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        減水劑對脫硫石膏性能的影響

        2021-01-20 02:38:52朱效甲朱倩倩陳永杰朱玉杰朱蕓馨
        江蘇建材 2020年6期

        朱效甲 ,朱倩倩 ,陳永杰 ,朱玉杰 ,朱蕓馨

        (1.濟(jì)南市杰美菱鎂建材研究所,山東 濟(jì)南 250031;2.山東源圣鈺建材有限公司,山東 泰安 271600)

        0 引言

        脫硫建筑石膏制品具有質(zhì)輕、保溫、隔熱、吸聲、防火、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn),是國內(nèi)外推崇的綠色環(huán)保建筑材料[1]。 但是脫硫石膏粉具有較大的比表面積,造成標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量大幅提高,導(dǎo)致其水化硬化后的硬化體孔隙率提高,強(qiáng)度降低。 一定程度上限制了脫硫石膏在工程上的推廣應(yīng)用。 通過添加減水劑, 降低脫硫石膏膠凝材料的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量,進(jìn)而降低制品孔隙率,是提高其強(qiáng)度的有效方法[2]。 自 20 世紀(jì) 80 年代起,德國、日本等國家相繼研發(fā)了一些石膏體系的專用減水劑[3],而我國對此研究相對滯后, 對石膏減水劑的應(yīng)用和研發(fā)水平相對較低。 目前市場上大多數(shù)減水劑是適應(yīng)于水泥基材料的, 而脫硫石膏與水泥的組成結(jié)構(gòu)、pH 值等方面存在著較大差異,因此,適用于脫硫石膏的減水劑種類需要進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究。

        1 試驗(yàn)

        1.1 原材料

        脫硫石膏:山東茌平熱電廠提供。 其化學(xué)成分見表 1, 物理性能見表 2,XRD 圖譜見圖 1,SEM 照片見圖2。

        由圖1 可以看出,本試驗(yàn)所用的脫硫石膏原材料中主要礦物組成是CaSO4·2H2O。

        由圖2 可以看出,本試驗(yàn)所用的脫硫石膏的微觀形貌主要為棒狀晶體結(jié)構(gòu)。

        表1 脫硫石膏的主要化學(xué)成分 %

        表2 脫硫石膏的物理力學(xué)性能

        圖1 脫硫石膏的XRD 圖

        圖2 脫硫石膏的SEM 照片

        粉煤灰(FA):山東濟(jì)南熱電廠提供Ⅱ級干排灰,細(xì)度為0.08 mm 方孔篩篩余量不大于20%,其化學(xué)成分見表3。

        萘系減水劑(FDN-X):山東萊蕪雙泉建筑材料有限公司提供,棕黃色粉末,減水率25%,主要化學(xué)成分為β-萘磺酸鈉甲醛縮合物。

        聚羧酸高性能減水劑(PC-NF):山東華迪建筑科技有限公司提供,白色粉末,含水率1.30%,減水率33.2%。

        水:自來水。

        1.2 測試方法

        (1)脫硫石膏標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量、凝結(jié)時間以及力學(xué)強(qiáng)度參照GB/T9776—2008《建筑石膏》進(jìn)行測試。采用內(nèi)徑為50 mm 高度為100 mm 的圓筒測試漿體稠度,當(dāng)擴(kuò)展度為(180±5)mm 時即為標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量,從脫硫石膏與水接觸開始計(jì)時,至鋼針第一次碰不到玻璃底板所經(jīng)歷的時間為初凝時間, 至鋼針第一次插入漿體的深度不大于1 mm 所經(jīng)歷的時間為終凝時間,力學(xué)強(qiáng)度采用40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱體試樣,在室內(nèi)環(huán)境中自然養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期破型。

        表3 粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

        (2)減水率測試參照 GB80762—1997《混凝土外加劑減水率的快速測定方法》進(jìn)行測試。 相對固定漿體稠度(老標(biāo)準(zhǔn)維卡儀測定),使?jié){體稠度控制在(40±1)mm,調(diào)整減水劑的加量,計(jì)算減水率。

