石膏矿渣绿色材料的研究进展

何玉鑫 ，华苏东 ，瞿 县

（1.江阴邦特科技有限公司，江苏无锡214442；2.南京工业大学材料科学与工程学院；3.江苏省一夫新材料科技有限公司）

2012年，中国石膏消耗总量为1.07亿t，天然石膏开采量为3 700万t。目前，中国工业副产石膏产量比较多，2012年脱硫石膏和磷石膏产量分别为6 000万t和7 000万t，利用率分别为83%和24%。大量未处理的工业副产石膏堆积和填埋，既污染环境也制约了经济的可持续发展。石膏矿渣绿色材料是一种新型的绿色环保材料，复配矿渣改性可生成水硬性产物水化硅酸钙（C-S-H）凝胶和钙矾石（AFt），它们是具有强度高、耐水性好等特点的胶凝材料。开发石膏矿渣绿色材料，有利于节能减排，实现资源节约型、环境友好型相结合，推动和发展可持续的绿色生态文明建设。笔者分析考察了石膏矿渣绿色材料中生石灰和水泥激发剂的掺加量，以及不同辅助激发剂改善绿色材料的各项性能，以期为绿色材料在保温材料、混凝土、免煅烧砖、粉刷石膏等领域的推广运用提供借鉴。

1 石膏矿渣绿色材料的制备

矿渣在激发剂（石灰、水泥等）提供的碱性条件下，活性的二氧化硅和三氧化铝不断从矿渣中解离出来参与水化反应生成C-S-H，石膏进一步激发生成AFt，能更好地提高材料的强度和耐水性。激发剂是石膏矿渣绿色材料不可或缺的材料，可提供足够的OH-，其主要以水泥、生石灰和复合激发剂为主。张毅等［1］通过2%（质量分数，下同）的生石灰激发原状脱硫石膏（或磷石膏）矿渣绿色材料，28 d后抗压强度和抗折强度分别大于30 MPa和3 MPa，但抗冻融能力差且需要高温养护1 d。阳超琴等［2］利用8%的 SH（主要成分为 CaO、SiO2、Na2O、H2O）改性磷石膏，其28 d后抗压强度为29.4 MPa。黎良元等［3］利用复配碱激发剂制备了石膏-矿渣凝胶材料，抗压强度和抗折强度分别为12.6 MPa和6.0 MPa，软化系数为 0.77。 吴其胜等［4］研究了 NaOH、KAl2（SO4）3、Na2SO4和Na2SiO3等4种激发剂的激发效果，发现硅酸钠能很好地改善绿色材料的性能，28 d后抗压强度和抗折强度仅为12.6 MPa和4.9 MPa。何玉鑫等［5］用质量分数为4%的生石灰和辅助激发剂激发矿渣，得到的绿色材料28 d后抗压强度和抗折强度分别为40.1 MPa和11.0 MPa，且利用10%的水泥和辅助激发剂激发矿渣，28 d后抗压强度和抗折强度分别为41.9 MPa和7.1 MPa，软化系数为0.94。樊先平等［6］发现绿色材料中水泥掺加量为7%～10%（质量分数，下同）时可获得最佳性能。综上所述，为获得高强度和高耐水性能的石膏矿渣绿色材料，常用水泥的掺加量为7%～10%，即生石灰掺加量为3%～4%；同时，辅助激发剂是石膏矿渣绿色材料必不可少的，可克服其凝结时间短和早期强度低等缺陷。

1.1 辅助激发剂改性

石膏矿渣绿色材料因其凝结时间短、早期强度低、碳化性能差和易起砂等缺点，在应用上仍受到一定的限制。笔者对不同添加剂改性石膏矿渣绿色材料作了分析，以期推动石膏矿渣绿色材料的发展。

1.1.1 钢渣改性

钢渣的主要矿物成分是硅酸二钙、硅酸三钙、RO相（MgO、FeO和MnO的固溶体）及少量的游离氧化钙等，由于杂质溶进物相中，使其不具有水泥熟料的高活性，通过粉磨、外加剂激发（硫酸钠、水玻璃、硫酸铝和石膏等）可有效提高钢渣的活性。Y.Huang等［7］将钢渣掺入磷石膏-矿渣体系中，抗压强度超过40 MPa。殷小川等［8］采用质量分数为2%的钢渣改性磷石膏碱性，有效固定了磷石膏中可溶性磷和可溶性氟，提高了磷石膏基水泥的早期性能，3d和28 d后抗压强度分别超过10MPa和49MPa。

1.1.2 水玻璃改性

水玻璃主要成分是SiO2和Na2O，可以为体系提供足够的OH-，激发矿渣水化，是一种良好的辅助激发剂。何玉鑫等［5］利用自制的水玻璃辅助生石灰激发矿渣，不仅提高了体系的力学性能和耐水性能，而且有效抑制了硬化体的膨胀。田亮等［9］利用水玻璃和特种化纤改善了绿色材料的韧性和强度，160 d后抗压强度和抗折强度分别为43.4 MPa和9.3 MPa。

1.1.3 硫酸盐改性

硫酸盐可充分激发硬石膏胶凝性，有效开发出硬石膏矿渣绿色材料。彭家惠等［10］在600℃下煅烧明矾以加快硬石膏水化和改善硬化体显微结构，硬石膏1 d和3 d后的水化率从7.2%和12.9%分别提高到29.3%和45.5%，辅助水泥激发矿渣，获得抗压强度为30.5 MPa，软化系数为0.78。

