脫硫石膏空心砌塊制備、性能與養(yǎng)護(hù)制度

王 韓，曹曉潤(rùn)，王 治

（1.河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，鄭州 450002；2.河南省科學(xué)院質(zhì)量檢驗(yàn)與分析測(cè)試研究中心，鄭州 450002）

近幾年，新型墻體材料的研究和應(yīng)用已經(jīng)引起很多國(guó)家的關(guān)注，我國(guó)對(duì)建材等基礎(chǔ)行業(yè)節(jié)能減排問(wèn)題尤為重視.新型綠色墻體材料節(jié)約資源、能源，減少污染物排放，變廢為寶，有利于保護(hù)人類賴以生存的環(huán)境［1-3］.脫硫石膏砌塊等新型墻體材料正在綠色建筑材料領(lǐng)域發(fā)揮其特有的功效，是一種符合可持續(xù)發(fā)展要求的新型環(huán)保墻體材料［4-5］.

脫硫石膏又稱為煙氣脫硫石膏、硫石膏或FGD石膏，其主要成分和天然石膏一樣，為二水硫酸鈣［6-8］.脫硫石膏經(jīng)轉(zhuǎn)化后的五種形態(tài)、七種變體與天然石膏的物化性能一致［9］，可以代替天然石膏生產(chǎn)建材.工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家比較好地解決了脫硫石膏運(yùn)輸、干燥、改性、應(yīng)用等技術(shù)性難題，石膏制品工業(yè)應(yīng)用脫硫石膏的規(guī)模比較大，應(yīng)用技術(shù)比較成熟.將脫硫石膏替代天然石膏，用于生產(chǎn)作為新型墻體材料的輕質(zhì)砌塊，既達(dá)到廢棄物資源化利用的目的，又具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益［1，9-11］.據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年全國(guó)脫硫石膏產(chǎn)量約為71.6 Mt，綜合利用量為54.0 Mt，利用率為75.4%［12］.未被利用的脫硫石膏大量堆放，不僅占用土地面積，而且污染環(huán)境.

脫硫石膏砌塊的研究和應(yīng)用意義十分重大，不僅可節(jié)約天然資源，減少天然石膏開(kāi)采、運(yùn)輸過(guò)程對(duì)生態(tài)的破壞，而且避免了脫硫石膏堆放對(duì)土地及水資源的二次污染，有利于石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用；有利于減少SO2的排放量，減少了對(duì)環(huán)境的污染［10，13-15］.脫硫石膏砌塊具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、保溫隔熱、隔聲及良好耐火性等優(yōu)勢(shì)［2，11］，利用脫硫石膏和粉煤灰等工業(yè)廢棄物為原料制備石膏砌塊，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)粉煤灰和憎水劑有效提高了制品的耐水性等性能，解決了石膏墻體泛堿、發(fā)黃等問(wèn)題［16］，進(jìn)一步拓寬了石膏砌塊的應(yīng)用范圍［17］.尤其是在用于制造內(nèi)墻隔體所需的石膏砌塊［18］.

本文以脫硫建筑石膏為主要原料，以粉煤灰為摻和料，研究不同配合比生產(chǎn)石膏砌塊的斷裂荷載和耐水性能，得出最佳配比.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

1）脫硫建筑石膏：鄭州復(fù)晟資源開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的脫硫建筑石膏，3.0等級(jí)，物理力學(xué)性能見(jiàn)表1，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9776—2008.

表1 脫硫建筑石膏物理力學(xué)性能Tab.1 Physical mechanics of desulfurized building gypsum

2）粉煤灰：鄭州市熱電廠干排F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，其化學(xué)成分及物理性能見(jiàn)表2和表3，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1596—2017.

3）氫氧化鈣：市售，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司，分析純.

4）憎水劑：選定某外加劑廠生產(chǎn)的憎水劑（JY-ZS50）.

5）水：自來(lái)水.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 脫硫石膏空心砌塊制備流程及關(guān)鍵生產(chǎn)步驟 脫硫石膏空心砌塊制備流程：1）將脫硫石膏、調(diào)節(jié)劑、輕集料和水加入攪拌機(jī)中攪拌均勻；2）將攪拌好的料漿澆入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具內(nèi)；3）初凝后抽芯；4）成型后拆模，自然養(yǎng)護(hù)干燥至成品.生產(chǎn)工藝流程見(jiàn)圖1.

