脱硫石膏空心砌块制备、性能与养护制度

王 韩，曹晓润，王 治

（1.河南建筑材料研究设计院有限责任公司，郑州 450002；2.河南省科学院质量检验与分析测试研究中心，郑州 450002）

近几年，新型墙体材料的研究和应用已经引起很多国家的关注，我国对建材等基础行业节能减排问题尤为重视.新型绿色墙体材料节约资源、能源，减少污染物排放，变废为宝，有利于保护人类赖以生存的环境［1-3］.脱硫石膏砌块等新型墙体材料正在绿色建筑材料领域发挥其特有的功效，是一种符合可持续发展要求的新型环保墙体材料［4-5］.

脱硫石膏又称为烟气脱硫石膏、硫石膏或FGD石膏，其主要成分和天然石膏一样，为二水硫酸钙［6-8］.脱硫石膏经转化后的五种形态、七种变体与天然石膏的物化性能一致［9］，可以代替天然石膏生产建材.工业发达国家比较好地解决了脱硫石膏运输、干燥、改性、应用等技术性难题，石膏制品工业应用脱硫石膏的规模比较大，应用技术比较成熟.将脱硫石膏替代天然石膏，用于生产作为新型墙体材料的轻质砌块，既达到废弃物资源化利用的目的，又具有良好的社会和经济效益［1，9-11］.据统计，2018年全国脱硫石膏产量约为71.6 Mt，综合利用量为54.0 Mt，利用率为75.4%［12］.未被利用的脱硫石膏大量堆放，不仅占用土地面积，而且污染环境.

脱硫石膏砌块的研究和应用意义十分重大，不仅可节约天然资源，减少天然石膏开采、运输过程对生态的破坏，而且避免了脱硫石膏堆放对土地及水资源的二次污染，有利于石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术的进一步推广应用；有利于减少SO2的排放量，减少了对环境的污染［10，13-15］.脱硫石膏砌块具有质量轻、强度高、保温隔热、隔声及良好耐火性等优势［2，11］，利用脱硫石膏和粉煤灰等工业废弃物为原料制备石膏砌块，降低了生产成本，同时粉煤灰和憎水剂有效提高了制品的耐水性等性能，解决了石膏墙体泛碱、发黄等问题［16］，进一步拓宽了石膏砌块的应用范围［17］.尤其是在用于制造内墙隔体所需的石膏砌块［18］.

本文以脱硫建筑石膏为主要原料，以粉煤灰为掺和料，研究不同配合比生产石膏砌块的断裂荷载和耐水性能，得出最佳配比.

1 试验

1.1 试验原料

1）脱硫建筑石膏：郑州复晟资源开发有限公司生产的脱硫建筑石膏，3.0等级，物理力学性能见表1，执行标准GB/T 9776—2008.

表1 脱硫建筑石膏物理力学性能Tab.1 Physical mechanics of desulfurized building gypsum

2）粉煤灰：郑州市热电厂干排F类Ⅱ级粉煤灰，其化学成分及物理性能见表2和表3，执行标准GB/T 1596—2017.

3）氢氧化钙：市售，天津市凯通化学试剂有限公司，分析纯.

4）憎水剂：选定某外加剂厂生产的憎水剂（JY-ZS50）.

5）水：自来水.

1.2 试验方法

1.2.1 脱硫石膏空心砌块制备流程及关键生产步骤 脱硫石膏空心砌块制备流程：1）将脱硫石膏、调节剂、轻集料和水加入搅拌机中搅拌均匀；2）将搅拌好的料浆浇入预先准备好的模具内；3）初凝后抽芯；4）成型后拆模，自然养护干燥至成品.生产工艺流程见图1.

脱硫石膏空心砌块关键生产步骤：将熟石膏、轻集料、调节剂等经配料系统的电子计量秤计量后，水经可调式水计量装置计量后，通过气动卸料阀进入混合机.在混合机内通过搅拌器的强烈搅拌使各组分混合均匀，由液压翻转装置将料浆自动倒入成型机的各个模腔中，采用振动方式除去气泡待到初凝状态，利用刮刀刮平溢浆，1～2 h后，进行抽芯、拆模、机械码装，将脱模后的石膏砌块分别放在自然湿法和70℃干法条件下进行养护，获得石膏砌块成品.

表2 粉煤灰化学成分Tab.2 The chemical composition of fly ash 单位：%

表3 粉煤灰物理性能Tab.3 Physical properties of fly ash

图1 脱硫石膏空心砌块生产工艺流程图Fig.1 The production process flow chart of desulfurized gypsum hollow block

1.2.2 配合比设计方案 试验选取四组配合比作为脱硫石膏空心砌块的配合比质量分数设计方案，见表4，憎水剂按混合料总量的1%添加.

表4 脱硫石膏空心砌块的配合比Tab.4 Proportions of desulfurized gypsum block

按表4中的配合比设计方案和图1的生产工艺流程制备出的脱硫空心石膏砌块KP 700 mm×500 mm×100 mm，用于以下性能检测试验.

