激发剂在石膏胶凝材料中的应用

徐月龙

（中机中联工程有限公司建筑技术研究所，重庆400039）

激发剂在石膏胶凝材料中的应用

徐月龙

（中机中联工程有限公司建筑技术研究所，重庆400039）

石膏胶凝材料是以石膏为主要原料复合其他矿物掺合料用于生产砌块等建筑材料的一种新型石膏资源化利用的材料。石膏胶凝材料体系通常加入适量的矿物掺合料，并且大量使用石膏产品，这样以来在改善石膏胶凝材料制品性能的同时，可以大量使用工业副产品。但是，在没有碱性激发剂的情况下，石膏制品的强度和耐久性都相对较差。该文研究总结了激发剂对石膏制品性质的影响，重点总结了化学激发剂硫酸盐和氯盐对石膏体系的性能影响。通过研究表明，化学激发剂的适量加入可以有效地改善石膏体系制品的物理力学性能和耐久性。

石膏胶凝材料；化学激发剂；力学性能；耐久性

0 引言

石膏制品是利用天然石膏或者工业副产品石膏生产的一种节能环保的建筑材料，具有质轻、吸噪音等良好的性能，并且在制造使用中无毒害作用，但由于石膏制品的耐水性低、遇水后其他性能变差，导致其只能在室内及干燥环境中使用，这样就很大程度上限制了石膏制品的使用范围。为了改善石膏制品的耐水性能，并且提高石膏制品的强度等，研究人员发现，在石膏胶凝材料体系中加入适量的矿物掺合料可以显著提高制品的物理性能，同时也使石膏制品的应用范围得到扩大[1]。

矿物掺合料加入混凝土等材料中可以有效改善材料的性能，因此在建筑材料行业得到广泛的应用。所以受到启发，人们开始研究在石膏体系中加入矿物掺合料用以提高制品的性能，得到了较好的效果。Kun Ni等[2]研究了粉煤灰和脱硫石膏胶砂的性能，结果表明，脱硫石膏掺量的增加，浆体的流动度会变小，当脱硫石膏的掺量为20%时，试件28d的抗压和抗折强度最高，并且收缩也较小；刘芳[3]等将半水石膏和黄磷炉渣使用不同的比例混合，检测了制品的强度和耐水性，结果表明，石膏制品2h的抗压、抗折强度随着黄磷炉渣掺量增大而降低，将制品在水中进行养护，这时试件制品的强度随着黄磷炉渣掺量增大而提高，黄磷炉渣作为掺合料可以改善石膏体系制品的耐水性能。

在此基础之上，很多人研究了碱性激发剂对石膏体系制品性质的影响，黎元良等[4]研究了碱对石膏-矿渣胶凝材料的激发作用，研究结果表明，碱性激发剂的掺量需要控制在一定比例，并不是越多越好，当碱的掺量为0.5%时，试件的抗压强度和软化系数均达到最高；Manjit Singh等[5]研究了硫酸盐激发剂和碱性激发剂分别对石膏-矿渣体系制品的性能影响，研究结果表明，当掺入氢氧化钙、Na2SO4·10H2O、FeSO4·7H2O等激发剂时，石膏胶凝体系的材料吸水率会变小、抗压强度会提高、同时体积稳定性也增强；由此可见，化学激发剂的加入可以提高石膏胶凝材料制品的性能。

通过以上分析可知，在石膏体系中加入适量的矿物掺合料可以有效提高石膏制品的产品性能和质量，但是引入激发剂之后，可以使石膏制品的性能更加优异。因此，本文在此基础之上研究了不同化学激发剂对石膏体系的影响，并且研究了掺量、激发剂的种类等因素对石膏制品力学性能和耐久性的影响。

1 激发剂对石膏胶凝材料力学性能的影响

脱硫石膏的主要成分是CaSO4·2H2O，自身不具有胶凝性，矿渣粉是粒化高炉钢铁工业的工业副产物，其本生是具有潜在活性的；研究结果表明[6-10]，石膏是可以激发粒化高炉矿渣粉的内在活性的，但是效果不显著，在化学激发剂的作用下效果更显著。

1.1 KAl（SO4）2·12H2O对石膏体系材料力学性能的影响

图1 KAl（SO4）2·12H2O掺量对材料抗压强度的影响

图2 养护方式对材料抗压强度的影响

从图1可以看出，随着KAl（SO4）2·12H2O掺量的提高，试件的抗压强度明显提高，在各个龄期，抗压强度均比未掺激发剂的组别高，但是随着龄期的增长，可以看出，强度的提高会随着KAl（SO4）2·12H2O掺量的提高逐渐趋于稳定，并且在7d龄期时强度出现下降的趋势，因此可以看出，KAl（SO4）2·12H2O的掺量控制在1.0%左右是最好的。从养护方式上看，潮湿的环境对试件强度的提高不利，试件的强度出现先增加后降低的趋势主要是因为KAl（SO4）2·12H2O的加入，使得溶液中铝离子和硫酸根离子的含量增加，这对钙矾石的形成十分有利，当掺量过多时会产生结晶压力，强度会下降。

图3 试样在28d龄期时的XRD图谱

从图3可以看出，石膏胶凝体系中主要的水化产物是钙矾石和二水石膏，由此可见在28d龄期时，在XRD图谱上没有Ca（OH）2的特征峰，这说明矿渣粉水化消耗了Ca（OH）2。

