雷東移 郭麗萍 李東旭

(1東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 211189)(2東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 211189)(3南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210009)

煤炭是人們?nèi)粘Ｉ钪兄匾奶烊蝗剂希济号欧诺腟O2為大氣污染物的主要組成部分,對(duì)空氣造成了嚴(yán)重污染．SO2的大量排放易形成酸雨,嚴(yán)重威脅河湖水系和飲用水源,致使土壤酸化,破壞生態(tài)環(huán)境,腐蝕損壞建筑物,污染空氣,危害人體健康[1]．為降低SO2污染氣體的排放量,我國(guó)政府制定了明確的法律法規(guī)以嚴(yán)格限制其排放量,為此許多燃煤電廠以及SO2排放量大的化工廠等均安裝了脫硫裝置[2]．隨之而來(lái)的則是脫硫副產(chǎn)物脫硫石膏等的日益增多,盡管國(guó)內(nèi)一部分原狀脫硫石膏被煅燒成建筑石膏加以利用,但是煅燒過(guò)程耗能大、成本高,導(dǎo)致絕大部分脫硫石膏仍以戶外堆放為主,不僅對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染,同時(shí)也影響到我國(guó)脫硫環(huán)保工作的發(fā)展[3]．因此,對(duì)原狀脫硫石膏進(jìn)行有效的研究利用具有重要的社會(huì)和環(huán)保意義．

為有效擴(kuò)大原狀脫硫石膏的使用范圍,本研究提出了將工業(yè)廢棄物原狀脫硫石膏用于制備水硬性膠凝材料體系的新思路．分析了礦渣與原狀脫硫石膏的不同質(zhì)量比對(duì)膠凝材料體系力學(xué)性能的影響,以確定其最佳質(zhì)量比,并依次確定水泥、生石灰堿性激發(fā)劑、減水劑等組分的最佳質(zhì)量摻量和水膠比,進(jìn)一步探索成型后坯料的靜置消化時(shí)間、濕熱養(yǎng)護(hù)時(shí)間等養(yǎng)護(hù)工藝參數(shù)對(duì)其力學(xué)性能的影響,最終得到最佳配合比和制備工藝．

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

原狀脫硫石膏來(lái)自常州熱電廠,呈淡黃色,其附著水含量為13%,化學(xué)組成見(jiàn)表1．

表1 原材料主要化學(xué)成分 %

從圖1中可以看出,原狀脫硫石膏的晶體形狀多為結(jié)晶規(guī)整的柱狀．表1顯示,其主要成分包括CaO,SO3和結(jié)晶水等,這與XRD圖譜(見(jiàn)圖2)中二水石膏(CaSO4·2H2O)的主要礦物相相對(duì)應(yīng)．就CaO,SO3和結(jié)晶水的含量而言,原狀脫硫石膏是一種極其重要的石膏資源．

圖1 原狀脫硫石膏的SEM圖

圖2 原狀脫硫石膏的XRD圖

礦渣微粉的比表面積為458 m2/kg,顏色為淺灰色,來(lái)自南京梅山鋼鐵公司,化學(xué)組成見(jiàn)表1．圖3為礦渣樣品的SEM圖．從圖中可以看出,礦渣顆?；緸闊o(wú)規(guī)則的多棱角形,其中部分顆粒粒徑大小差別較大,這是因?yàn)榱；郀t礦渣主要是由連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的玻璃體組成,不存在應(yīng)力集中的界面,礦渣在粉磨過(guò)程中,礦渣玻璃體中的Si—O鍵被切斷,從而導(dǎo)致礦渣玻璃體在破裂時(shí)沒(méi)有特殊的解離面,表現(xiàn)為不規(guī)則的多棱角形[4]．圖4為礦渣樣品的XRD圖譜．從圖中可以看出,礦渣的主要礦物組成為鈣鋁黃長(zhǎng)石以及由大量彌散峰所代表的無(wú)定型玻璃相．礦渣玻璃體因其含有大量的活性氧化硅和活性氧化鋁,是一種具有潛在水硬性的膠凝材料,而且玻璃體含量越高,活性越高[5]．

