石膏礦渣綠色材料的研究進展

何玉鑫 ，華蘇東 ，瞿 縣

（1.江陰邦特科技有限公司，江蘇無錫214442；2.南京工業大學材料科學與工程學院；3.江蘇省一夫新材料科技有限公司）

2012年，中國石膏消耗總量為1.07億t，天然石膏開采量為3 700萬t。目前，中國工業副產石膏產量比較多，2012年脫硫石膏和磷石膏產量分別為6 000萬t和7 000萬t，利用率分別為83%和24%。大量未處理的工業副產石膏堆積和填埋，既污染環境也制約了經濟的可持續發展。石膏礦渣綠色材料是一種新型的綠色環保材料，復配礦渣改性可生成水硬性產物水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠和鈣礬石（AFt），它們是具有強度高、耐水性好等特點的膠凝材料。開發石膏礦渣綠色材料，有利于節能減排，實現資源節約型、環境友好型相結合，推動和發展可持續的綠色生態文明建設。筆者分析考察了石膏礦渣綠色材料中生石灰和水泥激發劑的摻加量，以及不同輔助激發劑改善綠色材料的各項性能，以期為綠色材料在保溫材料、混凝土、免煅燒磚、粉刷石膏等領域的推廣運用提供借鑒。

1 石膏礦渣綠色材料的制備

礦渣在激發劑（石灰、水泥等）提供的堿性條件下，活性的二氧化硅和三氧化鋁不斷從礦渣中解離出來參與水化反應生成C-S-H，石膏進一步激發生成AFt，能更好地提高材料的強度和耐水性。激發劑是石膏礦渣綠色材料不可或缺的材料，可提供足夠的OH-，其主要以水泥、生石灰和復合激發劑為主。張毅等［1］通過2%（質量分數，下同）的生石灰激發原狀脫硫石膏（或磷石膏）礦渣綠色材料，28 d后抗壓強度和抗折強度分別大于30 MPa和3 MPa，但抗凍融能力差且需要高溫養護1 d。陽超琴等［2］利用8%的 SH（主要成分為 CaO、SiO2、Na2O、H2O）改性磷石膏，其28 d后抗壓強度為29.4 MPa。黎良元等［3］利用復配堿激發劑制備了石膏-礦渣凝膠材料，抗壓強度和抗折強度分別為12.6 MPa和6.0 MPa，軟化系數為 0.77。 吳其勝等［4］研究了 NaOH、KAl2（SO4）3、Na2SO4和Na2SiO3等4種激發劑的激發效果，發現硅酸鈉能很好地改善綠色材料的性能，28 d后抗壓強度和抗折強度僅為12.6 MPa和4.9 MPa。何玉鑫等［5］用質量分數為4%的生石灰和輔助激發劑激發礦渣，得到的綠色材料28 d后抗壓強度和抗折強度分別為40.1 MPa和11.0 MPa，且利用10%的水泥和輔助激發劑激發礦渣，28 d后抗壓強度和抗折強度分別為41.9 MPa和7.1 MPa，軟化系數為0.94。樊先平等［6］發現綠色材料中水泥摻加量為7%～10%（質量分數，下同）時可獲得最佳性能。綜上所述，為獲得高強度和高耐水性能的石膏礦渣綠色材料，常用水泥的摻加量為7%～10%，即生石灰摻加量為3%～4%；同時，輔助激發劑是石膏礦渣綠色材料必不可少的，可克服其凝結時間短和早期強度低等缺陷。

1.1 輔助激發劑改性

石膏礦渣綠色材料因其凝結時間短、早期強度低、碳化性能差和易起砂等缺點，在應用上仍受到一定的限制。筆者對不同添加劑改性石膏礦渣綠色材料作了分析，以期推動石膏礦渣綠色材料的發展。

1.1.1 鋼渣改性

鋼渣的主要礦物成分是硅酸二鈣、硅酸三鈣、RO相（MgO、FeO和MnO的固溶體）及少量的游離氧化鈣等，由于雜質溶進物相中，使其不具有水泥熟料的高活性，通過粉磨、外加劑激發（硫酸鈉、水玻璃、硫酸鋁和石膏等）可有效提高鋼渣的活性。Y.Huang等［7］將鋼渣摻入磷石膏-礦渣體系中，抗壓強度超過40 MPa。殷小川等［8］采用質量分數為2%的鋼渣改性磷石膏堿性，有效固定了磷石膏中可溶性磷和可溶性氟，提高了磷石膏基水泥的早期性能，3d和28 d后抗壓強度分別超過10MPa和49MPa。

1.1.2 水玻璃改性

水玻璃主要成分是SiO2和Na2O，可以為體系提供足夠的OH-，激發礦渣水化，是一種良好的輔助激發劑。何玉鑫等［5］利用自制的水玻璃輔助生石灰激發礦渣，不僅提高了體系的力學性能和耐水性能，而且有效抑制了硬化體的膨脹。田亮等［9］利用水玻璃和特種化纖改善了綠色材料的韌性和強度，160 d后抗壓強度和抗折強度分別為43.4 MPa和9.3 MPa。

1.1.3 硫酸鹽改性

硫酸鹽可充分激發硬石膏膠凝性，有效開發出硬石膏礦渣綠色材料。彭家惠等［10］在600℃下煅燒明礬以加快硬石膏水化和改善硬化體顯微結構，硬石膏1 d和3 d后的水化率從7.2%和12.9%分別提高到29.3%和45.5%，輔助水泥激發礦渣，獲得抗壓強度為30.5 MPa，軟化系數為0.78。