脫硫石膏空心砌塊關(guān)鍵生產(chǎn)步驟：將熟石膏、輕集料、調(diào)節(jié)劑等經(jīng)配料系統(tǒng)的電子計(jì)量秤計(jì)量后，水經(jīng)可調(diào)式水計(jì)量裝置計(jì)量后，通過(guò)氣動(dòng)卸料閥進(jìn)入混合機(jī).在混合機(jī)內(nèi)通過(guò)攪拌器的強(qiáng)烈攪拌使各組分混合均勻，由液壓翻轉(zhuǎn)裝置將料漿自動(dòng)倒入成型機(jī)的各個(gè)模腔中，采用振動(dòng)方式除去氣泡待到初凝狀態(tài)，利用刮刀刮平溢漿，1～2 h后，進(jìn)行抽芯、拆模、機(jī)械碼裝，將脫模后的石膏砌塊分別放在自然濕法和70℃干法條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，獲得石膏砌塊成品.

表2 粉煤灰化學(xué)成分Tab.2 The chemical composition of fly ash 單位：%

表3 粉煤灰物理性能Tab.3 Physical properties of fly ash

圖1 脫硫石膏空心砌塊生產(chǎn)工藝流程圖Fig.1 The production process flow chart of desulfurized gypsum hollow block

1.2.2 配合比設(shè)計(jì)方案 試驗(yàn)選取四組配合比作為脫硫石膏空心砌塊的配合比質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)計(jì)方案，見(jiàn)表4，憎水劑按混合料總量的1%添加.

表4 脫硫石膏空心砌塊的配合比Tab.4 Proportions of desulfurized gypsum block

按表4中的配合比設(shè)計(jì)方案和圖1的生產(chǎn)工藝流程制備出的脫硫空心石膏砌塊KP 700 mm×500 mm×100 mm，用于以下性能檢測(cè)試驗(yàn).

2 脫硫石膏空心砌塊性能檢測(cè)與分析

脫硫石膏空心砌塊的力學(xué)性能按照標(biāo)準(zhǔn)《石膏砌塊》（JC/T 698—2010）進(jìn)行檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定膏砌塊的表觀密度≤800 kg/m3，斷裂荷載≥2.0 kN.表觀密度和斷裂荷載檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 脫硫石膏空心砌塊的表觀密度和斷裂荷載Tab.5 The apparent density and fracture load of desulfurized gypsum hollow block

脫硫石膏的摻量對(duì)脫硫石膏空心砌塊的強(qiáng)度起到?jīng)Q定性作用，由表5可以看出，隨著脫硫石膏摻量的增加，脫硫石膏空心砌塊的強(qiáng)度也隨著增大.

由表6可以看出：所有配方生產(chǎn)出脫硫石膏空心砌塊的長(zhǎng)度、寬度及厚度均稍有偏差.長(zhǎng)度、寬度偏差都在2.0 mm以內(nèi)，厚度偏差都在1.0 mm以內(nèi)，且均無(wú)缺棱掉角、出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象.由于采用定制的磚模壓制而成，所以長(zhǎng)度、寬度、厚度尺寸偏差和平整度都完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)《石膏砌塊》（JC/T 698—2010）的規(guī)定.

表6 脫硫石膏空心砌塊的尺寸偏差檢測(cè)結(jié)果Tab.6 Dimensional deviation test results for desulfurized gypsum hollow blocks 單位：mm

在脫硫石膏中摻加粉煤灰，可降低脫硫石膏粉攪拌時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，延長(zhǎng)其凝結(jié)時(shí)間.同時(shí)，粉煤灰的摻入會(huì)引起脫硫石膏早期強(qiáng)度降低.因此，在選擇粉煤灰摻量時(shí)應(yīng)基本保持脫硫石膏的快硬早強(qiáng)特性［19］.對(duì)以上四種配合比方案制備石膏砌塊的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，方案A1的石膏砌塊表觀密度過(guò)大；方案A3、A4脫硫石膏摻量較大，粉煤灰綜合利用率偏低；方案A2的脫硫石膏摻量為75%，粉煤灰摻量為23%，其強(qiáng)度達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)《石膏砌塊》（JC/T 698—2010）規(guī)定的斷裂荷載要求，由此可見(jiàn)，方案A2制備石膏砌塊是最佳方案.