圖3 礦渣的SEM圖片

市購(gòu)生石灰粉,細(xì)度為430目．所用P·I 52.5級(jí)硅酸鹽水泥來(lái)自馬鞍山水泥有限公司,其物理力

學(xué)性能見(jiàn)表2．這2種原材料的化學(xué)組成見(jiàn)表1．

表2 水泥的物理力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

利用德國(guó)Horiba公司的Fluoromax4型X射線熒光光譜儀對(duì)相關(guān)原料進(jìn)行化學(xué)成分分析．

樣品制備過(guò)程如下:首先,將原材料以一定的配合比于水泥砂漿攪拌機(jī)中充分?jǐn)嚢?然后,將漿料注入40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)試模中振實(shí)成型,常溫常壓下靜置消化一定時(shí)間后脫模;最后,按照預(yù)定養(yǎng)護(hù)制度養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期,得到待測(cè)試樣．

參照標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO)法》(GB/T 17671—1999)中的規(guī)定,使用全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)(WHY 5/200,上海華龍測(cè)試儀器有限公司)測(cè)試其力學(xué)性能．

2 結(jié)果與討論

2.1 各組分對(duì)膠凝材料體系力學(xué)性能的影響

本研究采用先靜置消化、然后濕熱養(yǎng)護(hù)加自然養(yǎng)護(hù)的養(yǎng)護(hù)制度．在確定最佳配合比的試驗(yàn)過(guò)程中,為使試驗(yàn)結(jié)果更加精確,養(yǎng)護(hù)制度初步定為:成型后的坯料在常溫常壓下靜置消化24 h后,放入50 ℃的蒸汽養(yǎng)護(hù)箱中蒸養(yǎng)24 h,脫模后自然養(yǎng)護(hù)28 d,得到待測(cè)樣品．

2.1.1 礦渣-原狀脫硫石膏質(zhì)量比的影響

在生石灰提供的堿性環(huán)境下,分析研究礦渣與原狀脫硫石膏的不同質(zhì)量比對(duì)力學(xué)性能的影響,以確定其最佳質(zhì)量比．水膠比均取為0.24,生石灰的質(zhì)量摻量取為5%,均外摻,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5．

由圖5可以看出,隨著礦渣-原狀脫硫石膏質(zhì)量比的增加,膠凝材料體系的抗折、抗壓強(qiáng)度逐漸提高,當(dāng)質(zhì)量比達(dá)到4∶6時(shí),強(qiáng)度最高,其抗壓強(qiáng)度為22.4 MPa,抗折強(qiáng)度為4.2 MPa;質(zhì)量比大于4∶

圖5 礦渣與原狀脫硫石膏質(zhì)量比與28 d膠凝材料體系強(qiáng)度的關(guān)系

6時(shí),強(qiáng)度下降．這是因?yàn)楫?dāng)質(zhì)量比小于4∶6時(shí),在CaO與水反應(yīng)生成的Ca(OH)2堿性條件下,具有潛在水硬性的礦渣顆粒的不規(guī)則連續(xù)結(jié)構(gòu)被破壞,礦渣玻璃體中的可溶性SiO2和Al2O3的Si—O和Al—O鍵斷裂,并與漿體中的Ca2+生成致密的、溶解性低的水硬性水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣,同時(shí)在過(guò)飽和脫硫石膏的作用下,水化鋁酸鈣將與CaSO4·2H2O生成強(qiáng)度更高的高硫型水化硫鋁酸鈣(即鈣礬石),鈣礬石與凝膠狀的水化硅酸鈣一起形成交叉網(wǎng)架,使得原狀脫硫石膏膠凝材料體系具有較好的力學(xué)性能[6]．鈣礬石和水化硅酸鈣的反應(yīng)過(guò)程化學(xué)表達(dá)式為[7]

CaO+H2O→Ca(OH)2

xCa(OH)2+SiO2+(n-1)H2O→
xCaO·SiO2·nH2O(水化鈣酸鈣)

xCa(OH)2+Al2O3+(n-1)H2O→
xCaO·Al2O3·nH2O(水化鋁酸鈣)

xCaO·Al2O3·nH2O+3CaSO4·2H2O→
xCaO·Al2O3·3CaSO4·(n+6)H2O(鈣礬石)

