朱效甲,陳永杰,朱蕓馨,朱倩倩,朱效兵,朱效濤
(1.濟(jì)南杰美菱鎂建材研究所,山東 濟(jì)南 250031;2.山東泰安源圣,鈺建材有限公司,山東 泰安 271000)
煙氣脫硫石膏是火電廠(chǎng)煙氣濕法脫硫的工業(yè)副產(chǎn)品,其基本性質(zhì)為灰白色粉末狀顆粒,平均粒徑40~60μm,水化后為短柱狀晶體,長(zhǎng)徑比在1.5~2.5,結(jié)構(gòu)緊密。和天然礦石膏相比,純度更高、堿含量更低、雜質(zhì)含量更少,是國(guó)內(nèi)外很受推崇的綠色環(huán)保建材。但是,由于脫硫石膏的比表面積較大、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量大大超過(guò)了石膏理論水化所需要的水分,導(dǎo)致制品強(qiáng)度降低,使用性能下降,從而制約了在工程上的廣泛應(yīng)用。因此,采取有效措施提高脫硫石膏的耐水性,已成為本領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。
(1)脫硫石膏:山東聊城熱電廠(chǎng)提供,灰白色粉末,主要化學(xué)成分見(jiàn)表1,物理性能見(jiàn)表2。
表1 脫硫石膏的主要化學(xué)成分 %
表2 脫硫石膏的物理性能
(2)尾礦粉(CaCO3):細(xì)度為0.15 mm方孔篩篩余量13.0%,含水率為1.17%,CaCO3含量≥90%,市購(gòu)。
(3)有機(jī)硅樹(shù)脂乳液(A液):淡黃色液體,固含量25.70%,PH值13.5,密度1.18 g/cm3,市購(gòu)。
(4)有機(jī)硅粉末(G粉):德國(guó)Wacker公司生產(chǎn),白色粉末。
(5)水:自來(lái)水。
將計(jì)量好的原材料按照水→脫硫石膏→有機(jī)硅憎水劑→尾礦粉的投料順序進(jìn)行投料和攪拌,至攪拌均勻,置于40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)試模內(nèi),振動(dòng)60 s,刮平表面,送養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù),24 h脫模,自然養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期破型,測(cè)試不同養(yǎng)護(hù)齡期的力學(xué)強(qiáng)度。
強(qiáng)度測(cè)試參照GB/T17669.3—1999《建筑石膏力學(xué)性能的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。
軟化系數(shù)測(cè)試:浸水后的強(qiáng)度與自然養(yǎng)護(hù)14 d的強(qiáng)度值比。
SEM測(cè)試:將養(yǎng)護(hù)14 d的試件用無(wú)水乙醇終止水化,干燥后研磨,過(guò)0.075 mm方孔篩,50℃烘干至恒重,冷卻至室溫,采用粉末壓餅法制樣檢測(cè)。
憎水劑摻量對(duì)脫硫石膏漿體密度的影響結(jié)果見(jiàn)圖1、2。
圖1 A液摻量對(duì)脫硫石膏漿體密度的影響
圖2 G粉摻量對(duì)脫硫石膏漿體密度的影響
由圖1、2可以看出,隨憎水劑摻量的增加,漿體密度皆有不同程度的降低,但摻A液試件的漿體密度下降幅度要大于摻G粉試件。當(dāng)摻量為1.50%時(shí),A液試件密度由空白試件的2.02 g/cm3下降至1.83 g/cm3,下降幅度為9.41%,G粉試件密度由空白試件的2.02 g/cm3下降至1.90 g/cm3,下降幅度為5.94%,分析原因是A液在石膏膠凝材料中具有引氣和穩(wěn)泡功能,在漿體攪拌過(guò)程中,能夠引入部分空氣進(jìn)入漿體,從而降低漿體密度,而G粉雖然也有一定的引氣效果,但引氣效果不及A液,所以摻G粉的試件密度要比摻A液試件的密度大一些,降低幅度要小一些。
不同摻量憎水劑對(duì)脫硫石膏養(yǎng)護(hù)14 d的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果見(jiàn)圖3、4。
圖3 A液摻量對(duì)脫硫石膏強(qiáng)度的影響
圖4 G粉摻量對(duì)脫硫石膏強(qiáng)度的影響
由圖3可以看出,隨著A液摻量的增加,試件抗折、抗壓強(qiáng)度隨之降低,摻量在0~1.0%時(shí),強(qiáng)度下降幅度較小,摻量超過(guò)1.0%后,強(qiáng)度下降幅度增大。當(dāng)摻量為2.0%時(shí),抗折強(qiáng)度由空白試件的4.59 MPa下降至2.24 MPa,降幅為51.20%,抗壓強(qiáng)度由空白試件的15.80 MPa下降至11.32 MPa,下降幅度為28.35%。
