闫澍旺;陈国锋;贾沼霖;冯晓冬;张旭
【摘 要】In order to improve the property of FGD gypsum and make it widely used in construction engineering,based on the different cement content of gypsum on compressive strength and flexural strength test,the relationship between the strength of gypsum and cement content was explored.And scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) are used to analyse the micro mechanism of single doped gypsum cement strength change.The research results show that the mechanical properties of FGD gypsum can be improved to a certain extent after the cement mixed with FGD gypsum,and the strength of the desulfurization gypsum can be improved.With the help of the microscopic mechanism analysis,finding that the cement gypsum mixed system can produce ettringite,and due to ettringite expansion and calcium silicate hydration after the formation of hydrated calcium silicate gel filled to the pores of the gypsum,gypsum become compact,which explaines the strength of gypsum growth from the mechanism microscopic.纯铝酸钙水泥
However,due to the dual role of ettringite expansion,cement has the most economical dosage.Experimental study on determining desulfurization gypsum in cement the economic content is 10％.%为改善脱硫石膏的性能,使其在建筑工程中应用更为广泛.通过对不同水泥掺量的石膏进行抗压强度和抗折强度试验,探究石膏强度与水泥掺量的关系;并通过扫描电镜实验(SEM)和X射线衍射实验(XRD)对单掺水泥石膏强度变化的微观机制进行分析.研究结果表明:水泥掺入脱硫石膏后可以一定程度上改善脱硫石膏的力学性能,提高脱硫石膏的强度.通过微观机理分析发现,水泥-石膏混合体系中会产生钙矾石,由于钙矾石的膨胀以及硅酸钙水化后生成的水化硅酸钙凝胶填充于石膏孔隙,使石膏趋于密实,从微观上解释了石膏强度的增长机制.但由于钙矾石的膨胀具有双重作用,因此存在水泥的最经济掺加量,实验研究确定脱硫石膏中水泥的最经济掺加量为10％. 【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】化妆笔2017(017)001
【总页数】5页(P291-294,310)
【关键词】石膏;水泥;强度;微观结构分析
【作 者】闫澍旺;陈国锋;贾沼霖;冯晓冬;张旭
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【作者单位】电厂水处理天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072;天津大学岩土工程研究所,天津300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072;天津大学岩土工程研究所,天津300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072;天津大学岩土工程研究所,天津300072;天津开发区福林发展有限公司,天津300457;天津开发区福林发展有限公司,天津300457
【正文语种】中 文
【中图分类】TU526
脱硫石膏是火电厂烟气脱硫过程产生的副产品，具有和天然石膏相似的化学性质，属气硬性胶凝材料[1]。在国外，石膏因其价格低廉、性能优异、外形美观、易用性优势而在建筑工程中成为一种流行的材料[2]。但由于石膏的强度较低，目前只能作为内墙或者以石膏板的形式使用，因此改善石膏的强度显得尤为必要[3]。目前改善脱硫石膏强度的主要技术手段是在脱硫石膏中添加无机或有机物质，提升脱硫石膏性能。李国忠等人在脱硫石膏中掺
加聚丙烯纤维和有机乳液，研究纤维掺量及掺加工艺对脱硫石膏力学性能的影响[4]；吴其胜等人使用聚丙烯酰胺改性脱硫石膏，通过密实脱硫石膏孔隙等方式，提升了脱硫石膏的力学与防水性能[5]；林栋等人测试了聚羧酸减水剂对脱硫石膏分散性、凝结时间以及强度的影响[6]。
水泥是一种无机胶凝材料，水化后硬度很高。曾有学者研究发现在水泥中掺加少量的脱硫石膏可以改善水泥的改善水泥的物理性能，提高水泥的强度，并可有效调节水泥的凝结时间[7]。但是对于水泥对脱硫石膏性能影响的研究尚少，本文通过对单掺水泥石膏进行抗压和抗折强度实验，研究了不同水泥掺量对脱硫石膏力学性能的影响。并利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对水泥-石膏复合材料的微观结构进行表征，分析其强度形成机制。
石膏取自电厂干燥煅烧后产物，物理性能见表1，经三项分析，其中含二水石膏6.4%，半水石膏78%。其粒度筛分结果见表2，粒度主要集中在100～250目之间。