隨著質(zhì)量比的增加,礦渣在膠凝材料體系中所占百分?jǐn)?shù)也隨之增加,從而導(dǎo)致水化硅酸鈣、鈣礬石等提供強(qiáng)度的水化產(chǎn)物生成量也有所增加,強(qiáng)度逐漸提高．但是當(dāng)質(zhì)量比大于4∶6時(shí),強(qiáng)度降低,這主要是因?yàn)榇藭r(shí)鈣礬石的生成量過(guò)多．以針狀晶體結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)的鈣礬石生成量一定時(shí),能夠與其他水化產(chǎn)物起到交叉、填充共存的作用,對(duì)抗壓、抗折強(qiáng)度有提高作用;但是當(dāng)生成量過(guò)多時(shí),反而使得硬化漿體結(jié)構(gòu)體積膨脹，結(jié)構(gòu)網(wǎng)被破壞，內(nèi)部微裂紋增多,缺陷增多,從而導(dǎo)致強(qiáng)度下降[8]．綜合考慮,礦渣與脫硫石膏的最佳質(zhì)量比為4∶6．

2.1.2 水泥和生石灰的影響

1) 水泥摻量的影響

水膠比仍取為0.24,生石灰的摻量為5%．水泥和生石灰均外摻．在確定了礦渣與脫硫石膏的最佳質(zhì)量比后,研究不同摻量水泥對(duì)28 d齡期膠凝材料體系力學(xué)性能的影響,結(jié)果見(jiàn)圖6．

圖6 不同摻量水泥對(duì)28 d齡期膠凝材料體系強(qiáng)度的影響

由圖6可知,隨著水泥摻量的增加,28 d齡期膠凝材料體系的抗折、抗壓強(qiáng)度均不斷提高,當(dāng)摻量達(dá)到8%時(shí),強(qiáng)度達(dá)到最大值,摻量繼續(xù)增加,強(qiáng)度反而下降．水泥是具有水硬性的膠凝材料,其主要礦物組成為硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)、鋁酸三鈣(C3A)和鐵鋁酸四鈣(C4AF)．當(dāng)摻入原狀脫硫石膏膠凝材料體系中時(shí),水泥自身的礦物質(zhì)先水化生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、Ca(OH)2等一系列水化產(chǎn)物,Ca(OH)2和加入的生石灰對(duì)礦渣均具有堿性激發(fā)作用,水泥自身水化和礦渣被堿性激發(fā)后水化所生成的水化鋁酸鈣與脫硫石膏進(jìn)一步反應(yīng)生成鈣礬石,水泥主要礦物組成的水化反應(yīng)過(guò)程化學(xué)表達(dá)式為[9]

3CaO·SiO2+nH2O→
xCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)2

2CaO·SiO2+nH2O→
xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2

3CaO·Al2O3+nH2O→
xCaO·Al2O3·nH2O

4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→
3CaO·Al2O3·Fe2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

同時(shí),水泥的加入能夠使膠凝材料體系顆粒重新分級(jí),在一定程度上增大了鈣礬石等水化產(chǎn)物的生長(zhǎng)空間．當(dāng)水泥摻入量一定時(shí),新生成的水化產(chǎn)物使硬化漿體結(jié)構(gòu)組織更加密實(shí),有效提高了膠凝材料體系的早、后期強(qiáng)度．但是隨著水泥摻量的不斷增加,鈣礬石等水化產(chǎn)物持續(xù)增多,當(dāng)鈣礬石的增長(zhǎng)量超過(guò)新增的生長(zhǎng)空間所能容納的極限時(shí),硬化漿體結(jié)構(gòu)體積膨脹,強(qiáng)度下降．故水泥的最佳摻量為8%．

2) 生石灰摻量的影響

生石灰與水反應(yīng)生成Ca(OH)2,快速地為原狀脫硫石膏膠凝材料體系創(chuàng)造了有利于水化反應(yīng)的堿性條件．在堿性條件下,礦渣玻璃體被侵蝕溶解,玻璃體中的Si—O,Al—O鍵被破壞,并與漿體中的Ca2+反應(yīng)生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等水化產(chǎn)物．同時(shí),CaO水化生成Ca(OH)2時(shí)會(huì)放出大量熱,1 mol氧化鈣水化可放出64.9 kJ的熱量,1 kg CaO水化可放出1 160 kJ熱量,其放熱速率和放熱量大大高于其他膠凝材料,可以有效促進(jìn)其他膠凝材料的水化反應(yīng)速率[10]．在確定水泥最佳摻量的基礎(chǔ)上,研究了不同摻量生石灰對(duì)28 d齡期膠凝材料體系強(qiáng)度的影響,生石灰外摻,結(jié)果見(jiàn)圖7．

