添加剂对脱硫石膏耐水性影响试验分析

曾伟滨　周淑春

(中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州　221116)



添加剂对脱硫石膏耐水性影响试验分析

曾伟滨周淑春*

(中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州221116)

摘要:在大量实验的基础上，研究了矿物掺合料、缓凝剂、玻璃纤维对脱硫石膏耐水性的影响，通过调整矿物掺合料、缓凝剂、玻璃纤维的掺入量，获得了各添加剂对脱硫石膏的耐水性影响规律，进而为提高脱硫石膏的耐水性提供了合理的设计思路，为工程应用提供了理论依据。

关键词:脱硫石膏，矿物掺合料，缓凝剂，玻璃纤维，软化系数

我国是一个发展中国家，城市化正在加快发展。我国能源结构中煤炭占76．12%，工业能源结构中燃煤占73．9%［1］。煤燃烧产生的SO2占总排放量的90%，其中燃煤电厂排放量约占40%。到1995年全国SO2排放总量达到历年之最的2 370万t，超过了美国和欧洲各国，跃居世界首位;在2006年，我国SO2排放总量高达2 588万t，稳居世界第一;2009年我国SO2排放总量为2 214．4万t，其中工业SO2排放量为1 865．9万t［2］。为了解决SO2污染，我国采用了石灰(石)—石膏湿法烟气脱硫。在此过程中也会产生大量的工业废弃料CaSO4·2H2O，也就是我们所说的脱硫石膏，其特性与天然石膏的特性极其类似。目前，在国内相当一部分脱硫石膏还是以堆贮为主，已成为火电厂第二大固体废物。如能将其充分利用，代替一部分天然石膏，不仅节约自然资源而且能使电厂固体废物资源化［3］。因此，如何处置和利用脱硫石膏已成为一个突出的问题。

关于脱硫石膏的再利用问题前人已经进行了大量的研究［4］，但在处置和利用脱硫石膏的过程中遇到的主要问题是石膏制成品的软化系数太低，在潮湿环境中强度急剧降低并发生蠕变，因此很难推广应用。所以本文在前人研究的基础上，采用试验的方法探究增强脱硫石膏耐水性及强度的方法，为脱硫石膏的推广应用提供科学的理论支持。

1　材料与试验方法

1．1原材料

为了增强脱硫石膏的耐水性，本文在前人研究的基础上，使用脱硫石膏(来自邳州电厂)、白水泥、生石灰、粉煤灰、玻璃纤维、SC石膏缓凝剂等材料进行试验。

1．2实验方法

依据中华人民共和国关于建筑石膏的相关标准［5-9］和前人研究的相关经验，我们将矿物掺合料的含量控制在10%～50%(矿物掺合料为生石灰、白水泥、粉煤灰按1∶4∶3的比例混合而成)，缓凝剂的含量控制在0．1%～0．3%，玻璃纤维的含量控制在0．3%～1．5%。每个变量按照5个水平自由组合，共设计125组试验。按照JC/T 698—2010关于测定软化系数的规定，试验时，将三块干燥试件，在(20±3)℃的水中浸泡24 h，用湿毛巾擦干试件表面。将擦干的试件平放在抗折机的圆形平行支杆上，支撑间距为500 mm，在跨距中央平行于支杆方向施加荷载，加载速度为20 N/s，直至试件断裂。结果取三个试件断裂荷载的算术平均值［10］。通过实验测得的各组石膏试块软化系数随掺合料的变化，最终选取使石膏的软化系数最大所对应掺合料的掺入量作为最佳掺入量。

2　试验结果与分析

2．1矿物掺合料对脱硫石膏试块软化系数的影响

为了研究矿物掺合料对脱硫石膏软化系数的影响，首先应了解掺合料各组分在脱硫石膏中的作用机理。白色硅酸盐水泥的简称，以适当成分的生料烧至部分熔融，主要成分为硅酸钙。当白水泥加入脱硫石膏后，白水泥中的C3A与石膏反应生成钙矾石，钙矾石虽然在前期阻止白水泥水化反应，但是在后期可以提高石膏的强度和软化系数。

生石灰主要成分是氧化钙(CaO)，经磨细后比表面积约为石膏的1/100，所以遇水后会消耗大量的水分。生石灰经一系列反应生成碳酸钙，碳酸钙的溶解度较低，约为石膏溶解度的1/200。脱硫石膏反应后生成的二水石膏表面被不溶于水的碳酸钙所包覆，提高了脱硫石膏产品的耐水性［11］。

我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为:SiO2，Al2O3，FeO，Fe2O3，CaO，TiO2，MgO，K2O，Na2O，SO3，MnO2等，此外还有P2O5等。粉煤灰颗粒呈多孔型蜂窝状组织，比表面积较大，具有较高的吸附活性，颗粒的粒径范围为0．5 μm～300 μm。并且具有多孔结构，孔隙率高达50%～80%，有很强的吸水性。粉煤灰属于活性矿物质，但其活性物质含量较低，早期水化活性很差。脱硫石膏加入粉煤灰后，其制成品的绝对强度降低，但可以提高脱硫石膏的软化系数。粉煤灰在石膏中，以水泥和石灰作为碱性激发剂，以脱硫石膏作为硫酸盐激发剂，加速粉煤灰的水化硬化反应，提高脱硫石膏制成品的软化系数，提高经济效益。