        (3)軟化系數(shù):試件泡水48 h 的強(qiáng)度和自然養(yǎng)護(hù)28 d 的強(qiáng)度比值。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 減水劑對脫硫石膏標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量及減水率的影響

        標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量是石膏基膠凝材料的一個重要工藝參數(shù), 對后期硬化體的強(qiáng)度有著重要的影響。 減水劑通過靜電斥力或空間位阻效應(yīng),可有效釋放包裹在石膏顆粒間的自由水,從而減小脫硫石膏的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量。為了明確減水劑的種類和摻量, 測試了萘系FDN-X 減水劑與聚羧酸系 (PCNF) 減水劑對脫硫石膏標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量和減水率的影響,結(jié)果見圖3,4。

        由圖 3,4 可以看出,隨著 FDN-X、PC-NF 減水劑摻量的增加,脫硫石膏的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量呈下降趨勢,減水率則相應(yīng)提高。當(dāng)FDN-X 摻量為1.20%時, 標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量由空白試件的54%下降至40%,減水率為25.93%。 當(dāng)PC-NF 減水劑摻量為0.60%時,標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量由空白試件的54%下降至33%,減水率高達(dá)38.89%。 由此可以看出,PCNF 減水劑的減水效果優(yōu)于FDN-X 減水劑。PC-NF減水劑低摻量就能達(dá)到較理想的減水效果,對脫硫石膏有較好的適應(yīng)性。

        圖3 FDN-X 摻量對脫硫石膏標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量和減水率的影響

        圖4 PC-NF 減水劑對脫硫石膏標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量和減水率的影響

        2.2 減水劑對脫硫石膏漿體流動度 (擴(kuò)展直徑)的影響

        料漿流動度是脫硫石膏漿體施工性能和施工質(zhì)量的一個重要體現(xiàn)。 一般要求在盡可能減少用水量的前提下提高漿體的流動性, 對石膏基膠凝材料硬化體的致密性、 體積穩(wěn)定性及力學(xué)強(qiáng)度大有益處。 考察了FDN-X、PC-NF 兩種減水劑對脫硫石膏工作性能的影響,結(jié)果如圖5,6 所示。

        圖5 FDN-X 對脫硫石膏漿體流動度(擴(kuò)展直徑)的影響

        圖6 PC-NF 對脫硫石膏漿體流動度(擴(kuò)展直徑)的影響

        減水劑的減水原理是通過減水劑靜電斥力或空間位阻效應(yīng),有效釋放漿體中石膏顆粒包裹的自由水,達(dá)到減水增強(qiáng)的作用。 也就是說若固定石膏膠凝材料的漿體稠度,增加減水劑的用量,會使?jié){體用水量減少;若固定漿體用水量,增加減水劑的用量,則隨減水劑摻量增加,漿體稠度會逐漸變稀,流動性增加。

        由 圖 5,6 可 以 看 出 ,F(xiàn)DN-X 減 水 劑 摻 量 為1.50%時,石膏漿體擴(kuò)展直徑由空白試樣的95 mm增加至230 mm,增幅為142.10%,PC-NF 減水劑摻量為0.75%時, 石膏漿體擴(kuò)展直徑由空白試樣的95 mm 擴(kuò)大至320 mm,增幅為236.84%,說明PCNF 減水劑對脫硫石膏工作性能優(yōu)于FDN-X 減水劑。 PC-NF 減水劑在低摻量時就會獲得較好的工作性能。