圖7 不同摻量生石灰對(duì)28 d齡期膠凝材料體系強(qiáng)度的影響

由圖7可知,隨生石灰摻量的增加,28 d齡期膠凝材料體系的抗折、抗壓強(qiáng)度均不斷提高,當(dāng)摻量達(dá)到7%時(shí),強(qiáng)度達(dá)到最大值,摻量超過(guò)7%時(shí),強(qiáng)度下降．這是因?yàn)樯覔搅枯^低時(shí),生石灰的加入提高了膠凝材料體系的堿度,礦渣玻璃體能夠很快被打破,從而有效激發(fā)了礦渣的活性,生成更多的水化產(chǎn)物并提高體系的強(qiáng)度．但是當(dāng)生石灰摻量達(dá)到7%左右時(shí),體系的堿度已經(jīng)可以充分激發(fā)脫硫石膏膠凝材料體系的活性,繼續(xù)增加生石灰摻量,致使堿度過(guò)高,易導(dǎo)致局部反應(yīng)過(guò)快、應(yīng)力集中,再加上生石灰反應(yīng)放熱量過(guò)大,制品內(nèi)部溫度快速上升,綜合作用下使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)膨脹開(kāi)裂,強(qiáng)度隨之降低．試驗(yàn)結(jié)果表明,脫硫石膏膠凝材料體系的液相介質(zhì)應(yīng)存在一個(gè)合適的堿度范圍,當(dāng)生石灰水化生成的Ca(OH)2堿度在此范圍內(nèi)時(shí)，則對(duì)脫硫石膏膠凝材料體系有良好的堿性激發(fā)作用．綜合考慮,生石灰的最佳摻量應(yīng)為7%．

2.1.3 水膠比和減水劑的影響

1) 水膠比的影響

這里的水膠比是指拌和水與脫硫石膏和礦渣這2種固體材料的質(zhì)量比,拌和水外摻．水膠比對(duì)硬化試樣的密度、強(qiáng)度等性能均有重要影響,同時(shí)對(duì)拌和料的和易性和澆注成型效果也有直接影響,是膠凝材料體系性能的一個(gè)重要影響因素．水膠比過(guò)低,拌和漿料的流動(dòng)性小、和易性差、成型阻力大,同時(shí)空洞也較多,對(duì)力學(xué)性能有不良影響;水膠比過(guò)高,拌和漿料的流動(dòng)性較大、易形成夾層、出現(xiàn)泌水現(xiàn)象,會(huì)降低其密實(shí)度和強(qiáng)度,并且在蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程中,高的水膠比易導(dǎo)致試樣出現(xiàn)裂紋甚至開(kāi)裂[11],降低其力學(xué)性能．因此,適當(dāng)?shù)乃z比有利于膠凝材料體系具有良好的成型效果和強(qiáng)度．本研究所用的脫硫石膏的自身含水量較高,加之脫硫石膏膠凝材料體系是少熟料體系,因此該體系水膠比相對(duì)較低．在2.1.2節(jié)的基礎(chǔ)上,分析不同水膠比對(duì)28 d齡期膠凝材料體系強(qiáng)度的影響,結(jié)果見(jiàn)圖8．

圖8 水膠比對(duì)28 d齡期膠凝材料體系強(qiáng)度的影響

由圖8可知,在一定范圍內(nèi),水膠比的降低有利于力學(xué)性能的提高,但是當(dāng)水膠比過(guò)低時(shí),強(qiáng)度反而下降.圖中顯示水膠比為0.26時(shí),力學(xué)性能最佳．這是因?yàn)?一定范圍內(nèi)水膠比的降低可以有效減少成型試樣中自由水的含量,有利于密實(shí)度的提高,從而改善力學(xué)性能;但是當(dāng)水膠比過(guò)低時(shí),拌和漿料黏度過(guò)高,流動(dòng)性較差,不僅導(dǎo)致原料分散性較差,同時(shí)容易將大量有害氣孔夾裹到成型試樣中而導(dǎo)致密實(shí)度下降,此外還可能造成參與水化的水分相對(duì)不足、膠凝材料體系反應(yīng)程度下降[12],因此水膠比過(guò)低也不利于力學(xué)性能的提高．綜合考慮,水膠比取0.26為宜．