1.1.4 復合添加劑改性

針對石膏礦渣綠色材料的凝結時間長和強度低的不足，可將工業副產二水石膏和硬石膏復配，利用硫酸鹽、堿性激發（水泥、石灰等）和其他鹽類激發（K2Cr2O4和Na2Cr2O4等）先對硬石膏活性進行改性。石宗利等［11］摻入硫酸鹽激發氟石膏的活性，加快了無水硫酸鈣水化速度和二水石膏的過飽和和析晶速度，縮短了凝結時間（初凝時間和終凝時間分別為3 h和6.4 h）；利用苛性堿和水玻璃輔助水泥激發礦渣，生成大量水硬性產物，但AFt含量過多，內部應力集中出現裂紋。應俊等［12］摻入硫酸鹽和水玻璃的復合激發劑，輔助水泥激發礦渣，制備的綠色材料28 d后抗壓強度和抗折強度分別達到40.5 MPa和7.4 MPa，吸水率和軟化系數分別為4.2%和0.92。

2 石膏礦渣綠色材料應用

2.1 保溫材料

石膏礦渣綠色材料運用于保溫隔熱性能的復合墻體材料，可保護環境和綜合利用資源。李久明等［13］對聚苯乙烯（EPS）顆粒進行改性處理，提高了EPS-石膏-礦渣墻體保溫材料的強度、軟化系數的同時還保持著較低的導熱系數。李化建等［14］用秸稈纖維改性脫硫石膏基輕質保溫墻體材料，具有能耗低、成本低、施工強度低、保溫隔熱性能好等優點，可用于工業和民用建筑、車站候車室等室溫墻體保溫材料。晉強等［15］在石膏礦渣綠色材料中摻入棉花秸稈，可以改善EPS顆粒懸浮的缺點，具有較好的保溫性能和合適的力學性能，為固體廢棄物再利用指出了資源化的新途徑。

2.2 混凝土

石膏礦渣綠色材料通過鋼渣粉、促凝劑、減水劑等可以彌補凝結時間長、起砂和碳化性能差等不足，促進其在混凝土中的運用。林宗壽等通過鋼渣粉改性磷石膏礦渣綠色材料，可縮短磷石膏基混凝土的凝結時間［16］，兼具抗起砂和抗碳化性能［17］。石宗利等［18］利用減水劑、早強劑、半水石膏和促凝劑等制備高強石膏基混凝土磚和砌塊，在有效降低生產成本的同時，可實現節能減排、保護土地資源和環境的目標。

2.3 免煅燒磚

傳統黏土磚因占地多、能耗高、磚自重大，施工生產中勞動強度高、工效低的缺點，正逐步被新型材料取代。石膏礦渣綠色磚的制備有利于環境保護和經濟可持續發展，只需復合礦物改性劑的高效激發，便可具有較優異的抗壓強度與耐水性能。周可友等［19］復摻激發劑及早強劑、減水劑，石膏礦渣綠色磚在14 d后抗壓強度達26.3 MPa，軟化系數為0.94，凍融循環25次的強度損失率為7.5%，質量損失率為1.9%，可滿足JC 238—1991《粉煤灰砌塊》中的抗凍耐水要求。何玉鑫等［20］采用綠色材料制備免煅燒磷石膏磚，28 d后抗壓強度和抗折強度分別為35.8 MPa和3.3 MPa，吸水率和軟化系數分別為2.3%和0.90。

2.4 粉刷石膏

國內外內墻抹灰材料充分利用了石膏輕質、防火、保溫隔熱和吸聲等功能，同時還具有不易開裂和黏結強度較高的特點。目前，石膏礦渣綠色粉刷材料主要是以硬石膏為主要研究對象，通過添加增強材料與活性激發劑等手段激發硬石膏的活性，生產出性能優異的粉刷石膏。 王錦華等［21］和楊新亞等［22］利用激發劑激發硬石膏礦渣材料，在保水劑和水泥等材料的作用下制備了各項性能滿足JC/T 517—2004《粉刷石膏》標準要求的粉刷石膏產品。

2.5 自流平材料

石膏強度低和耐水性差制約了其在自流平材料的運用，減水劑、早強劑和堿激發劑可明顯改善石膏自流平材料的各項性能。張國防等［23］采用復配礦渣和粉煤灰改性脫硫石膏，在早強劑和減水劑的作用下制備了節能環保、低成本的石膏基防靜電自流平砂漿。鋁酸鹽水泥是一種快硬水泥，可縮短石膏復合材料的凝結時間。謝建海等［24］采用脫硫石膏占36%（質量分數，下同）、礦渣粉占32%、硫鋁酸鹽水泥占28%、堿性激發劑占4%配制的脫硫石膏自流平材料流動度達170 mm以上，30 min流動度經時損失很小，絕干抗折強度和抗壓強度分別達到6.8 MPa和29.2 MPa，軟化系數達 0.82。

3 展望與結論

石膏礦渣綠色材料是一種新型綠色環保材料，具有重要和積極的經濟效益、社會效益和環境效益。因此應促進其在建筑領域中的深入研究和運用，努力加快石膏礦渣綠色材料產業化的步伐。但是，石膏礦渣綠色材料的推廣過程中仍然存在一些亟需解決的問題：1）作為一種新型材料，石膏礦渣綠色材料在抗碳化性能、抗凍融性能和耐堿性能等一系列耐久性能方面的研究較少，缺少充足的理論依據；2）石膏礦渣綠色材料的起粉、起砂、返霜等問題也是不容忽視的重要問題，有待研究者提出有效的解決辦法。

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