        2.3 減水劑對脫硫石膏凝結(jié)時間的影響

        凝結(jié)時間是脫硫石膏膠凝材料工作性能優(yōu)劣的重要工藝參數(shù)之一。 脫硫石膏的水化活性較高,水化進(jìn)程較快,凝結(jié)時間迅速,為保證有足夠的施工時間,有時還需要添加適量相適應(yīng)的緩凝劑來改善脫硫石膏的工作性能。合適的減水劑對脫硫石膏的工作性能起到關(guān)鍵作用。 考察了FDN-X 和PCNF 兩種減水劑對脫硫石膏凝結(jié)時間的影響, 結(jié)果見圖 7,8。

        圖7 FDN-X 減水劑對脫硫石膏凝結(jié)時間的影響

        圖8 PC-NF 減水劑對脫硫石膏凝結(jié)時間的影響

        由圖7 可以看出,隨著FDN-X 減水劑摻量的增加,脫硫石膏漿體的初凝時間、終凝時間皆逐漸縮短,且摻量越大,這種作用效果越明顯。 當(dāng)摻量為石膏質(zhì)量的1.20%時,初凝時間和終凝時間分別比空白試件縮短70.59%和58.33%,漿體工作性能明顯劣化。 分析原因是FDN-X 減水劑中含有一定量的堿金屬離子,能夠加快脫硫石膏的水化進(jìn)程,宏觀上表現(xiàn)為凝結(jié)時間縮短,對漿體工作性能造成很大的負(fù)面影響。

        由圖8 可以看出, 脫硫石膏中摻加PC-NF 減水劑后, 凝結(jié)時間隨其摻量的增加呈逐漸延長趨勢。 當(dāng)PC-NF 摻量為0.6%時,初凝時間和終凝時間分別為73 min 和133 min, 相比空白試件的初、終凝時間分別延長了329.41%和454.17%,漿體工作性能得到了明顯改善。 說明PC-NF 減水劑具有延長脫硫石膏凝結(jié)時間的作用,其原因是聚羧酸減水劑具有空間位阻效應(yīng),能夠延長石膏漿體的水化誘導(dǎo)期,延緩石膏的水化進(jìn)程,從而起到了緩凝的作用。

        2.4 減水劑對脫硫石膏力學(xué)強(qiáng)度的影響

        脫硫石膏水化后形成二水石膏,二水石膏結(jié)晶體互相交叉連生,形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),是石膏漿體硬化并具有強(qiáng)度的基礎(chǔ)。 硬化體的強(qiáng)度由二水石膏結(jié)晶體的數(shù)量、大小、單個接觸點(diǎn)的強(qiáng)度及單位體積內(nèi)接觸點(diǎn)的多少決定[4]。 脫硫石膏比表面積大,漿體標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量也大, 即使將水粉比降到40%以下,仍然大大多于理論水化需水量(18.6%)[5],多余的水蒸發(fā)后又在硬化體內(nèi)形成大量的孔隙,既影響脫硫石膏膠凝材料的力學(xué)強(qiáng)度,又影響硬化體的結(jié)構(gòu)和晶體發(fā)育。 研究了FDN-X 和PC-NF 兩種減水劑對脫硫石膏力學(xué)強(qiáng)度的影響, 結(jié)果見圖9,10。

        圖9 FDN-X 減水劑對脫硫石膏力學(xué)強(qiáng)度的影響

        圖9 可以看出,隨著FDN-X 減水劑摻量的增加,脫硫石膏各養(yǎng)護(hù)齡期的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度皆呈上升趨勢。 摻量在0%~0.60%時,試件抗壓強(qiáng)度上升幅度較緩,摻量超過0.60%后,抗壓強(qiáng)度上升幅度較大, 當(dāng)摻量為脫硫石膏質(zhì)量的1.20%時,試件養(yǎng)護(hù)28 d 的抗折強(qiáng)度為6.91 MPa, 比空白試件4.36 MPa 提高 58.94%,抗壓強(qiáng)度為 27.51 MPa,較空白試件14.19 MPa 提高93.87%。