1.2 Al2（SO4）3·18H2O对石膏体系材料力学性能的影响

图4 Al2（SO4）3·18H2O掺量对材料抗压强度的影响

图5 养护方式对材料抗压强度的影响

从图4可以看出，石膏胶凝体系的材料抗压强度随着Al2（SO4）3·18H2O掺量的提高先出现增大而后降低，这说明Al2（SO4）3·18H2O掺量过多，会对体系的强度产生不利的影响，通过实验表明，掺量为1.0%时，抗压强度值最高，并且可以看出，激发剂对试件早期的强度影响较大，对后期强度的影响较小。从养护方式对强度的影响上看，潮湿环境依旧对石膏制品强度有着不利的影响。

图6 掺有Al2（SO4）3·18H2O的试样在28d水化龄期的XRD图谱

由图6的水化产物分析可知，掺入Al2（SO4）3·18H2O激发剂对钙矾石的生成具有较大的促进作用，并且加速了矿渣的水化，使钙矾石的生成量增加，钙矾石衍射峰因此增强。

2 激发剂对石膏体系材料的耐久性的影响

2.1 KAl（SO4）2·12H2O对石膏体系材料耐久性的影响

从图7可以看出，当1.0%的KAl（SO4）2·12H2O掺入可以抑制石膏材料体系的体积膨胀，特别是在早期抑制作用十分明显，但是随着龄期的增长，这种抑制作用逐渐趋于稳定；从吸水率来看，掺有激发剂的试件吸水率明显低于空白组，但是掺有1.5%的KAl（SO4）2·12H2O的组别吸水率略高于掺量为1.0%的，由此可以看出选择KAl（SO4）2·12H2O作为激发剂时，掺量为1.0%是最合适的，这是由于掺入KAl（SO4）2·12H2O后，试样在早期水化生成了较多的钙矾石，试件体积膨胀。

图7 KAl（SO4）2·12H2O掺量对材料体积膨胀的影响

图8 KAl（SO4）2·12H2O掺量对吸水率的影响

2.2 Al2（SO4）3·18H2O对石膏体系材料耐久性的影响

从图9可以看出，Al2（SO4）3·18H2O可以很好的抑制石膏制品的体积膨胀，而且时间在较短的时间内体积膨胀可以趋于稳定，这样对试件后期的稳定性十分有利；从图10可以看出，掺有Al2（SO4）3·18H2O的石膏制品在早期的吸水率是十分迅速的，但是在短期内吸水率就会达到平衡。

图9 Al2（SO4）3·18H2O掺量对材料体积膨胀的影响

图10 Al2（SO4）3·18H2O掺量对材料吸水率的影响

3 结束语

本文主要研究了使用化学激发剂KAl（SO4）2·12H2O和Al2（SO4）3·18H2O对石膏体系制品力学性能和耐久性的影响，通过研究表明，加入这两种化学激发剂以后，石膏体系制品的力学性能会有显著提高。适量加入KAl（SO4）2·12H2O和Al2（SO4）3· 18H2O可以提高制品的长期稳定性，这对石膏制品的耐久性有较大的影响，但是化学激发剂的掺量需要控制在一定的范围内，否则会起到相反的作用。因此，研究化学激发剂对石膏体系的影响还有待深入研究，这对工业副产品脱硫石膏的资源化利用有积极的作用。

[1]陈燕，岳文海，董若兰.石膏建筑材料[M].北京:中国建材工业出版社，2003.

[2]ShiyunZhong，Kun Ni，Jinmei Li.Properties of mortars made by uncalcined FGD gypsum-fly ash-ground granulated blast furnace slag composite binder[J].Waste Management，2012（32）:1468-1472.

[3]刘芳，吴建华，王冲.黄磷炉渣-磷石膏复合胶凝材料性能研究[J].材料导报，2007，21（5A）:510-512.

[4]黎良元，石宗利，艾永平.石膏-矿渣胶凝材料的碱性激发作用[J].硅酸盐学报，2008，36（3）:405-410.

[5]Manjit Singh，MriduiGarg.ACTIVATION OF GYPSUM ANHYDRITE-SLAG MIXTURES[J].Cement and Concrete Research，1995，25（2）:332-338.

[6]李立坤，唐修仁.碱-矿渣胶凝材料水化机理及动力学特征[J].硅酸盐通报，1994，13（3）:49-52.

[7]董风芝，刘家弟.脱硫石膏粉煤灰胶结材研究[J].非金属矿，2005，28（4）:34-35.

[8]袁瑞章，高琼英，欧阳世翕.矿渣结构与水硬性活性及其激发机理[J].武汉工业大学学报，1987，3:297-303.

[9]王峰，张耀君，宋强，等. NaOH碱激发矿渣地质聚合物的研究[J].非金属矿，2008，31（3）:9-11.

[10]何廷树，李毅，张伟，等.石膏种类对矿渣的助磨效果及其性能的影响[J].非金属矿，2011，34（3）:51-54.

责任编辑：孙苏

Research of Activator in Gypsum Cementitious Material

Gypsum cementitious materialis a new gelled materialproduced with mostgypsum materialand other mineraladmixtures to produce building materials like building blocks.The adding of proper mineraladmixtures into gypsum cementitious material can improve material performance and use plenty of industrialby-product as well.However,the strength and durability of gypsum products are relatively poor in the absence of alkaline activator. The impactof activator on the properties ofgypsum products are summarized,especially the impacts ofchemicalactivators like sulfate and chlorine salt on the properties.The study shows that proper amount of chemical activator can effectively improve the physical and mechanical properties as well as durability of gypsum products.

gypsum cementitious materials；chemicalactivator；mechanicalproperties；durability

TU522

A

1671-9107（2014）10-0050-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.10.050

2014-07-22

徐月龙（1986-），男，吉林省吉林人，研究生，助理工程师，从事绿色建筑和绿色建筑材料研究。