1.1.4 复合添加剂改性

针对石膏矿渣绿色材料的凝结时间长和强度低的不足，可将工业副产二水石膏和硬石膏复配，利用硫酸盐、碱性激发（水泥、石灰等）和其他盐类激发（K2Cr2O4和Na2Cr2O4等）先对硬石膏活性进行改性。石宗利等［11］掺入硫酸盐激发氟石膏的活性，加快了无水硫酸钙水化速度和二水石膏的过饱和和析晶速度，缩短了凝结时间（初凝时间和终凝时间分别为3 h和6.4 h）；利用苛性碱和水玻璃辅助水泥激发矿渣，生成大量水硬性产物，但AFt含量过多，内部应力集中出现裂纹。应俊等［12］掺入硫酸盐和水玻璃的复合激发剂，辅助水泥激发矿渣，制备的绿色材料28 d后抗压强度和抗折强度分别达到40.5 MPa和7.4 MPa，吸水率和软化系数分别为4.2%和0.92。

2 石膏矿渣绿色材料应用

2.1 保温材料

石膏矿渣绿色材料运用于保温隔热性能的复合墙体材料，可保护环境和综合利用资源。李久明等［13］对聚苯乙烯（EPS）颗粒进行改性处理，提高了EPS-石膏-矿渣墙体保温材料的强度、软化系数的同时还保持着较低的导热系数。李化建等［14］用秸秆纤维改性脱硫石膏基轻质保温墙体材料，具有能耗低、成本低、施工强度低、保温隔热性能好等优点，可用于工业和民用建筑、车站候车室等室温墙体保温材料。晋强等［15］在石膏矿渣绿色材料中掺入棉花秸秆，可以改善EPS颗粒悬浮的缺点，具有较好的保温性能和合适的力学性能，为固体废弃物再利用指出了资源化的新途径。

2.2 混凝土

石膏矿渣绿色材料通过钢渣粉、促凝剂、减水剂等可以弥补凝结时间长、起砂和碳化性能差等不足，促进其在混凝土中的运用。林宗寿等通过钢渣粉改性磷石膏矿渣绿色材料，可缩短磷石膏基混凝土的凝结时间［16］，兼具抗起砂和抗碳化性能［17］。石宗利等［18］利用减水剂、早强剂、半水石膏和促凝剂等制备高强石膏基混凝土砖和砌块，在有效降低生产成本的同时，可实现节能减排、保护土地资源和环境的目标。

2.3 免煅烧砖

传统黏土砖因占地多、能耗高、砖自重大，施工生产中劳动强度高、工效低的缺点，正逐步被新型材料取代。石膏矿渣绿色砖的制备有利于环境保护和经济可持续发展，只需复合矿物改性剂的高效激发，便可具有较优异的抗压强度与耐水性能。周可友等［19］复掺激发剂及早强剂、减水剂，石膏矿渣绿色砖在14 d后抗压强度达26.3 MPa，软化系数为0.94，冻融循环25次的强度损失率为7.5%，质量损失率为1.9%，可满足JC 238—1991《粉煤灰砌块》中的抗冻耐水要求。何玉鑫等［20］采用绿色材料制备免煅烧磷石膏砖，28 d后抗压强度和抗折强度分别为35.8 MPa和3.3 MPa，吸水率和软化系数分别为2.3%和0.90。

2.4 粉刷石膏

国内外内墙抹灰材料充分利用了石膏轻质、防火、保温隔热和吸声等功能，同时还具有不易开裂和黏结强度较高的特点。目前，石膏矿渣绿色粉刷材料主要是以硬石膏为主要研究对象，通过添加增强材料与活性激发剂等手段激发硬石膏的活性，生产出性能优异的粉刷石膏。 王锦华等［21］和杨新亚等［22］利用激发剂激发硬石膏矿渣材料，在保水剂和水泥等材料的作用下制备了各项性能满足JC/T 517—2004《粉刷石膏》标准要求的粉刷石膏产品。

2.5 自流平材料

石膏强度低和耐水性差制约了其在自流平材料的运用，减水剂、早强剂和碱激发剂可明显改善石膏自流平材料的各项性能。张国防等［23］采用复配矿渣和粉煤灰改性脱硫石膏，在早强剂和减水剂的作用下制备了节能环保、低成本的石膏基防静电自流平砂浆。铝酸盐水泥是一种快硬水泥，可缩短石膏复合材料的凝结时间。谢建海等［24］采用脱硫石膏占36%（质量分数，下同）、矿渣粉占32%、硫铝酸盐水泥占28%、碱性激发剂占4%配制的脱硫石膏自流平材料流动度达170 mm以上，30 min流动度经时损失很小，绝干抗折强度和抗压强度分别达到6.8 MPa和29.2 MPa，软化系数达 0.82。

3 展望与结论

石膏矿渣绿色材料是一种新型绿色环保材料，具有重要和积极的经济效益、社会效益和环境效益。因此应促进其在建筑领域中的深入研究和运用，努力加快石膏矿渣绿色材料产业化的步伐。但是，石膏矿渣绿色材料的推广过程中仍然存在一些亟需解决的问题：1）作为一种新型材料，石膏矿渣绿色材料在抗碳化性能、抗冻融性能和耐碱性能等一系列耐久性能方面的研究较少，缺少充足的理论依据；2）石膏矿渣绿色材料的起粉、起砂、返霜等问题也是不容忽视的重要问题，有待研究者提出有效的解决办法。

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