2) 減水劑摻量的影響

減水劑能在不降低拌和漿料和易性的條件下減少用水量,可在用水量不變或適當(dāng)降低的情況下增加拌和物的和易性．聚羧酸減水劑是目前應(yīng)用最廣的第3代高性能減水劑,具有摻量低、減水率高、保坍性好、增強(qiáng)效果好、有效降低混凝土干燥收縮性等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是目前世界上綜合性能最優(yōu)的高效減水劑．最佳水膠比條件下不同摻量減水劑對(duì)28 d齡期膠凝材料體系強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖9．

圖9 不同摻量減水劑對(duì)28 d齡期膠凝材料體系強(qiáng)度的影響

由圖9可知,隨著減水劑摻量的增加,抗折、抗壓強(qiáng)度的增加幅度逐漸減小,當(dāng)摻量為0.7%時(shí),強(qiáng)度達(dá)到最大值．試樣的泌水現(xiàn)象隨減水劑摻量的增加逐漸改善,但是當(dāng)減水劑摻量超過(guò)0.9%時(shí),試樣再次出現(xiàn)明顯泌水．減水劑屬于表面活性劑,在膠凝材料體系中摻入減水劑后,減水劑中的憎水基團(tuán)定向吸附于粉料顆粒表面,親水基團(tuán)指向水溶液中,從而在顆粒表面形成了單分子或多分子層吸附膜,使得顆粒表面帶有相同符號(hào)的電荷,形成電性斥力作用,使得膠凝材料-水體系處于相對(duì)穩(wěn)定的懸浮狀態(tài),進(jìn)而釋放出顆粒間的自由水，獲得良好的減水效果．同時(shí),聚羧酸減水劑分子含有較多的長(zhǎng)支鏈,能夠形成空間位阻作用,從而進(jìn)一步增強(qiáng)了粉料顆粒的分散效果．文獻(xiàn)[13]表明,減水劑的加入不僅可以有效改善新拌漿體的和易性、減少泌水現(xiàn)象,還可以大大提高硬化試樣的密實(shí)性、改善其孔結(jié)構(gòu),從而有效提高強(qiáng)度、耐水、抗凍等性能．但是在該膠凝材料體系中,當(dāng)摻量超過(guò)0.7%時(shí),強(qiáng)度反而下降,超過(guò)0.9%時(shí),泌水現(xiàn)象再次出現(xiàn)．這是因?yàn)楫?dāng)減水劑摻量過(guò)多時(shí),漿體的黏度急劇減小,出現(xiàn)泌水、離析、抓底、板結(jié)等現(xiàn)象,且澆注后均一穩(wěn)定性差、易出現(xiàn)內(nèi)分層現(xiàn)象,導(dǎo)致硬化漿體強(qiáng)度下降;如果嚴(yán)重超摻時(shí),則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重泌水,硬化漿體表面及與模板接觸的部位強(qiáng)度嚴(yán)重下降,拆模時(shí)易出現(xiàn)裂縫、蜂窩、麻面等大量缺陷,嚴(yán)重影響強(qiáng)度、耐久性等性能．綜合考慮,減水劑的最佳摻量為0.7%．

綜上所述,原狀脫硫石膏膠凝材料體系最佳質(zhì)量配比為w(脫硫石膏)∶w(礦渣)∶w(水泥)∶w(石灰粉)∶w(減水劑)∶w(水)=60∶40∶8∶6∶0.7∶26．

2.2 養(yǎng)護(hù)工藝的影響

合理的養(yǎng)護(hù)工藝能有效提高原狀脫硫石膏膠凝材料體系的整體強(qiáng)度．本節(jié)研究了最佳配合比條件下消化時(shí)間和蒸養(yǎng)制度等養(yǎng)護(hù)工藝對(duì)膠凝材料體系力學(xué)性能的影響．

