同水熱溫度下樣品的XRD譜Fig.6 XRD patterns of samples at differenthydrothermal temperatures

圖7 水熱溫度120 ℃下樣品的石膏相組成Fig.7 Gypsum phase composition of samplewith hydrothermal temperature of 120 ℃

圖8 不同水熱溫度下樣品的結(jié)晶水含量Fig.8 Crystal water content of samples at differenthydrothermal temperatures

圖9 半水石膏生成率Fig.9 Generation rate of hemihydrate gypsum

2.2 水熱時(shí)間對(duì)制備高強(qiáng)石膏的影響

采用水熱溫度130 ℃、料漿濃度20%、攪拌轉(zhuǎn)速250 r/min,考察水熱時(shí)間因素對(duì)制備高強(qiáng)石膏形貌及石膏相組成的影響，其他因素保持不變，水熱時(shí)間分別為2 h、3 h、4 h、5 h。

2.2.1 水熱時(shí)間對(duì)高強(qiáng)石膏晶體形貌的影響

圖10和圖11分別為不同水熱時(shí)間下制備高強(qiáng)石膏的晶體形貌照片和晶體平均長(zhǎng)度、徑向?qū)挾燃伴L(zhǎng)徑比。從整體來(lái)看，隨著水熱時(shí)間的延長(zhǎng)，脫硫石膏不規(guī)則球狀形貌逐漸消失，α型高強(qiáng)石膏短柱狀形貌逐漸增多。由此可以證明加壓水溶液法以脫硫石膏為原料制備高強(qiáng)石膏符合溶解析晶的原則。從圖11可以看出，晶體平均長(zhǎng)度和徑向?qū)挾入S水熱時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而晶體長(zhǎng)徑比變化不大。當(dāng)水熱時(shí)間為2 h和3 h時(shí)，存在細(xì)小顆粒，可能是脫硫石膏在短時(shí)間內(nèi)沒(méi)有完全溶解殘留的顆粒，生成的晶體尺寸不均勻且晶體平均長(zhǎng)度和徑向?qū)挾让黠@小于水熱時(shí)間較長(zhǎng)的兩組。當(dāng)水熱時(shí)間為4 h時(shí)，可以看出隨著水熱時(shí)間的延長(zhǎng)短柱狀晶體逐漸增多并且晶面結(jié)晶程度趨于完整，其長(zhǎng)徑比最小。而水熱時(shí)間為5 h時(shí)與水熱時(shí)間為4 h時(shí)相比，晶體尺寸和長(zhǎng)徑比相差不大。晶體的成核及生長(zhǎng)需要一定的時(shí)間，而最終形成的形貌和各個(gè)晶面之間的相對(duì)生長(zhǎng)速度有關(guān)[22]。生長(zhǎng)環(huán)境相同其晶面的相對(duì)生長(zhǎng)速度基本保持不變，因此水熱時(shí)間主要對(duì)晶體形貌的尺寸產(chǎn)生影響，對(duì)長(zhǎng)徑比的影響不明顯。

圖10 不同水熱時(shí)間下制備樣品光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.10 Optical images of samples preparated at different hydrothermal time

圖11 不同水熱時(shí)間下晶體平均長(zhǎng)度、徑向?qū)挾燃伴L(zhǎng)徑比Fig.11 Average length, radial width and aspect ratioof crystals at different hydrothermal time

2.2.2 水熱時(shí)間對(duì)高強(qiáng)石膏相組成的影響

對(duì)不同水熱時(shí)間下的樣品進(jìn)行物相表征，其XRD譜見(jiàn)圖12。從圖12可以看出，水熱時(shí)間為2 h、3 h的樣品存在半水石膏和二水石膏兩種石膏相的衍射峰，而其他水熱時(shí)間下只存在半水石膏的衍射峰。采用Rietveld全譜擬合相定量分析方法對(duì)2 h、3 h的樣品進(jìn)行定量分析，其中二水石膏和半水石膏的比值含量如圖13所示，分別為21.3%、78.7%和7.5%、92.5%。

圖12 不同水熱時(shí)間下樣品的XRD譜Fig.12 XRD patterns of samples at differenthydrothermal time