所用石膏化学成分见表3。
所用水泥为普通硅酸盐水泥，其物理力学性能分别见表4。
2.1 试件成型
参照《建筑石膏》GB/T 9776—2008标准进行。选定石膏型基础材料的水膏比(水和石膏混合料的质量比)，将石膏基材混合均匀，按标准稠度用水量称量水，并把水倒入搅拌容器中。在10 s内将试样均匀地撒入水中，浸泡20 s，用拌和棒在30 s内搅拌30圈。搅拌的时间过短，石膏浆不均匀，石膏浆中将有大量的气体不能排出，造成石膏模中有很多气泡和硬块；搅拌的时间过长，石膏浆将变硬，流动性变差，很难浇灌到模具中，影响石膏模型质量，最终影响试件的强度和其他性能。标准搅拌时间应当均匀搅拌直到搅拌棒可以在石膏浆表面留下很清晰的划痕时则可制模，搅拌时间为2 min左右。当料浆被搅拌均匀时用料勺将其灌入预先涂有矿物油的标准试模内，试模充满后，用手将试模一端提起10～30 mm，使其自由落下，振动10次，用同一操作将试模另一端振动10次，以排除料浆中的气泡。在初凝前，用刮平刀将溢浆刮去，但不需摸光表面。待水和试样接触开始到1 h时，在试件的表面编号并拆模。
2.2 力学性能测定方法
2.2.1 石膏的抗折强度测定
石膏抗折强度采用DKZ—5000型电动抗折试验机进行测定。依据《建筑石膏》GB/T 9776—2008标准进行。试块采用40 mm×40 mm×160 mm，在自然条件下养护到一定的龄期，取三块试样分别测定其抗折强度，然后计算平均值。
2.2.2 石膏的抗压强度测定
石膏抗压强度测定采用三思压力试验机，最大压力为60 t，参照建筑石膏GB/T 9776—2008标准进行。取做完抗折试验后的半块试样进行抗压强度测定，试验结果取三个试块抗压强度的平均值。
2.3 微观结构分析方法
2.3.1 X射线衍射实验
石膏中各元素的化学成分分析采用GB/T 5484—2000《石膏和无水石膏化学分析方法》标准执行。采用日本理学公司D/MAX—2500 18 kW台式高频X射线衍射仪进行分析。其测试条件为5°～80°扫描，步长0.02°，Cu靶(40 kV，200 mA)。
2.3.2 扫描电镜分析
本试验采用高分辨率LEO1530VP扫描电镜完成不同水泥含量的石膏的形态结构的扫描工作。石膏是非导电性的物质，在利用电镜进行观察时，会产生严重的荷电现象影响观察，因此需要在样品表面镀金属层，不仅可以阻止荷电现象，也可以减少样品表面损伤，提高图像清晰度。具体方法：样品采用40 mm×40 mm×160 mm模具成型，真空干燥，取中间原始断面，镀金待测。
3.1 石膏强度性能分析
脱硫建筑石膏以及其他组分按照给定的配比混合均匀，按标准稠度用水量加水调和、搅拌，然后倒入40 mm×40 mm×160 mm的三联试模中成型，终凝后脱模，在(20±2) ℃、相对湿度50%～80%条件下养护18 d，测定前试块含水率为8%。按照规范测得不同水泥掺量石膏的抗折强度和抗压强度，并记录于表5。
从表5中可以看出，与纯石膏相比较，掺加水泥后的石膏试块的抗压强度有了显著的提高，并随水泥掺量的增加整体呈增加趋势。当水泥含量为30%时，其抗压强度17.0 MPa，提高了6.92%；抗折强度的变化规律与抗压强度类似，但强度的提升更为明显，当水泥含量为30%时，其抗折强度为7.1 MPa，提高了39.22%。因此水泥对脱硫石膏的力学性能有明显
的改善。
从图1中可以看出，随着水泥掺量的增加，石膏试块的强度开始呈现增加的趋势，但在水泥掺量达到20%时，试块强度略有下降，随着水泥含量的继续增加至30%时，试块的强度又有了显著的增加。
压折比可以反映石膏等无机材料的韧性，压折比越小，材料的韧性越好。对实验的试块计算压折比，从表5中可以看出，石膏试块的压折比变化与与强度变化规律相反，随着水泥掺量的增加压折比先减小后增大，随水泥含量的增加至30%，试块的压折比又开始减小。
3.2 石膏微观结构分析
3.2.1 X射线衍射分析
分别对纯石膏和不同水泥掺量的石膏试件进行X射线衍射分析，由于水化硅酸钙凝胶为非晶体，因此XRD衍射峰中不会出现。
图2所示为纯石膏和20%水泥掺量石膏试块的XRD分析图谱。从图中可以看出，不含水泥的
纯石膏XRD图谱中主要是二水硫酸钙特征峰，掺加水泥后的石膏试块XRD图谱中出现了钙矾石的特征峰。由此可见，硅酸盐水泥的加入产生了钙矾石。
钙矾石的产生是由于在石膏和水泥的混合体系中，各组分的水化速度不同，且水化过程中各个阶段产生的水化产物不同。当在脱硫石膏中掺入水泥时，石膏水化生成二水石膏晶体结构网，水泥则水化生成水化铝酸钙和硅酸钙，二水石膏很快与水化铝酸钙发生化学反应并生成难溶于水的水化硫铝酸钙(即钙矾石)，其化学反应式见式(1)[8]。
木酢液3.2.2 扫描电镜分析
分别对纯石膏和不同水泥掺量的石膏试件进行扫描电镜实验，分别取放大1 000倍和3 000倍的SEM照片如图3所示。
从图3(a)可以看出纯石膏晶体惯态主要呈纤维状、板状和块状。对比图3(b)～(d)不同水泥掺量石膏的SEM图片，可以看出掺加水泥后生成的钙矾石晶体与脱硫石膏晶体错落搭接，形成较强的结构。同时，硅酸钙水化后生成的水化硅酸钙凝胶填充再次结构当中，起到了凝实和增强作用，降低了石膏的孔隙率。随着水泥掺量的增加，石膏晶体间孔隙越密实，
且钙矾石晶体与石膏晶体的搭接与覆盖程度越高。因此，水泥的掺加可以提高石膏试样的抗折强度和抗压强度，降低石膏试样的吸水率。
但是，由于钙矾石是一种六角形断面的针状晶体，在形成过程中会产生体积膨胀[9，10]，膨胀时固相体积可增大120%左右[9]。因此，在脱硫石膏中适当的掺入水泥，生成的钙矾石本身及其膨胀作用可以填充部分体系，与水泥水化生成的水化硅酸钙共同作用，降低石膏的孔隙量，起到“填充密实”的作用，提高石膏的强度。但时当水泥添加过多时，钙矾石的膨胀作用会破坏已有的石膏晶体结构网，改变石膏内部的应力状态，容易使石膏硬化体内部产生裂纹，导致石膏的强度有所下降。随着水泥的继续添加，水泥水化生成的C—S—H凝胶会形成凝胶结构网，石膏的强度又会增加。可见钙矾石的膨胀作用具有双重作用[9，10]，这也从微观机制上解释了石膏强度随水泥掺量的起伏变化。
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