礦粉對脫硫建筑石膏力學性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響

高 輝，林 瑞，杜秉坤，邢寶瑞

（1.天津市建筑科學研究院有限公司，天津 300193；2.天津市建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司，天津 300193；3.天津眾建新型建材有限公司，天津 300350）

我國脫硫石膏產(chǎn)量為5 500萬t/a，如不能及時處理，勢必會對環(huán)境造成二次污染[1～3]。與水泥相比，石膏具有密度低、收縮率低、保溫隔熱、隔音、易加工等優(yōu)點；但強度低、耐水性差兩個缺點大大制約了石膏在我國的大規(guī)模應用[4～8]。針對強度低的問題，有學者在石膏中加入活性膠凝材料或化學外加劑等，以改善其強度[9～12]；由于選擇原材料不同造成研究結(jié)果不一致[13]。本文研究摻加礦粉對脫硫建筑石膏力學性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響，以期尋找提高脫硫建筑石膏強度的方法和途徑。

1 試驗

1.1 原材料

1）天津北疆電廠脫硫石膏，主要化學成分見表1。

表1 脫硫石膏的主要化學成分%

為了使該脫硫石膏具有水化硬化性能，需對其進行煅燒脫水處理，使之成為半水石膏即脫硫建筑石膏。先將脫硫石膏放入烘箱預熱4 h，溫度為40℃，冷卻至室溫后過0.16 mm方孔篩；再煅燒6 h，溫度為190℃，獲得脫硫建筑石膏。

2）天津海得潤滋建材公司生產(chǎn)的S95級礦渣粉，密度為2.9 g/cm3，比表面積406 m2/kg，7 d活性指數(shù)87%，28 d活性指數(shù)99%，燒失量0.3%，需水比101%。

3）天津市福晨化學試劑廠生產(chǎn)的氧化鈣，純度95%。

4）聚羧酸減水劑，濃度40%，減水率32%。

5）采用檸檬酸作為緩凝劑。

1.2 試驗及檢測方法

試驗采用的脫硫建筑石膏摻量在70%以上，水膠比0.45，減水劑摻量為膠材的0.5%，緩凝劑摻量為脫硫建筑石膏的0.2%。在室溫下成型40 mm×40 mm×160 mm試件，自然養(yǎng)護至規(guī)定齡期，按GB/T17671—1999《水泥砂漿強度試驗方法》測試其抗壓強度。采用XRD測定水化后試樣中的各物質(zhì)成分，采用SEM對試樣進行微觀形貌觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 礦粉對脫硫建筑石膏強度的影響

選取礦粉摻量分別為0、10%、20%和30%，研究對脫硫建筑石膏抗壓強度的影響。見圖1。

圖1 礦粉摻量對脫硫建筑石膏抗壓強度的影響

當?shù)V粉摻量分別為10%、20%、30%時，脫硫建筑石膏的7、28 d抗壓強度均呈現(xiàn)下降的趨勢。由此可知，添加礦粉的脫硫建筑石膏抗壓強度低于純脫硫建筑石膏強度；因此單獨添加礦粉對脫硫建筑石膏強度的提升沒有作用。

出現(xiàn)這種情況是因為：雖然礦粉具有潛在活性，但單獨添加時，潛在活性沒有被激發(fā)。因此在隨后%試驗中對添加礦粉的試驗組添加氧化鈣，研究不同摻量堿激發(fā)劑氧化鈣對礦粉改性脫硫建筑石膏強度的影響。配合比見表2，試驗結(jié)果見圖2。

表2 礦粉改性脫硫建筑石膏配合比

圖2 氧化鈣摻量對礦粉改性脫硫建筑石膏抗壓強度的影響

當?shù)V粉摻量為10%時，隨著氧化鈣摻量的增加，脫硫建筑石膏抗壓強度呈逐漸上升趨勢且隨著齡期的增長，抗壓強度也逐漸增大；當氧化鈣摻量為礦粉摻量的9%時，其28 d抗壓強度達到最大值，為19.7 MPa，與未摻加氧化鈣相比，28 d抗壓強度提高了約50%。

當?shù)V粉摻量分別為20%和30%時，隨著氧化鈣摻量的增加，脫硫建筑石膏抗壓強度均呈先上升后下降的趨勢且隨著齡期的增長，脫硫建筑石膏的抗壓強度逐漸增大。當氧化鈣摻量為礦粉摻量的3%時，28 d抗壓強度達到最大值，分別為28.5、24.6 MPa，與未摻加氧化鈣相比，分別提高了約174%和165%。

2.2 礦粉對脫硫建筑石膏微觀結(jié)構(gòu)的影響

當?shù)V粉摻量為脫硫建筑石膏的20%、氧化鈣摻量為礦粉量的3%時，脫硫建筑石膏抗壓強度達到最大值，因此對這一試驗組的試樣進行XRD和SEM分析。見圖3-圖5。

圖5 摻入20%的礦粉及礦粉量3%氧化鈣水化28 d的SEM

圖4 摻入20%的礦粉水化28 d的SEM

摻入20%礦粉后，水化產(chǎn)物主要是CaSO4·2H2O、少量鈣礬石和C-S-H凝膠；摻入堿激發(fā)劑氧化鈣后出現(xiàn)了新相萊粒硅鈣石，同時，鈣礬石和C-S-H凝膠的峰值有所增加，導致脫硫建筑石膏內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密，其力學性能得到提升。

摻入20%礦粉后，有大量交錯結(jié)晶生長的二水石膏晶體，只有少量C-S-H凝膠和鈣礬石晶體，交錯的晶體間存在較大空隙；因此，摻入20%礦粉后脫硫建筑石膏的強度仍然很低。堿激發(fā)劑氧化鈣摻入后，CS-H凝膠顯著增加，其包裹在二水石膏晶體表面并在石膏晶體間起到膠結(jié)作用，明顯減少材料的大孔隙，形成致密結(jié)構(gòu)；此外新相萊粒硅鈣石的產(chǎn)生，也使結(jié)構(gòu)更加致密。

3 結(jié)論

1）單獨添加礦粉對脫硫建筑石膏強度的提升沒有作用，只有同時摻入適用的礦粉和堿激發(fā)劑氧化鈣才能明顯改善脫硫建筑石膏的強度。當?shù)V粉摻量為脫硫建筑石膏的20%、堿激發(fā)劑氧化鈣摻量為礦粉量的3%時，其抗壓強度達到最大值，與純脫硫建筑石膏相比，28 d抗壓強度提高了約83%。

2）加入20%礦粉后，水化產(chǎn)物主要是CaSO4·2H2O、少量鈣礬石和C-S-H凝膠。摻入堿激發(fā)劑氧化鈣后，鈣礬石和C-S-H凝膠明顯增加并生成新相萊粒硅鈣石，導致水化產(chǎn)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密，其力學性能得到明顯改善。