憎水劑對脫硫石膏耐水性能的影響

朱效甲，陳永杰，朱蕓馨，朱倩倩，朱效兵，朱效濤

（1.濟(jì)南杰美菱鎂建材研究所，山東 濟(jì)南 250031；2.山東泰安源圣，鈺建材有限公司，山東 泰安 271000）

0 引言

煙氣脫硫石膏是火電廠煙氣濕法脫硫的工業(yè)副產(chǎn)品，其基本性質(zhì)為灰白色粉末狀顆粒，平均粒徑40～60μm，水化后為短柱狀晶體，長徑比在1.5～2.5，結(jié)構(gòu)緊密。和天然礦石膏相比，純度更高、堿含量更低、雜質(zhì)含量更少，是國內(nèi)外很受推崇的綠色環(huán)保建材。但是，由于脫硫石膏的比表面積較大、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量大大超過了石膏理論水化所需要的水分，導(dǎo)致制品強(qiáng)度降低，使用性能下降，從而制約了在工程上的廣泛應(yīng)用。因此，采取有效措施提高脫硫石膏的耐水性，已成為本領(lǐng)域研究的熱點問題。

1 試驗

1.1 原材料

（1）脫硫石膏：山東聊城熱電廠提供，灰白色粉末，主要化學(xué)成分見表1，物理性能見表2。

表1 脫硫石膏的主要化學(xué)成分 %

表2 脫硫石膏的物理性能

（2）尾礦粉（CaCO3）:細(xì)度為0.15 mm方孔篩篩余量13.0%，含水率為1.17%，CaCO3含量≥90%，市購。

（3）有機(jī)硅樹脂乳液（A液）：淡黃色液體，固含量25.70%，PH值13.5，密度1.18 g/cm3，市購。

（4）有機(jī)硅粉末（G粉）：德國Wacker公司生產(chǎn)，白色粉末。

（5）水：自來水。

1.2 試件制備

將計量好的原材料按照水→脫硫石膏→有機(jī)硅憎水劑→尾礦粉的投料順序進(jìn)行投料和攪拌，至攪拌均勻，置于40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)試模內(nèi)，振動60 s，刮平表面，送養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，24 h脫模，自然養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期破型，測試不同養(yǎng)護(hù)齡期的力學(xué)強(qiáng)度。

1.3 試驗方法

強(qiáng)度測試參照GB/T17669.3—1999《建筑石膏力學(xué)性能的測定》進(jìn)行測試。

軟化系數(shù)測試：浸水后的強(qiáng)度與自然養(yǎng)護(hù)14 d的強(qiáng)度值比。

SEM測試：將養(yǎng)護(hù)14 d的試件用無水乙醇終止水化，干燥后研磨，過0.075 mm方孔篩，50℃烘干至恒重，冷卻至室溫，采用粉末壓餅法制樣檢測。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 憎水劑摻量對脫硫石膏漿體密度的影響

憎水劑摻量對脫硫石膏漿體密度的影響結(jié)果見圖1、2。

圖1 A液摻量對脫硫石膏漿體密度的影響

圖2 G粉摻量對脫硫石膏漿體密度的影響

由圖1、2可以看出，隨憎水劑摻量的增加，漿體密度皆有不同程度的降低，但摻A液試件的漿體密度下降幅度要大于摻G粉試件。當(dāng)摻量為1.50%時，A液試件密度由空白試件的2.02 g/cm3下降至1.83 g/cm3，下降幅度為9.41%，G粉試件密度由空白試件的2.02 g/cm3下降至1.90 g/cm3，下降幅度為5.94%，分析原因是A液在石膏膠凝材料中具有引氣和穩(wěn)泡功能，在漿體攪拌過程中，能夠引入部分空氣進(jìn)入漿體，從而降低漿體密度，而G粉雖然也有一定的引氣效果，但引氣效果不及A液，所以摻G粉的試件密度要比摻A液試件的密度大一些，降低幅度要小一些。

2.2 憎水劑摻量對脫硫石膏力學(xué)強(qiáng)度的影響

不同摻量憎水劑對脫硫石膏養(yǎng)護(hù)14 d的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果見圖3、4。

圖3 A液摻量對脫硫石膏強(qiáng)度的影響

圖4 G粉摻量對脫硫石膏強(qiáng)度的影響

由圖3可以看出，隨著A液摻量的增加，試件抗折、抗壓強(qiáng)度隨之降低，摻量在0～1.0%時，強(qiáng)度下降幅度較小，摻量超過1.0%后，強(qiáng)度下降幅度增大。當(dāng)摻量為2.0%時，抗折強(qiáng)度由空白試件的4.59 MPa下降至2.24 MPa，降幅為51.20%，抗壓強(qiáng)度由空白試件的15.80 MPa下降至11.32 MPa，下降幅度為28.35%。

由圖4可以看出，隨著G粉摻量的增加，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度呈先提高后降低的趨勢，其下降拐點摻量為0.60%，當(dāng)摻量為0.60%時，試件抗折強(qiáng)度由空白試件的2.86 MPa提高到3.38 MPa，提幅為18.18%，抗壓強(qiáng)度由空白試件的12.22 MPa提高到13.09 MPa，提幅為7.12%。