2.2.1 消化時(shí)間的影響

生石灰的主要成分為CaO,CaO與水反應(yīng)會(huì)引起體積膨脹,如果將剛成型好的試樣立刻進(jìn)行高溫蒸汽養(yǎng)護(hù),CaO和高溫蒸汽的雙重作用極易引起試樣內(nèi)部反應(yīng)速率過(guò)快而產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,從而導(dǎo)致試樣內(nèi)部產(chǎn)生裂紋甚至脹裂開(kāi)裂．消化的目的在于:① 使石灰中的CaO充分消解,以促進(jìn)各原料之間充分反應(yīng),防止CaO在蒸養(yǎng)過(guò)程中消解而引起膨脹;② 提高試樣的成型效果和強(qiáng)度．物料經(jīng)過(guò)攪拌成型之后,進(jìn)入靜置消化階段．本研究采用的消化方式為常溫靜置消化．消化時(shí)間對(duì)膠凝材料體系經(jīng)過(guò)24 h蒸養(yǎng)后的表觀狀態(tài)和28 d齡期強(qiáng)度的影響分別見(jiàn)表3和圖10．

表3 消化時(shí)間對(duì)蒸養(yǎng)24 h后試樣表觀狀態(tài)的影響

由表3可以看出,當(dāng)消化時(shí)間達(dá)到18 h時(shí),蒸養(yǎng)后的試塊沒(méi)有產(chǎn)生裂紋．由圖10可以看出,當(dāng)消化時(shí)間為18 h時(shí),抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大值,分別為38.8和7.2 MPa．這是因?yàn)?在消化過(guò)程中,物料一直處于相對(duì)松散的堆積狀態(tài),膨脹應(yīng)力所受約束很小,不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,在經(jīng)過(guò)18 h的消化后,試樣內(nèi)部的膨脹應(yīng)力不僅被完全消除,同時(shí)也使物料之間充分反應(yīng),因而在蒸養(yǎng)過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生裂紋與開(kāi)裂現(xiàn)象．但是當(dāng)消化時(shí)間超過(guò)18 h時(shí),抗壓、抗折強(qiáng)度降低,這主要是因?yàn)闀r(shí)間過(guò)長(zhǎng)易造成試樣中的水分過(guò)度蒸發(fā),導(dǎo)致坯料的含水率降低、力學(xué)性能下降．綜合考慮,消化時(shí)間選取為18 h．

2.2.2 蒸養(yǎng)制度的影響

本研究采用的是首先靜置消化、蒸養(yǎng)一定時(shí)間后,再自然養(yǎng)護(hù)至28 d的養(yǎng)護(hù)制度．蒸汽養(yǎng)護(hù)一方面可以提高脫硫石膏膠凝材料體系的整體活性,使強(qiáng)度增長(zhǎng)較快;另一方面,該養(yǎng)護(hù)條件又為膠凝材料體系提供了充足的水分,以滿足水化反應(yīng)速率增加時(shí)對(duì)水分的需求．蒸養(yǎng)溫度和蒸養(yǎng)時(shí)間是蒸養(yǎng)制度的2個(gè)關(guān)鍵因素,但是當(dāng)蒸養(yǎng)溫度超過(guò)70 ℃時(shí)易發(fā)生延遲性鈣礬石現(xiàn)象[14],為此,本研究的最高蒸養(yǎng)溫度不超過(guò)70 ℃．

1) 蒸養(yǎng)溫度的影響

將蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間定為24 h,試樣經(jīng)18 h消化后,30,40,50,60,70 ℃五個(gè)養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)其28 d齡期強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖11．