在脱硫石膏中分别加入10%～50%的矿物掺合料，将每组(三块)石膏砌块试件，在(20±3)℃的水中浸泡24 h，用湿毛巾擦干试件表面，测定其断裂荷载。通过对实验数据的整理和分析，将矿物掺合料作为唯一变量，其他添加剂作为不变量，作出脱硫石膏制成品强度和软化系数随矿物掺合料含量变化规律，如图1所示。

从图1可以看出随矿物掺合料的变化，软化系数先提高后降低，说明软化系数不是随矿物掺合料的含量增加而提高的。当矿物掺合料的含量占脱硫石膏的10%～20%之间时，脱硫石膏的抗折软化系数最高，其抗折软化系数等于0．686，符合JC/T 698—2010的要求(抗折软化系数≥0．6)。此时脱硫石膏试块28 d抗折强度为3．2 MPa，抗压强度为9．6 MPa(为抗压强度最大值)，同样符合相关规范要求。

2．2SC石膏缓凝剂对脱硫石膏试块软化系数的影响

脱硫石膏的终凝时间为6 min～30 min，可操作时间只有5 min～10 min，不能满足石膏基材的成型与施工需要［12］。虽然脱硫石膏中加入缓凝剂后，可调节石膏的凝结硬化时间，满足不同的施工要求，但加入缓凝剂的同时也会影响石膏制成品的一些物理和力学性能。所以在满足施工要求的同时，我们应寻找合适的石膏缓凝剂品种和合适的掺入量，来保证石膏其他的物理力学性能。

SC石膏缓凝剂，是一种被破坏的蛋白质，具有成本低，缓凝时间长，强度损失小的特点。近年来SC石膏缓凝剂应用广泛，所以本文将对它进行讨论。当SC石膏缓凝剂加入脱硫石膏时，会吸附在半水石膏颗粒表面，降低生成结晶胚芽的速度和半水石膏的溶解度，从而延缓了二水石膏的生成和结晶，降低反应速度［13］。

脱硫石膏中分别加入0．5%～3%的SC石膏缓凝剂，分成五组制作标准试块，按照规范的要求进行实验。以缓凝剂的掺入量作为变量，得到软化系数随缓凝剂掺入量的变化规律，如图2所示。

图1　矿物掺合料对软化系数的影响

图2　SC石膏缓凝剂对软化系数的影响

从图2可知，随SC石膏缓凝剂添加量的增加，软化系数出现先提高后降低的现象。在缓凝剂添加量为1．5%～2%时出现最大值，其最大值为0．69，符合JC/T 698—2010的要求。

2．3玻璃纤维对脱硫石膏试块软化系数的影响

玻璃纤维在石膏晶体中均匀分布，石膏砌块一旦发生开裂，将减少与防止裂缝的产生和发展［14］。当微裂缝长度大于纤维间距时，玻璃纤维将起到桥梁作用，传递荷载，使砌块内的应力场分布更加均匀，尖端的应力集中得以钝化，减弱和消除裂缝发展的趋势;当微裂缝长度小于玻璃纤维间距时，裂缝将受玻璃纤维的作用改变发展方向或者跨越玻璃纤维生成更加细微的裂缝，消耗了促使裂缝发展的能量，使裂缝得以停滞。同时，玻璃纤维的加入会造成二水石膏晶体缺陷和空隙增多，其耐水性会受到影响。

脱硫石膏中加入0．3%～1．5%的玻璃纤维，分做五组标准试块，试块按照规范的要求进行测定软化系数。以玻璃纤维的百分含量为横坐标，以软化系数作为纵坐标，得到软化系数随玻璃纤维掺入量的变化规律，如图3所示。

由图3可知，随玻璃纤维的增加，软化系数呈现先降低后增加再降低的趋势。在玻璃纤维含量为0．3%时，软化系数出现最大值0．68，但考虑到此时的抗折强度较低，所以经综合比较应选取玻璃纤维含量为1．2%，此时的软化系数为0．67，28 d抗折强度为3．11 MPa，满足规范要求。

图3　玻璃纤维对软化系数的影响

3　结语

通过对矿物掺合料、缓凝剂、玻璃纤维掺入量的调整，研究了不同外加剂对石膏耐水性的影响，得到了如下结论:1)脱硫石膏的耐水性随矿物掺合料的增加呈现先增加后降低的趋势，在20%处达到最大值0．686。2)耐水性随缓凝剂含量的增加呈现先增加后降低趋势，最大值出现在0．15%～0．2%之间，最大值为0．69。3)耐水性随玻璃纤维含量的增加呈现先降低后增加再降低的波动趋势变化，但考虑到试样的抗折强度，认为玻璃纤维的含量应在1．2%左右选取。

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The water-tolerant property experimental analysis of additives’effects on desulfurization gypsum

Zeng WeibinZhou Shuchun*
(School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221116，China)

Abstract:The water-tolerant property of desulfurization gypsum was studied in this article considering the effects of the mineral admixtures，retarder and glass fiber based on a large number of experiments．By adjusting the admixing amount of mineral admixtures，retarder and glass fiber，rules of different kinds of additives’effects on the water-tolerant property of desulfurization gypsum were obtained．A set of mixture ratio was also acquired which can largely improve the water-tolerant property of desulfurization gypsum block and provide theoretical basis for engineering application．

Key words:desulfurization gypsum，mineral admixtures，retarder，glass fiber，softening coefficient

通讯作者:周淑春(1973-)，女，硕士，副教授

作者简介:曾伟滨(1990-)，男

收稿日期:2015-10-23

文章编号:1009-6825(2016)01-0124-02

中图分类号:TU528．041

文献标识码:A