對(duì)各個(gè)樣品進(jìn)行結(jié)晶水含量測(cè)試，結(jié)果如圖14所示。從圖14可以看出，水熱時(shí)間為2 h和3 h的結(jié)晶水含量分別為9.67%和7.34%，結(jié)晶水含量都大于理論結(jié)晶水含量，說(shuō)明水熱時(shí)間短，二水脫硫石膏不能完全轉(zhuǎn)化為半水石膏。隨著水熱時(shí)間的延長(zhǎng)，4 h和5 h這兩組結(jié)晶水含量接近理論結(jié)晶水含量。圖15為半水石膏的生成率，在圖15中可以看到，隨著水熱時(shí)間的延長(zhǎng)，半水石膏的生成率逐漸升高，4 h時(shí)生成率為99.41%，繼續(xù)延長(zhǎng)水熱時(shí)間，半水石膏生成率基本上不變。從節(jié)能角度選擇4 h作為水熱時(shí)間。

圖13 水熱時(shí)間2 h、3 h時(shí)樣品的石膏相組成Fig.13 Gypsum phase composition of samples withhydrothermal time of 2 h and 3 h

圖14 不同水熱時(shí)間下樣品的結(jié)晶水含量Fig.14 Crystal water content of samples atdifferent hydrothermal time

圖15 半水石膏生成率Fig.15 Generation rate of hemihydrate gypsum

2.3 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)制備高強(qiáng)石膏的影響

采用水熱溫度130 ℃、水熱時(shí)間4 h、料漿濃度20%，考察攪拌轉(zhuǎn)速因素對(duì)制備高強(qiáng)石膏形貌及石膏相組成的影響，其他因素保持不變，攪拌轉(zhuǎn)速分別為200 r/min、250 r/min、300 r/min、350 r/min。

2.3.1 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)高強(qiáng)石膏晶體形貌的影響

攪拌主要起到使原料在水溶液中變成懸浮體，防止二水石膏顆粒發(fā)生沉降，堆積在一起影響熱量傳遞的作用。圖16為不同攪拌轉(zhuǎn)速下生成的晶體形貌照片，可以看出，基本上接近α型半水石膏短柱狀晶體。圖17為晶體平均長(zhǎng)度、徑向?qū)挾燃伴L(zhǎng)徑比，可以看出，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的提高，晶體尺寸及長(zhǎng)徑比出現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)，晶體尺寸大小不一，存在尺寸較小的晶體，平均長(zhǎng)徑比為2.11，長(zhǎng)徑比略大于攪拌轉(zhuǎn)速為250 r/min的樣品。因?yàn)閿嚢柁D(zhuǎn)速較小，二水石膏顆粒發(fā)生沉降造成料漿局部濃度較大，部分形成的晶體尺寸細(xì)小，整體尺寸不均一。當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為250 r/min時(shí)，其長(zhǎng)徑比最小，為2.01。當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為300 r/min和350 r/min時(shí)，其長(zhǎng)徑比分別為2.39和2.58。提高攪拌轉(zhuǎn)速形成的晶體長(zhǎng)徑比增大。由居里-吳里弗原理[23]可知，晶面的生長(zhǎng)速度與晶面的比表面能成正比。隨著攪拌轉(zhuǎn)速的升高，漿液的運(yùn)動(dòng)速度加快，增大晶體之間的摩擦，提高晶體表面的自由能，各晶面的生長(zhǎng)速度加快。而α型半水石膏的生長(zhǎng)習(xí)性，晶體頂端方向的晶面生長(zhǎng)速度最快，柱面方向的晶面生長(zhǎng)速度次之，最終形成針棒狀形貌[24]。晶面摩擦增加，晶體整體生長(zhǎng)速度加快，生成的晶體則更細(xì)小。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，攪拌轉(zhuǎn)速為250 r/min、300 r/min、350 r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)晶體的長(zhǎng)徑比分別為2.01、2.39、2.58，隨著攪拌轉(zhuǎn)速增大，晶體的長(zhǎng)徑比也隨之增大。

圖16 不同攪拌轉(zhuǎn)速下制備樣品光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.16 Optical images of samples preparated at different stirring speeds