        由圖10 可以看出,試驗(yàn)范圍內(nèi),隨著PC-NF摻量的增加,試件各養(yǎng)護(hù)齡期的抗折、抗壓強(qiáng)度皆隨之提高。 當(dāng)摻量為0.60%時,試件養(yǎng)護(hù)28 d 的抗折強(qiáng)度由空白試樣的4.36 MPa 提高至7.41 MPa,提幅為69.95%,抗壓強(qiáng)度由空白試樣的14.19 MPa提高到28.01 MPa,提幅為97.39%。

        圖10 PC-NF 減水劑對脫硫石膏力學(xué)強(qiáng)度的影響

        總之,上述兩種減水劑都能大幅度提高脫硫石膏的力學(xué)強(qiáng)度,但FDN-X 減水劑摻量相比PC-NF減水劑大得多,同等摻量下,F(xiàn)DN-X 減水劑的作用效果不及PC-NF 減水劑。

        2.5 減水劑對脫硫石膏耐水性能的影響

        減水劑對脫硫石膏耐水性能的影響結(jié)果分別見表 4,5。

        表4 FDN-X 減水劑對脫硫石膏耐水性能的影響

        表5 PC-NF 減水劑對脫硫石膏耐水性能的影響

        由表4、5 可以看出, 隨著減水劑摻量的增加,各試件的抗折、抗壓軟化系數(shù)逐漸提高。當(dāng)FDN-X摻量為1.20%時,抗折軟化系數(shù)由空白試件的0.73提高至0.95,提幅為30.13%,抗壓軟化系數(shù)由空白試件的0.62 提高至0.92,提幅為48.39%,質(zhì)量吸水率由空白試件的16.22%降至7.43%, 降幅為54.19%。 PC-NF 摻量為0.60%時,抗折軟化系數(shù)由空白試件的0.73 提高至0.97, 提幅為32.88%,抗壓軟化系數(shù)由空白試件的0.62 提高至0.94, 提幅為51.61%,質(zhì)量吸水率由空白試件的16.22%降至5.21%,降幅為67.88%。 說明減水劑摻入脫硫石膏漿體中減少了用水量, 提高了硬化體的密實(shí)度,降低了吸水率,減少了水對硬化體的溶蝕,從而提高了脫硫石膏膠凝材料的耐水性。

        3 結(jié)論

        (1)FDN-X 和 PC-NF 兩種減水劑都能有效降低脫硫石膏的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量。 摻量為0.60%時,F(xiàn)DN-X 試件標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量為44%, 減水率為18.52%。PC-NF 試件標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量為33%,減水率38.89%。

        (2)減水劑摻量為0.60%時,F(xiàn)DN-X 試件漿體擴(kuò)展直徑為205 mm,PC-NF 試件漿體擴(kuò)展直徑為320 mm。PC-NF 減水劑明顯優(yōu)于FDN-X 減水劑。

        (3)FDN-X 減水劑能夠縮短脫硫石膏的凝結(jié)時間,對其工作性能不利,PC-NF 減水劑能夠延長脫硫石膏的初、終凝時間,對脫硫石膏的工作性能非常有益。

        (4)FDN-X 和 PC-NF 兩種減水劑都能不同程度提高脫硫石膏的力學(xué)強(qiáng)度。 摻量為0.60%時,F(xiàn)DN-X 試件抗折強(qiáng)度提高31.65%,抗壓強(qiáng)度提高26.49%,PC-NF 試件抗折強(qiáng)度提高69.95%, 抗壓強(qiáng)度提高97.39%。

        (5)FDN-X 和 PC-NF 兩種減水劑都能不同程度地提高脫硫石膏的耐水性。 摻量為0.60%時,F(xiàn)DN-X 試件抗折軟化系數(shù)提高15.07%, 抗壓軟化系數(shù)提高29.03%,質(zhì)量吸水率下降43.95%,PC-NF試件抗折軟化系數(shù)提高32.88%, 抗壓軟化系數(shù)提高54.84%,質(zhì)量吸水率下降67.88%。

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