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温故知新 | 用化学石膏配制自流平材料的研究

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  摘要: 用化学石膏配制自流平材料的研究...

 用化学石膏配制自流平材料的研究

 

权刘权1李东旭1张量2

 

(1. 南京工业大学材料科学与工程学院,江苏南京210009;2国民淀粉化学(上海)有限公司,上海201613

 

(编者注:此文为国家“973”重点基础研究发展规划资助项目,完稿于20072月,发表于《IM&P化工矿物与加工》2007年第9期)

 

摘要:釆用燈烧法和蒸压法对化学石膏进行处理,研究了处理温度和外加剂对石膏性能的影响。通过2*6析因实验方法对掺加石膏、水泥、木质素纤维、消泡剂和可再分散胶粉对石膏基自流平材料的性能影响进行了研究,另外还研究了不同形转化剂对自流平材料性能的影响。

 

关键词:脱硫石膏;磷石膏;石膏基自流平材料;2*6析因实验

0引言

 

磷石膏是生产磷酸基产品过程中排除的固体废渣,通常每生产1tP2O5会产生4.5-5.5t磷石膏,目前绝大部分被作为废物排放。脱硫石膏是电厂烟气脱硫产生的废弃物。为了减少磷石膏、脱硫石膏等化学石膏对环境的污染和对土地的占用,必须拓宽其应用领域,使其变废为宝。

 

为此,本项目对用不同方法处理后的脱硫石膏与磷石膏的性能以及用这些处理过的化学石膏配制的石膏基自流平材料的性能进行了研究。

 

1原材料与实验方法

 

1.1原材料

 

磷石膏、脱硫石膏、江南一小野田PII52.5水泥、磺化三聚氢胺高效减水剂、木质素磺酸钙、可再分散胶粉、无水柠檬酸、柠檬酸钠、氧化钙、硫酸铝(化学纯)、烷基磺酸钠(化学纯)、超细砂和消泡剂等。

 

1.2XRD分析

 

使用日本理学公司生产的X-射线衍射仪分析处理后的化学石膏。

 

1.3化学石膏的处理

 

本次实验釆用燃烧法与蒸压法处理化学石膏。通过在不同温度下燃烧脱硫石膏研究其凝结时间的变化。凝结时间是石膏的重要性能之一,通过研究石膏的凝结时间可以确定一个较为合理的处理温度。然后用处理过的化学石膏配制自流平材料,研究其性能变化。

 

蒸压法是把掺有一定量的晶形转化剂的化学石膏放置在蒸压釜内,在蒸压温度为125130X3,压力高于101.325kPa的条件下,恒温恒压10h再通过干燥和粉磨得到半水石膏粉。

 

1.4自流平材料的流动度

 

流动度试模是内径为©30mm±0.1mm、高为50mm±0.1mm的金属空心圆柱体,测试板是面积为500mmX500mm的平板玻璃。测试流动度时将流动度试模竖直放置在测试板中央,测试板表面平整光洁无水滴,把拌制好的试样灌满流动度试模后,在2s左右垂直方向上提升流动度试模5~10cm保持10-15s使试样自由流下。4min后,测两个垂直方向的直径,取两个直径的平均值,即为试样的流动度值。将同批试样在搅拌锅内静置20min按以上方法进行测试,即为20min流动度值。

 

1.5力学实验

 

试件按GB/T17671规定成型,无需振动,在环境温度23±2C下放置,24h后脱模按GB/

T17671测试24h强度。

 

1.6凝结时间

 

按照GB/T17669.41999对石膏的凝结时间进行测试。

 

2实验与结果

 

2.1化学石膏的XRD分析

 

爆烧化学石膏的XRD图谱见图1和图2

 

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170℃、110150处理后的脱硫石膏的XRD图谱(从下到上)。从图1可以看出,110150处理后的脱硫石膏的组成没有太大的差别,都有带0.50.662个水的半水石膏衍射峰,而70处理后的脱硫石膏的XRD图谱有较强的二水石膏衍射峰,半水石膏的衍射峰较弱,说明70处理的脱硫石膏的主要成份是二水石膏。

 

270℃、130170处理后的磷石膏的XRD图谱(从下到上)。从图2可以看出,130170处理后的磷石膏也有带0.50.662个水的半水石膏衍射峰,没有明显的二水石膏与无水石膏的衍射峰。

 

蒸压处理化学石膏的XRD图谱见图3和图4.