圖11 蒸養(yǎng)溫度對(duì)28 d齡期膠凝材料體系強(qiáng)度的影響

由圖11可知,隨著養(yǎng)護(hù)溫度的提高,試樣28 d的抗折、抗壓強(qiáng)度不斷提高,當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃時(shí)抗折、抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到最大值7.8和41.2 MPa,養(yǎng)護(hù)溫度為70 ℃時(shí)強(qiáng)度略有下降．提高養(yǎng)護(hù)溫度可以加快礦渣玻璃體的溶解速率,從而加快礦渣自身以及與脫硫石膏等鈣質(zhì)材料之間的水化反應(yīng)速度,同時(shí)也加快了水泥等水硬性材料的水化速率以及水化硅酸鈣、鈣礬石等水化產(chǎn)物的增長(zhǎng)速率,促使膠凝材料體系的強(qiáng)度不斷提高．水化產(chǎn)物鈣礬石的形態(tài)會(huì)因蒸養(yǎng)溫度的不同而有所差異,養(yǎng)護(hù)溫度較低時(shí),生成的鈣礬石具有吸水膨脹性,不利于制品性能的提高;而在較高養(yǎng)護(hù)溫度條件下,生成的鈣礬石多呈晶態(tài)分布,這種鈣礬石具有較高的體積穩(wěn)定性,對(duì)制品性能的提高更有利[15],因此,蒸養(yǎng)溫度為60 ℃時(shí)膠凝材料體系的強(qiáng)度最高．當(dāng)蒸養(yǎng)溫度高于60℃時(shí),強(qiáng)度反而有所降低,這是因?yàn)檫^(guò)高的溫度使得反應(yīng)速度過(guò)快,導(dǎo)致試樣內(nèi)部應(yīng)力集中、甚至膨脹開(kāi)裂,當(dāng)溫度超過(guò)70 ℃時(shí)則會(huì)發(fā)生鈣礬石延遲現(xiàn)象,致使強(qiáng)度有所降低．綜合考慮,蒸養(yǎng)溫度60 ℃為宜．

2) 蒸養(yǎng)時(shí)間的影響

蒸養(yǎng)時(shí)間對(duì)制品性能也有極其重要的影響．一方面,要有足夠的養(yǎng)護(hù)時(shí)間來(lái)保證膠凝材料體系的原材料能夠充分反應(yīng);另一方面,又要避免因蒸養(yǎng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致試樣吸收過(guò)多的水分,對(duì)后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)造成不利影響．蒸養(yǎng)溫度為60 ℃時(shí),不同蒸養(yǎng)時(shí)間對(duì)28 d齡期膠凝材料體系強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖12．

圖12 蒸養(yǎng)時(shí)間對(duì)28 d齡期膠凝材料體系強(qiáng)度的影響

由圖12可知,隨蒸養(yǎng)時(shí)間的增長(zhǎng),強(qiáng)度不斷提高,當(dāng)蒸養(yǎng)時(shí)間為21 h時(shí)強(qiáng)度最高,之后強(qiáng)度有所下降．這是因?yàn)?當(dāng)蒸養(yǎng)時(shí)間不超過(guò)21 h時(shí),原狀脫硫石膏膠凝材料體系的水化反應(yīng)得到了充分進(jìn)行,水化較徹底;當(dāng)蒸養(yǎng)時(shí)間超過(guò)21 h時(shí),試樣內(nèi)部吸入過(guò)多的水分,在濕度相對(duì)較低的自然養(yǎng)護(hù)過(guò)程中,這些多余的水分不斷蒸發(fā),形成連通氣孔,導(dǎo)致強(qiáng)度降低．當(dāng)體系水化產(chǎn)物的增長(zhǎng)量對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)小于因多余水分蒸發(fā)形成連通氣孔對(duì)強(qiáng)度的損失量時(shí),強(qiáng)度就會(huì)降低．本研究確定的最佳蒸養(yǎng)時(shí)長(zhǎng)為21 h．

綜上可知,原狀脫硫石膏膠凝材料體系的最佳制備工藝為:將各項(xiàng)原材料按預(yù)定配合比攪拌均勻成型,成型后的坯料經(jīng)過(guò)18 h的靜置消化后,進(jìn)行60 ℃，21 h的蒸汽養(yǎng)護(hù)階段,然后自然養(yǎng)護(hù)至28 d齡期．

3 結(jié)論

1) 原狀脫硫石膏膠凝材料體系的最佳質(zhì)量配合比為w(脫硫石膏)∶w(礦渣)∶w(水泥)∶w(石灰粉)∶w(減水劑)∶w(水)=60∶40∶8∶6∶0.7∶26．

2) 該原狀脫硫石膏水硬性膠凝材料體系的最佳消化時(shí)間為18 h,最佳蒸養(yǎng)時(shí)長(zhǎng)為21 h,最佳蒸養(yǎng)溫度為60 ℃．

3) 將原狀脫硫石膏改性為性能優(yōu)良的水硬性膠凝材料體系,大大提高了原狀脫硫石膏的利用效率,為有效利用工業(yè)廢棄物原狀脫硫石膏提供了一條新的再生利用途徑．

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