3 脫硫石膏空心砌塊的耐水性分析

脫硫石膏空心砌塊的耐水性按照標(biāo)準(zhǔn)《石膏砌塊》（JC/T 698—2010）規(guī)定進(jìn)行檢測(cè)，以軟化系數(shù)來(lái)表示，即經(jīng)過(guò)吸水后（在20℃±3℃水中浸泡24 h）砌塊的斷裂荷載與干燥時(shí)砌塊的斷裂荷載的比值，如下式所示.

式中：f為軟化系數(shù)（%）；R1為干燥時(shí)砌塊的斷裂荷載（N）；R2為吸水后砌塊的斷裂荷載（N）.

脫硫石膏空心砌塊的耐水性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7和表8.

表7 脫硫石膏空心砌塊吸水前、后的斷裂荷載Tab.7 The fracture load of the desulfurized gypsum hollow block before and after absorbing water 單位：kN

表8 脫硫石膏空心砌塊的耐水性試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Water resistance testing of desulfurized gypsum hollow blocks

由表8可見(jiàn)，脫硫石膏空心砌塊軟化系數(shù)均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，耐水性能良好.

4 養(yǎng)護(hù)制度對(duì)脫硫石膏粉煤灰膠結(jié)材強(qiáng)度的影響

按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）的規(guī)定，將同一配方下不同養(yǎng)護(hù)制度下的脫硫石膏粉煤灰膠結(jié)材制備成40 mm×40 mm×160 mm棱柱試件，對(duì)抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試.因方案A2為最佳配合比方案，采用A2方案進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表9.

表9 養(yǎng)護(hù)制度對(duì)膠結(jié)材強(qiáng)度的影響Tab.9 Effect of the conservation regime on the strength of cementitious material

從試驗(yàn)結(jié)果可知，熱養(yǎng)護(hù)能明顯加快膠結(jié)材強(qiáng)度發(fā)展速度.溫度過(guò)低，不利于膠結(jié)材中水分的蒸發(fā)，要達(dá)到一定強(qiáng)度所耗時(shí)明顯增長(zhǎng).溫度過(guò)高，則會(huì)破壞石膏結(jié)晶結(jié)構(gòu)，膠結(jié)材強(qiáng)度偏低，能耗高反而導(dǎo)致膠結(jié)材性能不佳.

70℃干熱養(yǎng)護(hù)較為適宜膠結(jié)材的水化硬化，在養(yǎng)護(hù)初期，干熱養(yǎng)護(hù)使膠結(jié)材中水分蒸發(fā)，形成濕熱環(huán)境，既有利于石膏材料的干燥脫水，又有利于粉煤灰等水硬性材料在濕熱條件下發(fā)揮活性，形成水化產(chǎn)物.隨著膠結(jié)材中水分逐漸減少，強(qiáng)度不斷提高，14 h的干養(yǎng)試件強(qiáng)度可達(dá)到28 d自然養(yǎng)護(hù)下的強(qiáng)度.

綜上，脫硫石膏空心砌塊合適的養(yǎng)護(hù)方式為干熱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為70℃±5℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為10～14 h.

5 結(jié)論

脫硫石膏砌塊具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，是一種符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的新型綠色墻體材料［16，20］，具有廣闊的發(fā)展前景.本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)養(yǎng)護(hù)制度和配方優(yōu)化的研究，制備出了性能較佳的脫硫石膏空心砌塊，并得出以下結(jié)果：

1）脫硫石膏砌塊合適的養(yǎng)護(hù)方式為干熱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為70℃±5℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為10～14 h；

2）脫硫石膏砌塊配合比中粉煤灰的最佳摻量為23%左右，脫硫石膏砌塊表觀密度可降到653 kg/m3，斷裂荷載可達(dá)到3.5 kN.