 

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在图3中,从上到下分别表示在磷石膏中加入硫酸铝与木质素磺酸钙,没有加晶形转化剂,加入硫酸铝与柠檬酸钠蒸压处理过的磷石膏XRD图谱。在图4中,从上到下分别表示在脱硫石膏中加入硫酸铝与木质素磺酸钙、硫酸铝与柠檬酸钠,没有加晶形转化剂蒸压处理过的脱硫石膏XRD图谱。对于加入不同晶形转化剂的同一种化学石膏,经过蒸压处理后,其XRD衍射峰的谱线位置基本一致,都有带0.50.662个水的半水石膏衍射峰,但其强度有所不同。磷石膏与脱硫石膏的XRD图谱相比较,磷石膏XRD图谱在衍射角2Ɵ26.6875°时出现了较强的衍射峰,经分析这是二氧化硅的衍射线,说明磷石膏与脱硫石膏相比含有较多的二氧化硅,这个结果与化学分析的结果一致。

 

2.2处理温度与缓凝剂对石膏凝结时间的影响

 

把脱硫石膏分别放在不同温度下进行燃烧处理,研究爛烧温度对石膏凝结时间的影响,在测试其凝结时间时,在石膏中加入0.1%的无水柠檬酸。同时也研究了脱硫石膏经过110处理后,无水柠檬酸与酒石酸的掺量对其凝结时间的影响。结果见表1

 

 

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随着脱硫石膏处理温度的升高,石膏的凝结时间有个最大值,当处理温度为130时,石膏的凝结时间最大。从处理后的脱硫石膏的XRD可以看出110150处理后的脱硫石膏有带0.50.662个水的半水石膏衍射峰,在这两个温度点都没有出现明显的二水石膏与无水石膏衍射峰,说明经过110150处理后的脱硫石膏没有二水石膏和无水石膏或其含量很少。在110150之间,经过不同温度处理后的脱硫石膏,其半水石膏的具体含量比例有所不同,从而影响其凝结时间。从表1可以看出,这两种缓凝剂都随着掺量的增加,凝结时间延长。无水柠檬酸的缓凝效果要比酒石酸的缓凝效果明显。缓凝剂通过强烈抑制石膏晶体在长轴方向的生长,改变晶体各个晶面的相对生长速率来达到其缓凝的效[1]

 

2.3自流平材料组成对其性能的影响

 

研究石膏、水泥、木质素纤维、消泡剂和可再分散胶粉对石膏基自流平材料性能的影响。并且在配制石膏基自流平时加入适量的磺化三聚氢胺高效减水剂、无水柠檬酸、超细砂,拌合水用量为35%(占材料干质量),石膏是处理过的脱硫石膏。通过2*6析因实验方法设计实验,结果见表2


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注:无水柠檬酸制成溶液加入到自流平材料中。

 

自流平材料的流动度的反差分析见表3

 

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从表3可以看出:对自流平材料的流动度产生影响的主要因素是石膏与水泥。增加石膏的掺量会降低自流平材料的流动度,而增加水泥的掺量会增加自流平材料的流动度。这是由于石膏的凝结时间很短,在很短时间内就发生水化,石膏晶体之间产生搭接从而增加石膏的掺量,使自流平材料的流动性变差。自流平材料流动度的测试在加水后很短的时间内完成。在这个较短的时间内,对于石膏而言已经有一部分的半水石膏发生了水化反应然而水泥在这个时候只是相当于细集料,起到“滚珠”作用,减少自流平材料组成之间相对滑移时的阻力,增加了自流平材料的流动度。

