高強防水石膏復合材料制備及其性能研究

程磊，張曉果

（1.南昌航空大學科技學院，江西共青城，332020；2.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，河南鄭州，450000）

0 引言

脫硫石膏是FGD 過程的工業副產品，年產接近萬噸，較大的工業產量造成了一定的環境壓力、經濟壓力。對脫硫石膏再利用，發揮其比強度高、隔熱保溫性強、防火性能好的性能優勢具有現實意義［1］。但同時，脫硫石膏吸濕性強、防水性差、易軟化，這限制了其使用及發展。針對此缺陷，進行改性研究以提高石膏制品的防水性十分重要。本文將以脫硫石膏粉、礦渣微粉為原料，結合硅酸鹽水泥、粉煤灰、防水劑［2］制備具有一定防水性的高強石膏制品。

1 實驗

1.1 原材料

脫硫石膏粉，工業級，粉末狀，標準稠度用水量0.51，初凝時間7.5min、終凝時間12min，江西天宏新材料科技有限公司；礦渣微粉，工業級，密度約2.68g/cm3，江西天宏新材料科技有限公司；粉煤灰，工業級，I 級粉煤灰，江西天宏新材料科技有限公司；有機硅憎水劑，分析純，北京廣聯恒進裝飾有限公司；硅酸鹽水泥，P·O42.5，江西亞東水泥有限公司。

1.2 實驗過程

稱取500g 脫硫石膏粉與不同質量的礦渣微粉充分混合后獲得粉料1；將硅酸鹽水泥和粉煤灰以不同比例按總質量150g 混合均勻后獲得粉料2；以0.5的水膏比，將粉料1、粉料2 和固定質量10g 的有機硅防水劑在攪拌機中充分拌合，而后澆入尺寸為40mm×40mm×160mm 的三聯試模中，振實臺上振搗，2h 后凝固脫模，在室溫條件下自然養護14 天得到復合石膏制件，組分配比見表1。

表1 石膏材料組分表

1.3 性能測試

每組包含三個試件，各測試結果取平均值。依照《建筑石膏力學性能的測定》（GB/T 17669.3—1999）進行干抗折強度、抗壓強度檢測；依照《石膏砌塊》（JC/T 698—2010），將自然養護完成的試件浸泡于水中，24h 后取出計算吸水率，并測試其吸水狀態強度，完成軟化系數測定；用掃描電子顯微鏡觀測純脫硫石膏制件和復合石膏制件的微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 脫硫石膏粉的X 射線衍射分析

圖1 為脫硫石膏粉X 射線衍射圖，分析衍射圖譜，試驗所用脫硫石膏粉主要成分為CaSO4·2H2O，并含有少量Fe、Al、Si 等雜質。

圖1 脫硫石膏粉X 射線衍射圖

2.2 不同礦渣微粉摻入比例性能比較

對照組不進行無機粉料和有機硅防水劑的摻入，測試其干抗壓強度約為14.7MPa，抗折強度約為4.9Mpa，吸水率達32%，軟化系數為0.41。圖2 為不同礦渣微粉摻入對石膏復合制件抗壓強度、抗彎強度的影響。在水泥、粉煤灰加入量一定時，隨著礦渣微粉摻入量增加，制件力學性能指標呈上升趨勢。石膏復合制件抗壓強度可達20MPa 以上，抗彎曲強度為8MPa 至9MPa，較對照組力學性能有大幅提高。當脫硫石膏與礦渣微粉質量比為5：2 左右時，能獲得較高的力學性能，抗壓強度達22.5MPa，抗彎強度為8.9MPa。圖3 是石膏制品的防水性能指標，隨著礦渣粉摻入量增加，制品的吸水率降低，軟化系數增大。當組別1 脫硫石膏粉和礦渣粉的質量比為2：1 時，吸水率達17.65%，軟化系數為0.71。在水泥的激發作用下，礦渣微粉的摻入能夠改善石膏制品的力學性能，提高防水性，礦渣粉的摻入改善了石膏的微觀結構［3］。但過大的礦渣微粉摻入會改變石膏氣硬性膠凝材料［4］的優點。

圖2 不同礦渣粉摻入量石膏材料力學性能

圖3 不同礦渣粉摻入量石膏材料防水性能

2.3 硅酸鹽水泥與粉煤灰不同比例摻入性能比較

粉煤灰與硅酸鹽水泥按照不同比例摻入對試件力學性能的影響如圖4。隨著硅酸鹽水泥摻入量的降低，制品的力學性能快速下降。當組別7 硅酸鹽水泥和粉煤灰質量比為1：14 時，抗壓強度為17.2MPa，抗彎強度為5.8MPa。而水泥、粉煤灰摻入比例變化對石膏復合制品防水性能影響不太顯著，見圖5。粉煤灰和水泥一樣，摻入后參與水化反應，形成了耐水性相［5］，吸水率略有降低，軟化系數有所提高。

圖4 不同粉煤灰摻入石膏材料力學性能

圖5 不同粉煤灰摻雜石膏材料防水性能

2.4 微觀形貌

純脫硫石膏制品（對照組）微觀形貌如圖6，其結構多為針狀一維結構，相互交錯、穿插生長。進行無機粉料和有機防水劑摻雜后，石膏制品（第3 組）微觀形貌如圖7 所示，相對圖6，其結構由針狀變成了板片狀，由一維向二維轉變，提高了晶粒接觸點的穩定性，遇水穩定性增強，防水性提高。無機粉料發生水化反應生成耐水性能好、強度高的新相，同時與石膏形成新的凝膠體，二者彌散分布在晶體表面及間隙處，使石膏復合制件的力學性能和耐水性顯著提高［6-8］。

圖6 對照組微觀形貌

圖7 摻雜組（3 號）微觀形貌

3 結語

（1）利用脫硫石膏粉、礦渣微粉、硅酸鹽水泥、粉煤灰及有機硅防水劑可制備出具有一定防水性的高強石膏復合制件，較純脫硫石膏制件性能大幅提高，抗壓強度可達20MPa 以上，抗彎強度接近9MPa，吸水率在20%左右，軟化系數接近0.7。

（2）礦渣微粉、硅酸鹽水泥、粉煤灰的摻入改善了石膏的微觀結構，使結構由針狀變成了板片狀，提高了晶粒接觸點的穩定性，遇水穩定性增強。

（3）一方面，無機復合粉料發生水化反應生成耐水性能好、強度高的新相；另一方面，無機復合粉料與石膏形成新的凝膠體。二者彌散分布在晶體表面及間隙處，提高了力學性能和耐水性。

（4）無機復合粉料摻入改性是提高脫硫石膏性能和實現礦渣工業廢料再利用以獲得防水高強制品的有效途徑。