圖17 不同攪拌轉(zhuǎn)速下晶體平均長(zhǎng)度、徑向?qū)挾燃伴L(zhǎng)徑比Fig.17 Average length, radial width and aspect ratioof crystals at different stirring speeds

2.3.2 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)高強(qiáng)石膏相組成的影響

當(dāng)樣品中二水石膏含量較低時(shí)，X射線衍射儀基本上檢測(cè)不到二水石膏的衍射峰。石膏相組成采用結(jié)晶水含量進(jìn)行表征，不同攪拌轉(zhuǎn)速下樣品的結(jié)晶水含量和半水石膏生成率分別見(jiàn)圖18、圖19。從圖18和圖19可以看出，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)，樣品結(jié)晶水含量為6.48%，高于理論結(jié)晶水含量，其半水石膏生成率為97.97%，與其他攪拌轉(zhuǎn)速相比，半水石膏生成率略低。因?yàn)閿嚢柁D(zhuǎn)速較低時(shí)，二水石膏發(fā)生沉降，熱量傳遞不佳，有少量二水脫硫石膏未完全轉(zhuǎn)化。當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，結(jié)晶水含量基本接近半水石膏理論結(jié)晶水含量，二水脫硫石膏基本上轉(zhuǎn)化為半水石膏，生成率基本上一致。綜上所述,攪拌轉(zhuǎn)速為250 r/min時(shí)，長(zhǎng)徑比小,生成率高，選擇250 r/min進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

圖18 不同攪拌轉(zhuǎn)速下樣品的結(jié)晶水含量Fig.18 Crystal water content of samplesat different stirring speeds

圖19 半水石膏生成率Fig.19 Generation rate of hemihydrate gypsum

2.4 料漿濃度制備高強(qiáng)石膏的影響

采用水熱溫度130 ℃、水熱時(shí)間4 h、攪拌轉(zhuǎn)速250 r/min，考察料漿濃度因素對(duì)制備高強(qiáng)石膏形貌及石膏相組成的影響，其他因素保持不變，料漿濃度分別為10%、20%、30%、40%。

2.4.1 料漿濃度對(duì)高強(qiáng)石膏晶體形貌的影響

圖20和圖21分別為不同料漿濃度下制備高強(qiáng)石膏的晶體形貌照片和晶體平均長(zhǎng)度、徑向?qū)挾燃伴L(zhǎng)徑比。從形貌來(lái)看，不同料漿濃度下生成的晶體基本接近α型半水石膏短柱狀形貌。當(dāng)料漿濃度為10%時(shí)，晶體平均長(zhǎng)度為74.77 μm，徑向?qū)挾葹?7.69 μm及長(zhǎng)徑比為2.09。與料漿濃度為20%時(shí)晶體平均長(zhǎng)度、徑向?qū)挾燃伴L(zhǎng)徑比(分別為71.57 μm、35.64 μm、2.01)相比較，晶體尺寸變小，長(zhǎng)徑比接近。隨著料漿濃度進(jìn)一步增大，料漿濃度為30%和40%時(shí)晶體平均長(zhǎng)度、徑向長(zhǎng)度及長(zhǎng)徑比分別為68.42 μm、32.12 μm、2.14和62.93 μm、26.11 μm、2.42，與前兩組料漿濃度小的相比，晶體尺寸變小，長(zhǎng)徑比增大。隨著料漿濃度升高，形成過(guò)飽和溶液越容易，結(jié)晶中心增加，形成晶體越細(xì)小。

圖20 不同料漿濃度下制備樣品光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.20 Optical images of samples preparated at different slurry concentrations

圖21 不同料漿濃度下晶體平均長(zhǎng)度、徑向?qū)挾燃伴L(zhǎng)徑比Fig.21 Average length, radial width and aspect ratio of crystals at different slurry concentrations