 

自流平材料的抗折强度和抗压强度的方差分析见表4和表5

 

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从表4和表5可以看出:对自流平材料的抗折强度产生影响的主要因素是石膏、水泥、消泡剂与可再分散胶粉。对自流平材料抗压强度产生影响的主要因素是石膏和可再分散胶粉。石膏和可再分散胶粉分别作为无机与有机胶凝材料,增加它们的掺量,使自流平材料在水化过程中可以生成更多的水化产物,使材料之间的搭接强度增强,从而提高了自流平材料的强度。消泡剂对于自流平材料的抗折强度是主要影响因素,而对抗压强度则不是主要影响因素。这主要是由于材料中的孔对抗折强度的影响要比对抗压强度的影响明显。增加消泡剂的掺量,使自流平材料中的气孔减少,可以显著提高其抗折强度。

 

2.4晶形转化剂对自流平材料性能的影响

 

晶形转化剂对自流平材料性能的影响见表6

 

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外加离子对石膏晶面生长有重要的影响。例如在脱硫石膏中加入柠檬酸钠、硫酸铝和烷基

苯酸钠,既引入了阴离子RCOO-又引入了阳离子Na+Al3+它们吸附到(111)面上配位。RCOO-基团一端与(111)晶面的Ca2+发生吸附,另一端则与Al3+连接,形成网络结构吸附于(111)面上形成一层由有机大分子吸附金属离子构成的网络状“缓冲薄膜”。根据周期性键链理论的观点,结晶生长基元要结合到吸附有上述网络状薄膜的晶面上是比较困难的,因为要破坏晶面上已存在的网络状薄膜的吸附键后,才能向晶面结合。因此网状薄膜阻碍了结晶基元在该晶面的结合,从而减缓了石膏晶体在C轴方向的生长速度,使各个方向的生长速率接近平衡,产物呈六方短柱状。

 

从表6可以看出,用掺入不同晶形转化剂蒸压处理的化学石膏来配制自流平材料,其性能变化很大。当在化学石膏中掺入较为适当的晶形转化剂时,由于石膏的结晶习性得到了改变,不仅可以提高石膏基自流平材料的流动度,并且还可以大大地提高强度。但在化学石膏中掺入不适当的晶形转化剂时,不仅不会提高自流平材料的性能,反而会降低其性能。例如在磷石膏中加入醋酸镁、硫酸铝和烷基苯酸钠,在脱硫石膏中加入柠檬酸钠。这是由于掺入这些物质后,过饱和度降低,从而使形成的晶胚数量减少,且晶体生长变缓,二水石膏晶体有充分的时间与空间发育长大,使石膏晶体尺寸粗化,石膏晶体之间的接触点减少,搭接强度降低,从而使用这种石膏配制的自流平材料的强度变低。

 

3结论

 

a. 从凝结时间看,燃烧法处理脱硫石膏有个最佳的温度,对于燃烧法处理的脱硫石膏,无水柠檬酸的缓凝效果要比酒石酸的缓凝效果明显。

 

b. 没有经过任何处理的化学石膏主要成份是二水石膏,并且带有大量的附着水。在100170,使用燃烧法与蒸压法处理的化学石膏,其主要成份是带0.50.662个水的半水石膏,但不同方法处理的化学石膏的性能有很大的差别。

 

c. 用处理过的化学石膏来配制自流平材料,对其性能产生影响的因素比较复杂,但是自流平材料的各方面性能都与石膏有关,因此要想进一步提高石膏基自流平材料的性能,不仅要注意其配合比的调整,更重要的是进一步改善石膏的性能,采用适当的石膏处理方法。

 

4参考文献

 

[1]Adnan Colak. Density and strength characteristics of foamed gypsum[J]. Cement&Concrete Composites2000(22)193-200.

[2]岳文海,王志. α半水石膏晶形转化剂作用机理的探讨

[J].武汉工业大学学报,199618(2):1-4.

 

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