高强防水石膏复合材料制备及其性能研究

程磊，张晓果

（1.南昌航空大学科技学院，江西共青城，332020；2.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南郑州，450000）

0 引言

脱硫石膏是FGD 过程的工业副产品，年产接近万吨，较大的工业产量造成了一定的环境压力、经济压力。对脱硫石膏再利用，发挥其比强度高、隔热保温性强、防火性能好的性能优势具有现实意义［1］。但同时，脱硫石膏吸湿性强、防水性差、易软化，这限制了其使用及发展。针对此缺陷，进行改性研究以提高石膏制品的防水性十分重要。本文将以脱硫石膏粉、矿渣微粉为原料，结合硅酸盐水泥、粉煤灰、防水剂［2］制备具有一定防水性的高强石膏制品。

1 实验

1.1 原材料

脱硫石膏粉，工业级，粉末状，标准稠度用水量0.51，初凝时间7.5min、终凝时间12min，江西天宏新材料科技有限公司；矿渣微粉，工业级，密度约2.68g/cm3，江西天宏新材料科技有限公司；粉煤灰，工业级，I 级粉煤灰，江西天宏新材料科技有限公司；有机硅憎水剂，分析纯，北京广联恒进装饰有限公司；硅酸盐水泥，P·O42.5，江西亚东水泥有限公司。

1.2 实验过程

称取500g 脱硫石膏粉与不同质量的矿渣微粉充分混合后获得粉料1；将硅酸盐水泥和粉煤灰以不同比例按总质量150g 混合均匀后获得粉料2；以0.5的水膏比，将粉料1、粉料2 和固定质量10g 的有机硅防水剂在搅拌机中充分拌合，而后浇入尺寸为40mm×40mm×160mm 的三联试模中，振实台上振捣，2h 后凝固脱模，在室温条件下自然养护14 天得到复合石膏制件，组分配比见表1。

表1 石膏材料组分表

1.3 性能测试

每组包含三个试件，各测试结果取平均值。依照《建筑石膏力学性能的测定》（GB/T 17669.3—1999）进行干抗折强度、抗压强度检测；依照《石膏砌块》（JC/T 698—2010），将自然养护完成的试件浸泡于水中，24h 后取出计算吸水率，并测试其吸水状态强度，完成软化系数测定；用扫描电子显微镜观测纯脱硫石膏制件和复合石膏制件的微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 脱硫石膏粉的X 射线衍射分析

图1 为脱硫石膏粉X 射线衍射图，分析衍射图谱，试验所用脱硫石膏粉主要成分为CaSO4·2H2O，并含有少量Fe、Al、Si 等杂质。

图1 脱硫石膏粉X 射线衍射图

2.2 不同矿渣微粉掺入比例性能比较

对照组不进行无机粉料和有机硅防水剂的掺入，测试其干抗压强度约为14.7MPa，抗折强度约为4.9Mpa，吸水率达32%，软化系数为0.41。图2 为不同矿渣微粉掺入对石膏复合制件抗压强度、抗弯强度的影响。在水泥、粉煤灰加入量一定时，随着矿渣微粉掺入量增加，制件力学性能指标呈上升趋势。石膏复合制件抗压强度可达20MPa 以上，抗弯曲强度为8MPa 至9MPa，较对照组力学性能有大幅提高。当脱硫石膏与矿渣微粉质量比为5：2 左右时，能获得较高的力学性能，抗压强度达22.5MPa，抗弯强度为8.9MPa。图3 是石膏制品的防水性能指标，随着矿渣粉掺入量增加，制品的吸水率降低，软化系数增大。当组别1 脱硫石膏粉和矿渣粉的质量比为2：1 时，吸水率达17.65%，软化系数为0.71。在水泥的激发作用下，矿渣微粉的掺入能够改善石膏制品的力学性能，提高防水性，矿渣粉的掺入改善了石膏的微观结构［3］。但过大的矿渣微粉掺入会改变石膏气硬性胶凝材料［4］的优点。

图2 不同矿渣粉掺入量石膏材料力学性能

图3 不同矿渣粉掺入量石膏材料防水性能

2.3 硅酸盐水泥与粉煤灰不同比例掺入性能比较

粉煤灰与硅酸盐水泥按照不同比例掺入对试件力学性能的影响如图4。随着硅酸盐水泥掺入量的降低，制品的力学性能快速下降。当组别7 硅酸盐水泥和粉煤灰质量比为1：14 时，抗压强度为17.2MPa，抗弯强度为5.8MPa。而水泥、粉煤灰掺入比例变化对石膏复合制品防水性能影响不太显著，见图5。粉煤灰和水泥一样，掺入后参与水化反应，形成了耐水性相［5］，吸水率略有降低，软化系数有所提高。

图4 不同粉煤灰掺入石膏材料力学性能

图5 不同粉煤灰掺杂石膏材料防水性能

2.4 微观形貌

纯脱硫石膏制品（对照组）微观形貌如图6，其结构多为针状一维结构，相互交错、穿插生长。进行无机粉料和有机防水剂掺杂后，石膏制品（第3 组）微观形貌如图7 所示，相对图6，其结构由针状变成了板片状，由一维向二维转变，提高了晶粒接触点的稳定性，遇水稳定性增强，防水性提高。无机粉料发生水化反应生成耐水性能好、强度高的新相，同时与石膏形成新的凝胶体，二者弥散分布在晶体表面及间隙处，使石膏复合制件的力学性能和耐水性显著提高［6-8］。

图6 对照组微观形貌

图7 掺杂组（3 号）微观形貌

3 结语

（1）利用脱硫石膏粉、矿渣微粉、硅酸盐水泥、粉煤灰及有机硅防水剂可制备出具有一定防水性的高强石膏复合制件，较纯脱硫石膏制件性能大幅提高，抗压强度可达20MPa 以上，抗弯强度接近9MPa，吸水率在20%左右，软化系数接近0.7。

（2）矿渣微粉、硅酸盐水泥、粉煤灰的掺入改善了石膏的微观结构，使结构由针状变成了板片状，提高了晶粒接触点的稳定性，遇水稳定性增强。

（3）一方面，无机复合粉料发生水化反应生成耐水性能好、强度高的新相；另一方面，无机复合粉料与石膏形成新的凝胶体。二者弥散分布在晶体表面及间隙处，提高了力学性能和耐水性。

（4）无机复合粉料掺入改性是提高脱硫石膏性能和实现矿渣工业废料再利用以获得防水高强制品的有效途径。