脫硫石膏對普通硅酸鹽水泥性能影響的試驗研究

呂新鋒 孫 健 谷向民 王 敏 朱桂芝

（山東魯碧建材有限公司，山東 濟南 271103）

0 引言

石膏是水泥生產的原材料之一，隨著近二十年全國水泥產量的持續增長，天然石膏資源隨著消耗也日趨枯竭，因此，在水泥生產中應用工業副產物脫硫石膏將是重要的應對之策。脫硫石膏是指應用脫硫凈化工藝技術處理煤炭燃燒產生的含硫煙氣而得到的一種工業副產物，其主要成分和天然石膏基本相同，都是CaSO4·2H2O，其物理、化學特性和天然石膏相同[1-2]。但由于脫硫石膏中會含有部分飛灰、有機碳、碳酸鈣、亞硫酸鈣以及由鈉、鉀、鎂的硫酸鹽或氯化物組成的可溶性鹽等雜質[3-5]，因而脫硫石膏的應用會受到一定限制，造成大量的脫硫石膏只能作為廢棄物而堆存，不僅占用大量寶貴的土地資源，而且對周圍生態環境產生嚴重影響。本文主要研究脫硫石膏對普通硅酸鹽水泥的流變性和膨脹率的影響，以便為脫硫石膏在水泥生產中的應用提供一定的技術支持。

1 試驗原材料

（1）熟料礦物：濟南市某水泥廠生產，通過磨細，并過200目篩備用；

（2）脫硫石膏：為山東省濟南市某電廠產，其化學成分、細度如表1所示；

表1 脫硫石膏的化學成分、細度 %

（3）水泥：為山東濟南某水泥廠生產的普通硅酸鹽P·O42.5水泥，該水泥中所用石膏為天然石膏，其性能指標如表2所示。

表2 水泥的物理性能指標

2 試驗方法

2.1 流變性的試驗方法

流變或動態力學分析（DMA）是研究物質變形和流動的科學。使用NXS-11A型旋轉黏度計測量水泥漿體黏度，其工作原理是以步進電機作驅動，采用同軸圓筒上旋轉式結構，外筒固定，內筒旋轉，被測物料充滿在兩個圓筒之間。當電機帶動內筒旋轉時，內筒表面受到被測物料的作用，由于電機的轉子同時旋轉，轉子也受到了同樣的力矩，此力矩傳到可動框架并使其偏轉，當偏轉到某一角度使測量彈簧的力矩與該力矩相等達到平衡時，此時偏角由刻度盤讀出，刻度盤的指示與黏度成正比。

該項試驗是把普通硅酸鹽水泥中的天然石膏換成脫硫石膏，研究脫硫石膏摻量對普通硅酸鹽水泥漿體流變性能的影響，脫硫石膏摻量分別為3%、5%、7%、9%，然后測定水泥漿體的黏度，計算漿體的剪應力和剪切應變速率。

2.2 膨脹率的試驗方法

膨脹率測定按《膨脹水泥膨脹率試驗方法》（JC∕T313-2019）試驗。其基本原理為：水泥加水拌和后會進行水化反應，在養護過程中繼續水化形成鈣礬石而發生體積膨脹，用比長儀測定水泥試體的膨脹率。因此，通過測定不同礦物組成水泥試樣的各齡期試體的長度，就可以計算其膨脹率。

試驗方法為：先測定水泥試樣的標準稠度與凝結時間，然后按標準稠度加水并攪拌均勻，用40mm×40mm×160mm試模成型，將成型后的試模及試體在20℃、95%的相對濕度下養護，終凝后2h脫模，再將脫模后的試體放入20℃水中養護至各齡期，測量試體的長度。試體養護齡期分別為1d、3d、7d、14d、28d。測量時間從測量試體初長值時算起（試樣終凝后2h）。

3 試驗結果和分析

3.1 脫硫石膏對普通硅酸鹽水泥漿體流變性的影響

脫硫石膏摻量對普通硅酸鹽水泥漿體屈服應力影響的試驗結果如圖1所示。

圖1 脫硫石膏摻量對普通硅酸鹽水泥漿體屈服應力影響的試驗結果

從圖1可看出：脫硫石膏摻量對普通硅酸鹽水泥漿體影響的曲線近似為牛頓流體，說明脫硫石膏摻量對普通硅酸鹽水泥漿體的流變特征影響不明顯。但脫硫石膏摻量對普通硅酸鹽水泥漿體的剪應力影響比較明顯，當脫硫石膏摻量達到9%時，普通硅酸鹽水泥漿體剪應力增幅非常明顯。因此，當普通硅酸鹽水泥中脫硫石膏替代天然石膏后，隨著脫硫石膏摻量的變化，脫硫石膏對普通硅酸鹽水泥漿體的流變特性影響不大，但對普通硅酸鹽水泥漿體的剪應力影響比較大。