由圖4可以看出,隨著G粉摻量的增加,其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度呈先提高后降低的趨勢(shì),其下降拐點(diǎn)摻量為0.60%,當(dāng)摻量為0.60%時(shí),試件抗折強(qiáng)度由空白試件的2.86 MPa提高到3.38 MPa,提幅為18.18%,抗壓強(qiáng)度由空白試件的12.22 MPa提高到13.09 MPa,提幅為7.12%。
綜上分析,由于A液有機(jī)硅憎水劑能在脫硫石膏顆粒表面形成一層極薄的憎水薄膜,這層薄膜影響了石膏顆粒之間的粘接力,導(dǎo)致其力學(xué)強(qiáng)度下降[1],摻入G粉的試件,雖然漿體密度有小幅度降低,但能夠提高石膏硬化結(jié)晶體的結(jié)晶度,促進(jìn)結(jié)晶體的生長(zhǎng)和發(fā)育,在宏觀(guān)上表現(xiàn)為力學(xué)強(qiáng)度的提高。但是摻量超過(guò)0.60%這個(gè)最佳值之后,試件密度及力學(xué)強(qiáng)度開(kāi)始大幅度降低。
A液、G粉對(duì)脫硫石膏耐水性能的影響結(jié)果見(jiàn)表3、4。
表3 A液摻量對(duì)脫硫石膏耐水性能的影響
表4 G粉摻量對(duì)脫硫石膏耐水性能的影響
由表3、4可以看出,隨著憎水劑摻量的增加,試件的軟化系數(shù)逐漸提高,質(zhì)量吸水率逐漸降低。當(dāng)A液摻量為2.0%時(shí),試件浸水7 d的抗折軟化系數(shù)由空白試件的0.58提高到0.95,提幅為63.79%,抗壓軟化系數(shù)由空白試件的0.68提高到1.02,提幅為50%,質(zhì)量吸水率由空白試件的8.83%下降至1.73%,降幅為80.41%。當(dāng)G粉摻量為1.20%時(shí),試件浸水7 d的抗折軟化系數(shù)由空白試件的0.58提高到1.01,提幅為74.18%,抗壓軟化系數(shù)由空白試件的0.68提高到0.88,提幅為29.41%,質(zhì)量吸水率由空白試件的8.83%下降至1.53%,降幅為82.67%。對(duì)比A液和G粉,A液對(duì)脫硫石膏的抗壓軟化系數(shù)更有利,而G粉則對(duì)脫硫石膏的抗折軟化系數(shù)更有幫助,這是因?yàn)槊摿蚴嘀袚郊佑袡C(jī)硅憎水劑后可以影響到石膏硬化體的晶體結(jié)構(gòu),一般認(rèn)為,能夠產(chǎn)生有效交叉搭接的針狀或長(zhǎng)棒狀的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)提高材料的抗折強(qiáng)度很有利,而緊密排列的短柱狀晶體則對(duì)材料的抗壓強(qiáng)度有幫助[2]。兩種憎水劑對(duì)脫硫石膏晶體結(jié)構(gòu)的影響有所差異,造成對(duì)抗壓、抗折軟化系數(shù)的差異。
由表3、4還可以看出,A液摻量大于0.5%、G粉摻量大于0.3%后,脫硫石膏浸水7 d的抗折、抗壓軟化系數(shù)皆大于0.8,說(shuō)明有機(jī)硅憎水劑在脫硫石膏硬化體內(nèi)部的孔隙、空洞、毛細(xì)管壁表面已形成憎水薄膜,膜的外向?yàn)橛袡C(jī)硅基團(tuán),可使作用于其表面的水分子內(nèi)聚力大于水分子與材料之間的作用力,從而產(chǎn)生疏水作用。因此,隨憎水劑摻量的增加,試件的抗折、抗壓軟化系數(shù)逐漸提高,質(zhì)量吸水率隨之降低。
摻加不同憎水劑的脫硫石膏硬化體SEM照片見(jiàn)圖5。
圖5 不同憎水劑對(duì)脫硫石膏硬化結(jié)晶形貌的影響
由圖5可以看出,未摻憎水劑的脫硫石膏硬化體的晶體為光滑整齊且疏遠(yuǎn)的短棒狀結(jié)構(gòu),晶體之間幾乎無(wú)搭接和穿插現(xiàn)象,結(jié)構(gòu)比較疏松,這也是脫硫石膏力學(xué)強(qiáng)度低、耐水性能較差的原因。摻加1.50%的A液的脫硫石膏硬化體表面比較粗糙,出現(xiàn)長(zhǎng)徑比較小且不規(guī)則的條狀晶體,晶體之間相互搭接,結(jié)構(gòu)相對(duì)比較密實(shí),這是因?yàn)橛袡C(jī)硅憎水劑能夠在晶體顆粒表面形成了一層憎水保護(hù)薄膜,并在晶體顆粒之間進(jìn)行了填充所致。摻入1.20%的G粉后,脫硫石膏硬化體的晶體多呈粗大完整的棒狀、條柱狀晶體組成,結(jié)構(gòu)致密,晶體生長(zhǎng)發(fā)育良好,說(shuō)明G粉能夠提高石膏晶體的結(jié)晶度[3],從而提高了脫硫石膏的力學(xué)強(qiáng)度和耐水性能。
(1)有機(jī)硅憎水劑A液和G粉在脫硫石膏漿體中皆具有引氣和穩(wěn)泡功能,結(jié)合攪拌設(shè)備能夠?qū)⒉糠挚諝庖霛{體,并使其穩(wěn)定存在,從而降低漿體密度,摻量越大,這種作用效果越顯著。
(2)A液摻量為2.0%時(shí)抗折強(qiáng)度下降51.12%,抗壓強(qiáng)度下降28.35;而G粉摻量為0.60%時(shí),抗折強(qiáng)度提高18.18%,抗壓強(qiáng)度提高7.12%。
(3)A液、G粉皆能夠大幅度提高脫硫石膏的耐水性,降低質(zhì)量吸水率。
(4)G粉憎水劑能夠改變脫硫石膏的微觀(guān)形貌,提高晶體結(jié)晶度,從而提高石膏制品的力學(xué)強(qiáng)度、耐水性能和使用性能。