2 脱硫石膏空心砌块性能检测与分析

脱硫石膏空心砌块的力学性能按照标准《石膏砌块》（JC/T 698—2010）进行检测，标准中规定膏砌块的表观密度≤800 kg/m3，断裂荷载≥2.0 kN.表观密度和断裂荷载检测结果见表5.

表5 脱硫石膏空心砌块的表观密度和断裂荷载Tab.5 The apparent density and fracture load of desulfurized gypsum hollow block

脱硫石膏的掺量对脱硫石膏空心砌块的强度起到决定性作用，由表5可以看出，随着脱硫石膏掺量的增加，脱硫石膏空心砌块的强度也随着增大.

由表6可以看出：所有配方生产出脱硫石膏空心砌块的长度、宽度及厚度均稍有偏差.长度、宽度偏差都在2.0 mm以内，厚度偏差都在1.0 mm以内，且均无缺棱掉角、出现裂纹的现象.由于采用定制的砖模压制而成，所以长度、宽度、厚度尺寸偏差和平整度都完全达到标准《石膏砌块》（JC/T 698—2010）的规定.

表6 脱硫石膏空心砌块的尺寸偏差检测结果Tab.6 Dimensional deviation test results for desulfurized gypsum hollow blocks 单位：mm

在脱硫石膏中掺加粉煤灰，可降低脱硫石膏粉搅拌时的标准稠度用水量，延长其凝结时间.同时，粉煤灰的掺入会引起脱硫石膏早期强度降低.因此，在选择粉煤灰掺量时应基本保持脱硫石膏的快硬早强特性［19］.对以上四种配合比方案制备石膏砌块的试验结果进行对比可知，方案A1的石膏砌块表观密度过大；方案A3、A4脱硫石膏掺量较大，粉煤灰综合利用率偏低；方案A2的脱硫石膏掺量为75%，粉煤灰掺量为23%，其强度达到了标准《石膏砌块》（JC/T 698—2010）规定的断裂荷载要求，由此可见，方案A2制备石膏砌块是最佳方案.

3 脱硫石膏空心砌块的耐水性分析

脱硫石膏空心砌块的耐水性按照标准《石膏砌块》（JC/T 698—2010）规定进行检测，以软化系数来表示，即经过吸水后（在20℃±3℃水中浸泡24 h）砌块的断裂荷载与干燥时砌块的断裂荷载的比值，如下式所示.

式中：f为软化系数（%）；R1为干燥时砌块的断裂荷载（N）；R2为吸水后砌块的断裂荷载（N）.

脱硫石膏空心砌块的耐水性试验结果见表7和表8.

表7 脱硫石膏空心砌块吸水前、后的断裂荷载Tab.7 The fracture load of the desulfurized gypsum hollow block before and after absorbing water 单位：kN

表8 脱硫石膏空心砌块的耐水性试验结果Tab.8 Water resistance testing of desulfurized gypsum hollow blocks

由表8可见，脱硫石膏空心砌块软化系数均符合标准规定要求，耐水性能良好.

4 养护制度对脱硫石膏粉煤灰胶结材强度的影响

按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）的规定，将同一配方下不同养护制度下的脱硫石膏粉煤灰胶结材制备成40 mm×40 mm×160 mm棱柱试件，对抗压强度和抗折强度进行了测试.因方案A2为最佳配合比方案，采用A2方案进行试验，结果见表9.

表9 养护制度对胶结材强度的影响Tab.9 Effect of the conservation regime on the strength of cementitious material

从试验结果可知，热养护能明显加快胶结材强度发展速度.温度过低，不利于胶结材中水分的蒸发，要达到一定强度所耗时明显增长.温度过高，则会破坏石膏结晶结构，胶结材强度偏低，能耗高反而导致胶结材性能不佳.

70℃干热养护较为适宜胶结材的水化硬化，在养护初期，干热养护使胶结材中水分蒸发，形成湿热环境，既有利于石膏材料的干燥脱水，又有利于粉煤灰等水硬性材料在湿热条件下发挥活性，形成水化产物.随着胶结材中水分逐渐减少，强度不断提高，14 h的干养试件强度可达到28 d自然养护下的强度.

综上，脱硫石膏空心砌块合适的养护方式为干热养护，养护温度为70℃±5℃，养护时间为10～14 h.

5 结论

脱硫石膏砌块具有良好的社会经济和环境效益，是一种符合我国可持续发展战略的新型绿色墙体材料［16，20］，具有广阔的发展前景.本项目通过对养护制度和配方优化的研究，制备出了性能较佳的脱硫石膏空心砌块，并得出以下结果：

1）脱硫石膏砌块合适的养护方式为干热养护，养护温度为70℃±5℃，养护时间为10～14 h；

2）脱硫石膏砌块配合比中粉煤灰的最佳掺量为23%左右，脱硫石膏砌块表观密度可降到653 kg/m3，断裂荷载可达到3.5 kN.