普通硅酸鹽水泥漿體的黏度隨脫硫石膏摻量變化的規律如圖2所示。

圖2 普通硅酸鹽水泥漿體黏度隨脫硫石膏摻量變化的規律

從圖2可看出：當用脫硫石膏取代普通硅酸鹽水泥中的天然石膏后，隨著脫硫石膏摻量不斷地增加，普通硅酸鹽水泥漿體的黏度逐漸在減小，而且脫硫石膏摻量越高，普通硅酸鹽水泥漿體的黏度越小。其主要原因是因為脫硫石膏本身具有一定的緩凝效果，當提高普通硅酸鹽水泥漿體中的脫硫石膏摻量時，將會使普通硅酸鹽水泥漿體的屈服應力和黏度降低，使普通硅酸鹽水泥漿體的整體流動性得到改善，并使其具有良好的工作性能。

將脫硫石膏不同摻量的普通硅酸鹽水泥漿體的剪應力隨剪切速率流變曲線做回歸分析，分析結果如表3所示。

表3 摻入脫硫石膏的水泥漿體剪應力隨剪切速率流變曲線回歸分析結果

通過對4個試樣的剪應力隨剪切速率流變曲線進行回歸分析，結果表明：不同脫硫石膏摻量的普通硅酸鹽水泥漿體的剪切應力和剪切應變之間的線性關系比較明顯，基本屬于賓漢姆流變方程。對回歸流變方程進行數據分析和總結，最后歸納出回歸方程的通用公式為：

式中：

a——普通硅酸鹽水泥漿體的屈服應力；

b——通硅酸鹽水泥漿體塑性黏度。

3.2 脫硫石膏摻量對普通硅酸鹽水泥漿體膨脹率的影響

脫硫石膏對普通硅酸鹽水泥標準稠度、凝結時間的影響如表4所示。

表4 脫硫石膏摻量對普通硅酸鹽水泥標準稠度和凝結時間的影響

從表4可看出：當普通硅酸鹽水泥中的天然石膏換成脫硫石膏后，隨著脫硫石膏摻量不斷地增加，其加水量在逐漸增加，但變化不大，說明脫硫石膏摻量對普通硅酸鹽水泥的標準稠度（或需水量）影響不大。此外，隨著脫硫石膏摻量不斷地增加，其凝結時間（初凝時間和終凝時間）都逐漸延長，而且脫硫石膏摻量越大，其凝結時間（初凝時間和終凝時間）都更長，當脫硫石膏摻量為3%時，其初凝時間和終凝時間分別155min和265min；當脫硫石膏摻量為9%時，其初凝時間和終凝時間分別增加到240min和335min。

脫硫石膏摻量對普通硅酸鹽水泥膨脹率的影響如圖3所示。

從圖3可看出：在水泥試體養護過程中，普通硅酸鹽水泥（OPC）的試體表現為體積收縮，特別是在水化初期（3d前）收縮率增加較快，而水化后期（7d后）收縮才穩定。而在普通硅酸鹽水泥中加入脫硫石膏替代天然石膏后，其試體的體積呈現為膨脹，在水化初期（14d內）膨脹率增加速度較快，而水化后期（14d后）膨脹趨于穩定；此外，脫硫石膏的摻量越高，其試體體積的膨脹率就越大。

圖3 脫硫石膏摻量對普通硅酸鹽水泥的膨脹率的影響

4 結束語

（1）脫硫石膏摻量對普通硅酸鹽水泥漿體影響曲線近似為牛頓流體，但脫硫石膏摻量對普通硅酸鹽水泥漿體的剪應力影響較為明顯。

（2）隨著脫硫石膏摻量的增加，普通硅酸鹽水泥漿體的黏度逐漸減小，其漿體的剪切應力和剪切應變之間的線性關系符合賓漢姆流變方程。

（3）在普通硅酸鹽水泥養護水化過程中，普通硅酸鹽水泥試體的體積呈現為收縮現象，而加入脫硫石膏的普通硅酸鹽水泥試體的體積則呈現為膨脹，并且隨脫硫石膏摻量的增加，其試體膨脹率也逐漸增大。