綜上分析，由于A液有機(jī)硅憎水劑能在脫硫石膏顆粒表面形成一層極薄的憎水薄膜，這層薄膜影響了石膏顆粒之間的粘接力，導(dǎo)致其力學(xué)強(qiáng)度下降[1]，摻入G粉的試件，雖然漿體密度有小幅度降低，但能夠提高石膏硬化結(jié)晶體的結(jié)晶度，促進(jìn)結(jié)晶體的生長和發(fā)育，在宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)強(qiáng)度的提高。但是摻量超過0.60%這個最佳值之后，試件密度及力學(xué)強(qiáng)度開始大幅度降低。

2.3 憎水劑對脫硫石膏耐水性能的影響

A液、G粉對脫硫石膏耐水性能的影響結(jié)果見表3、4。

表3 A液摻量對脫硫石膏耐水性能的影響

表4 G粉摻量對脫硫石膏耐水性能的影響

由表3、4可以看出，隨著憎水劑摻量的增加，試件的軟化系數(shù)逐漸提高，質(zhì)量吸水率逐漸降低。當(dāng)A液摻量為2.0%時，試件浸水7 d的抗折軟化系數(shù)由空白試件的0.58提高到0.95，提幅為63.79%，抗壓軟化系數(shù)由空白試件的0.68提高到1.02，提幅為50%，質(zhì)量吸水率由空白試件的8.83%下降至1.73%，降幅為80.41%。當(dāng)G粉摻量為1.20%時，試件浸水7 d的抗折軟化系數(shù)由空白試件的0.58提高到1.01，提幅為74.18%，抗壓軟化系數(shù)由空白試件的0.68提高到0.88，提幅為29.41%，質(zhì)量吸水率由空白試件的8.83%下降至1.53%，降幅為82.67%。對比A液和G粉，A液對脫硫石膏的抗壓軟化系數(shù)更有利，而G粉則對脫硫石膏的抗折軟化系數(shù)更有幫助，這是因為脫硫石膏中摻加有機(jī)硅憎水劑后可以影響到石膏硬化體的晶體結(jié)構(gòu)，一般認(rèn)為，能夠產(chǎn)生有效交叉搭接的針狀或長棒狀的晶體結(jié)構(gòu)對提高材料的抗折強(qiáng)度很有利，而緊密排列的短柱狀晶體則對材料的抗壓強(qiáng)度有幫助[2]。兩種憎水劑對脫硫石膏晶體結(jié)構(gòu)的影響有所差異，造成對抗壓、抗折軟化系數(shù)的差異。

由表3、4還可以看出，A液摻量大于0.5%、G粉摻量大于0.3%后，脫硫石膏浸水7 d的抗折、抗壓軟化系數(shù)皆大于0.8，說明有機(jī)硅憎水劑在脫硫石膏硬化體內(nèi)部的孔隙、空洞、毛細(xì)管壁表面已形成憎水薄膜，膜的外向為有機(jī)硅基團(tuán)，可使作用于其表面的水分子內(nèi)聚力大于水分子與材料之間的作用力，從而產(chǎn)生疏水作用。因此，隨憎水劑摻量的增加，試件的抗折、抗壓軟化系數(shù)逐漸提高，質(zhì)量吸水率隨之降低。

2.4 不同憎水劑對脫硫石膏硬化結(jié)晶形貌的影響

摻加不同憎水劑的脫硫石膏硬化體SEM照片見圖5。

圖5 不同憎水劑對脫硫石膏硬化結(jié)晶形貌的影響

由圖5可以看出，未摻憎水劑的脫硫石膏硬化體的晶體為光滑整齊且疏遠(yuǎn)的短棒狀結(jié)構(gòu)，晶體之間幾乎無搭接和穿插現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)比較疏松，這也是脫硫石膏力學(xué)強(qiáng)度低、耐水性能較差的原因。摻加1.50%的A液的脫硫石膏硬化體表面比較粗糙，出現(xiàn)長徑比較小且不規(guī)則的條狀晶體，晶體之間相互搭接，結(jié)構(gòu)相對比較密實，這是因為有機(jī)硅憎水劑能夠在晶體顆粒表面形成了一層憎水保護(hù)薄膜，并在晶體顆粒之間進(jìn)行了填充所致。摻入1.20%的G粉后，脫硫石膏硬化體的晶體多呈粗大完整的棒狀、條柱狀晶體組成，結(jié)構(gòu)致密，晶體生長發(fā)育良好，說明G粉能夠提高石膏晶體的結(jié)晶度[3]，從而提高了脫硫石膏的力學(xué)強(qiáng)度和耐水性能。

3 結(jié)論

（1）有機(jī)硅憎水劑A液和G粉在脫硫石膏漿體中皆具有引氣和穩(wěn)泡功能，結(jié)合攪拌設(shè)備能夠?qū)⒉糠挚諝庖霛{體，并使其穩(wěn)定存在，從而降低漿體密度，摻量越大，這種作用效果越顯著。

（2）A液摻量為2.0%時抗折強(qiáng)度下降51.12%，抗壓強(qiáng)度下降28.35；而G粉摻量為0.60%時，抗折強(qiáng)度提高18.18%，抗壓強(qiáng)度提高7.12%。

（3）A液、G粉皆能夠大幅度提高脫硫石膏的耐水性，降低質(zhì)量吸水率。

（4）G粉憎水劑能夠改變脫硫石膏的微觀形貌，提高晶體結(jié)晶度，從而提高石膏制品的力學(xué)強(qiáng)度、耐水性能和使用性能。