2.4.2 料漿濃度對(duì)高強(qiáng)石膏相組成的影響

不同料漿濃度下樣品的結(jié)晶水含量和半水石膏生成率分別見(jiàn)圖22、圖23。從圖22可以看出：料漿濃度為10%、20%和30%時(shí)這三組樣品結(jié)晶水含量基本一致，結(jié)晶水含量與半水石膏理論結(jié)晶水含量6.21%接近，二水脫硫石膏基本上轉(zhuǎn)化為半水石膏相；而料漿濃度為40%時(shí)樣品結(jié)晶水含量為6.25%，略高于理論結(jié)晶水含量。說(shuō)明料漿濃度過(guò)高時(shí)，二水脫硫石膏發(fā)生沉積，少量二水脫硫石膏未轉(zhuǎn)化成半水石膏。從圖23可以看出，四組料漿濃度樣品的半水石膏生成率比較接近，其中料漿濃度為20%和30%時(shí)生成率較高，分別為99.47%和99.44%，料漿濃度為40%時(shí)生成率最低。綜上所述，選擇長(zhǎng)徑比和半水石膏生成率相近，料漿濃度20%和30%進(jìn)行試驗(yàn)。

圖22 不同料漿濃度下樣品的結(jié)晶水含量Fig.22 Crystal water content of samplesat different slurry concentrations

圖23 半水石膏生成率Fig.23 Generation rate of hemihydrate gypsum

2.5 最佳工藝參數(shù)下高強(qiáng)石膏性能

綜合上述工藝因素對(duì)高強(qiáng)石膏晶體形貌及石膏相組成的影響，可以得到兩組較佳工藝:水熱溫度130 ℃、水熱時(shí)間4 h、攪拌轉(zhuǎn)速250 r/min、料漿濃度20%或30%。分別進(jìn)行凈漿物理性能測(cè)試，樣品性能指標(biāo)如表3所示，制備的兩組樣品性能均滿足JC/T 2038—2010《α型高強(qiáng)石膏》α40強(qiáng)度等級(jí)，其中料漿濃度為30%的樣品性能最佳。因此，加壓水溶液法制備α型高強(qiáng)石膏最佳工藝參數(shù)為：水熱溫度130 ℃、水熱時(shí)間4 h、攪拌轉(zhuǎn)速250 r/min、料漿濃度30%。

表3 不同料漿濃度下制備樣品的性能指標(biāo)Table 3 Performance indexes of samples prepared at different slurry concentrations

3 結(jié) 論

(1)在脫硫石膏制備高強(qiáng)石膏的過(guò)程中，隨著水熱溫度升高，生成晶體的平均長(zhǎng)度先增大后減小，徑向?qū)挾葴p小，長(zhǎng)徑比增大。同時(shí)水熱溫度對(duì)制備樣品的石膏相組成也起到影響，水溶液中α型半水石膏屬于亞穩(wěn)態(tài)相，溫度過(guò)低脫硫石膏不能完全轉(zhuǎn)化成半水石膏，溫度過(guò)高則會(huì)產(chǎn)生無(wú)水石膏相。

(2)加壓水溶液法以脫硫石膏為原料制備高強(qiáng)石膏，符合溶解析晶的原理。在制備過(guò)程中，二水脫硫石膏不斷溶解，α型半水石膏短柱狀晶體逐漸增多。隨著水熱時(shí)間的延長(zhǎng)，晶體尺寸逐漸增大，長(zhǎng)徑比變化不大，二水脫硫石膏相逐漸減少，半水石膏相逐漸增多。

(3)隨著攪拌轉(zhuǎn)速的提高，半水石膏晶體的長(zhǎng)徑比出現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。攪拌轉(zhuǎn)速過(guò)低，仍存在少量二水脫硫石膏，半水石膏生成率低。

(4)料漿濃度影響晶體的結(jié)晶中心，料漿濃度越高，越容易達(dá)到半水石膏的過(guò)飽和狀態(tài)，并使結(jié)晶中心增多，晶體尺寸減小，長(zhǎng)徑比變大。料漿濃度過(guò)高，容易出現(xiàn)二水脫硫石膏未完全轉(zhuǎn)化為半水石膏的現(xiàn)象。加壓水溶液法脫硫石膏制備α型高強(qiáng)石膏的最佳工藝條件為：水熱溫度130 ℃、水熱時(shí)間4 h、攪拌轉(zhuǎn)速250 r/min及料漿濃度30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，制備的α型高強(qiáng)石膏水化2 h抗折強(qiáng)度為5.4 MPa，烘干抗壓強(qiáng)度為41.9 MPa。