基于不同水膏比脫硫石膏砌塊的抗壓強度試驗研究

迭健 陳偉 龍偉

（1.西華大學土木建筑與環境學院 四川成都 610039 2.攀枝花學院土木與建筑工程學院 四川攀枝花 617000）

引言

隨著國家經濟的高速發展，我國對煤炭的需求量也大幅的增加，通過燃煤會產生大量的二氧化硫，排入空氣中的二氧化硫會對環境造成嚴重的危害[1]。為了使二氧化硫的排放得到有效的控制，產生了許多的脫硫技術，其中濕法脫硫技術以穩定、高效等優點成為應用比較廣泛的脫硫技術[2]。但通過脫硫工藝會產生一種工業副產物脫硫石膏，因此如何正確處理脫硫石膏這種工業副產物也成為一個重大的環境問題[3]。

脫硫石膏的物理化學性質和天然石膏的物理化學性質相似程度很高，其中脫硫石膏和天然石膏的化學組成成分都是二水硫酸鈣[4]。脫硫石膏一般呈較細的顆粒，平均粒徑大約在40～60μm，其中二水硫酸鈣的含量一般在90%以上[5]，水份含量大約占10～20%，脫硫石膏的還含有碳酸鈣、三氧化二鋁、二氧化硅、亞碳酸鈣、有機碳等雜質。

目前在國內，脫硫石膏主要被用于生產水泥緩凝劑以及粉刷石膏、石膏板、石膏砌塊等石膏制品[6]。在建材行業，脫硫石膏與水泥、石灰被一起稱為三大膠凝材料。

1 脫硫石膏材料基本參數

1.1 原材料及實驗器材[7～8]

脫硫石膏：本次論文試驗中脫硫石膏材料由四川藍鼎環保科技有限責任公司提供。天然石膏與脫硫石膏化學成分組成、脫硫石膏物理性能分別如表 1～2 所示[9]。

水：可飲用自來水。

壓力測試機：STYE-3000B型，由浙江土工儀器制造有限公司提供。

表1 天然、脫硫石膏化學成分組成及細度

表2 脫硫石膏物理力學性能

1.2 水膏比

本文中試驗內容將參照國家標準《建筑石膏力學性能的測定》（GB/T17669.3-1999）的測試方法進行[7]。文中脫硫石膏凈漿的水膏比如表3所示。

表3 脫硫石膏不同水膏比

1.3 試驗方法

將脫硫石膏與水按上述比例混合攪拌均勻后，制成尺寸為100mm×100mm×100mm的試件，終凝后脫模，空氣中自然養護，相對濕度為40～50%，分別對每組水膏比進行 1h、2h、4h、8h、12h、24h 的抗壓強度測試。

1.4 試塊制作中注意問題

（1）由于脫硫石膏初凝時間較短，攪拌完畢后應及時將漿液裝入試模，對于水膏比0.7以下的試塊，需要振搗排出氣泡；

（2）待試塊初凝后，及時脫模，對水膏比低的試塊釋放熱量大，溫度高，脫模不易；

（3）試塊取出后應及時進行試驗，試驗前應將試件各接觸面修整平滑，避免試驗時承壓面受力不均勻；

（4）在試驗過程中，載荷應連續且均勻地加載，如果加載速度過快或過慢，會對實驗數據造成偏差。

2 不同水膏比對脫硫石膏抗壓性能的影響

2.1 試塊抗壓試驗破壞現象描述

試塊開始受壓到最終破壞，根據裂縫的出現和發展情況，可劃分為兩個部分[10]。第一部分，當水膏比為0.4～0.6時，試塊開始破壞時只產生幾條細微的通縫，試塊表面沒有明顯的剝落，當壓力繼續增加后，隨著通縫的變大最終沿通縫破壞成幾個部分，而當水膏比為0.6～1.0時，又可分為三個階段：

第一階段：試塊開始受壓，到第一批裂縫產生之前。在這個階段，伴隨壓力的慢慢增加，試塊內部出現細微裂縫，多數情況下會同時產生數條裂縫。據試驗得出，試塊中產生第一批裂縫時的壓力約占受到破壞時的壓力的40～60%。

第二階段：隨著壓力的繼續增加，試塊中的裂縫將會慢慢擴大，并將沿著豎向發展，在試塊內逐漸形成貫穿的裂縫。此時，壓力即便沒有在繼續增大，試塊的裂縫仍然會持續發展下去，此時的試塊已經達到破壞邊緣。此時產生的壓力約為破壞時壓力的80～90%。

第三階段：壓力繼續增加，試塊內裂縫迅速擴張，試塊四周剝落明顯，最后試塊破碎失穩。

在石膏的攪拌過程中為了使料漿具有一定的流動性，加入了遠多于理論上半水石膏水化成二水石膏所需要的用水量[11]。

脫硫石膏結晶體為柱狀結構，緊密的結晶結構會使水化、硬化體有較大的表觀密度[12]，而天然石膏水化產物晶體多為針狀、片狀結構，且晶體結構較疏松，天然石膏會比脫硫石膏的硬化體表觀密度低10～20%，因此脫硫石膏相對于天然石膏會有較高強度。

2.2 不同水膏比的脫硫石膏試塊在不同時間段的抗壓試驗結果

脫硫石膏試塊抗壓強度受水膏比的影響較大。試驗研究脫硫石膏試塊水膏比率分別為 0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 和 1.0 條件下，脫硫石膏試塊1h、2h、4h、8h、12h 和 24h 的抗壓強度。試驗結果如表 4、圖 1 所示。

表4 不同水膏比在不同時間段的抗壓試驗結果

由表4可知，當水膏比為0.40時，脫硫石膏砌塊的24h內平均抗壓強度為8.18MPa；當水膏比為0.5時，脫硫石膏砌塊的24h內平均抗壓強度為6.81MPa；當水膏比為0.70時，脫硫石膏砌塊的24h內平均抗壓強度為5.97MPa；當水膏比為0.80時，脫硫石膏砌塊的24h內平均抗壓強度為4.40MPa；當水膏比為0.90時脫硫石膏砌塊的24h內平均抗壓強度為2.62MPa；當水膏比為1.00時脫硫石膏砌塊的24h內平均抗壓強度為1.82MPa。由圖1可知，隨著水膏比的增大，脫硫石膏砌塊的抗壓強度呈現減小的趨勢，當水膏比在0.4左右時，其各時段抗壓強度達到最大值。試驗結果表明：當水膏比在0.4左右時，脫硫石膏砌塊的抗壓強度達到最大值。

圖1 不同水膏比在不同時間段的抗壓試驗結果

3 結論

（1）石膏試塊的水膏比與各時段的抗壓強度值成負相關關系。

（2）水膏比為0.4的試塊在各時段的強度值保持最大，其值是水膏比為1.0的試塊強度的4～5倍。

（3）脫硫石膏水膏比為0.4時，初凝時間為55s，水膏比1.0時為30min，表明初凝時間與水膏比關系十分密切。

（4）脫硫石膏水膏比為0.4時，水化熱達到64度，水膏比1.0時只有39度，表明水化熱與水膏比成反比。