矿粉对脱硫建筑石膏力学性能及微观结构的影响

高 辉，林 瑞，杜秉坤，邢宝瑞

（1.天津市建筑科学研究院有限公司，天津 300193；2.天津市建筑工程质量检测中心有限公司，天津 300193；3.天津众建新型建材有限公司，天津 300350）

我国脱硫石膏产量为5 500万t/a，如不能及时处理，势必会对环境造成二次污染[1～3]。与水泥相比，石膏具有密度低、收缩率低、保温隔热、隔音、易加工等优点；但强度低、耐水性差两个缺点大大制约了石膏在我国的大规模应用[4～8]。针对强度低的问题，有学者在石膏中加入活性胶凝材料或化学外加剂等，以改善其强度[9～12]；由于选择原材料不同造成研究结果不一致[13]。本文研究掺加矿粉对脱硫建筑石膏力学性能及微观结构的影响，以期寻找提高脱硫建筑石膏强度的方法和途径。

1 试验

1.1 原材料

1）天津北疆电厂脱硫石膏，主要化学成分见表1。

表1 脱硫石膏的主要化学成分%

为了使该脱硫石膏具有水化硬化性能，需对其进行煅烧脱水处理，使之成为半水石膏即脱硫建筑石膏。先将脱硫石膏放入烘箱预热4 h，温度为40℃，冷却至室温后过0.16 mm方孔筛；再煅烧6 h，温度为190℃，获得脱硫建筑石膏。

2）天津海得润滋建材公司生产的S95级矿渣粉，密度为2.9 g/cm3，比表面积406 m2/kg，7 d活性指数87%，28 d活性指数99%，烧失量0.3%，需水比101%。

3）天津市福晨化学试剂厂生产的氧化钙，纯度95%。

4）聚羧酸减水剂，浓度40%，减水率32%。

5）采用柠檬酸作为缓凝剂。

1.2 试验及检测方法

试验采用的脱硫建筑石膏掺量在70%以上，水胶比0.45，减水剂掺量为胶材的0.5%，缓凝剂掺量为脱硫建筑石膏的0.2%。在室温下成型40 mm×40 mm×160 mm试件，自然养护至规定龄期，按GB/T17671—1999《水泥砂浆强度试验方法》测试其抗压强度。采用XRD测定水化后试样中的各物质成分，采用SEM对试样进行微观形貌观察。

2 结果与分析

2.1 矿粉对脱硫建筑石膏强度的影响

选取矿粉掺量分别为0、10%、20%和30%，研究对脱硫建筑石膏抗压强度的影响。见图1。

图1 矿粉掺量对脱硫建筑石膏抗压强度的影响

当矿粉掺量分别为10%、20%、30%时，脱硫建筑石膏的7、28 d抗压强度均呈现下降的趋势。由此可知，添加矿粉的脱硫建筑石膏抗压强度低于纯脱硫建筑石膏强度；因此单独添加矿粉对脱硫建筑石膏强度的提升没有作用。

出现这种情况是因为：虽然矿粉具有潜在活性，但单独添加时，潜在活性没有被激发。因此在随后%试验中对添加矿粉的试验组添加氧化钙，研究不同掺量碱激发剂氧化钙对矿粉改性脱硫建筑石膏强度的影响。配合比见表2，试验结果见图2。

表2 矿粉改性脱硫建筑石膏配合比

图2 氧化钙掺量对矿粉改性脱硫建筑石膏抗压强度的影响

当矿粉掺量为10%时，随着氧化钙掺量的增加，脱硫建筑石膏抗压强度呈逐渐上升趋势且随着龄期的增长，抗压强度也逐渐增大；当氧化钙掺量为矿粉掺量的9%时，其28 d抗压强度达到最大值，为19.7 MPa，与未掺加氧化钙相比，28 d抗压强度提高了约50%。

当矿粉掺量分别为20%和30%时，随着氧化钙掺量的增加，脱硫建筑石膏抗压强度均呈先上升后下降的趋势且随着龄期的增长，脱硫建筑石膏的抗压强度逐渐增大。当氧化钙掺量为矿粉掺量的3%时，28 d抗压强度达到最大值，分别为28.5、24.6 MPa，与未掺加氧化钙相比，分别提高了约174%和165%。

2.2 矿粉对脱硫建筑石膏微观结构的影响

当矿粉掺量为脱硫建筑石膏的20%、氧化钙掺量为矿粉量的3%时，脱硫建筑石膏抗压强度达到最大值，因此对这一试验组的试样进行XRD和SEM分析。见图3-图5。

图5 掺入20%的矿粉及矿粉量3%氧化钙水化28 d的SEM

图4 掺入20%的矿粉水化28 d的SEM

掺入20%矿粉后，水化产物主要是CaSO4·2H2O、少量钙矾石和C-S-H凝胶；掺入碱激发剂氧化钙后出现了新相莱粒硅钙石，同时，钙矾石和C-S-H凝胶的峰值有所增加，导致脱硫建筑石膏内部结构更加紧密，其力学性能得到提升。

掺入20%矿粉后，有大量交错结晶生长的二水石膏晶体，只有少量C-S-H凝胶和钙矾石晶体，交错的晶体间存在较大空隙；因此，掺入20%矿粉后脱硫建筑石膏的强度仍然很低。碱激发剂氧化钙掺入后，CS-H凝胶显著增加，其包裹在二水石膏晶体表面并在石膏晶体间起到胶结作用，明显减少材料的大孔隙，形成致密结构；此外新相莱粒硅钙石的产生，也使结构更加致密。

3 结论

1）单独添加矿粉对脱硫建筑石膏强度的提升没有作用，只有同时掺入适用的矿粉和碱激发剂氧化钙才能明显改善脱硫建筑石膏的强度。当矿粉掺量为脱硫建筑石膏的20%、碱激发剂氧化钙掺量为矿粉量的3%时，其抗压强度达到最大值，与纯脱硫建筑石膏相比，28 d抗压强度提高了约83%。

2）加入20%矿粉后，水化产物主要是CaSO4·2H2O、少量钙矾石和C-S-H凝胶。掺入碱激发剂氧化钙后，钙矾石和C-S-H凝胶明显增加并生成新相莱粒硅钙石，导致水化产物内部结构更加紧密，其力学性能得到明显改善。