膨脹珍珠巖/脫硫石膏復合材料的制備與性能

楊慧君，李剛，趙紅艷，王愛芹，馬玉薇，湯驊，王玉雪

（石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003）

火力發電廠在發電過程中會產生SO2占主要成分的爐煙，其直接排入大氣，會對環境造成污染，在加裝脫硫裝置后會排出大量固體脫硫石膏，其產量在2012～2016 年間從5230 萬t 增加到7100 萬t，且仍在逐年增長，如果不加以妥善處理，脫硫石膏的堆積將會占用大量土地資源，其所含的重金屬、酸性氧化物等物質會污染環境，因此，脫硫石膏的資源化利用已經成為人們必須面對的一個重大社會問題[1]。

目前，我國對脫硫石膏的利用主要包括做水泥緩凝劑、制備建筑石膏、硫酸鈣晶須、防水塊、防火板以及改良土壤等，其中，脫硫石膏在建筑方面主要被制成石膏砌塊、石膏墻板、石膏粉和石膏基復合膠凝材料等[2-4]。膨脹珍珠巖是一種天然酸性玻璃質火山熔巖，具有輕質、保溫、隔熱、抗老化、耐腐、無毒無味等優良性能，資源豐富，價格低廉，廣泛用于建筑、輕工、鑄造、醫藥、食品、農林園藝等行業[5-6]。大多數學者都認識到了脫硫石膏及膨脹珍珠巖優良的發展前景，利用它們制備建筑材料，但研究重點多在于各種添加物對石膏材料的影響，對于具體的制備過程研究較少。而且隨著我國對大氣污染治理的高度重視，煙氣脫硫設施會越來越完善，脫硫石膏產量將持續增加，預計到2022 年，我國脫硫石膏生產量將達7350 萬t，利用率將遞增為84%，但與德國、日本等國100%的利用率相比仍存在一定的差距[7]。因此，為了進一步提高脫硫石膏的附加值和利用量[8]，同時考慮到膨脹珍珠巖眾多的優良性能，以脫硫石膏和膨脹珍珠巖為主料，并考慮到石膏的快速凝結性能，添加部分檸檬酸減緩石膏凝結速度，制備一種輕質復合材料，研究材料制備方式、試件振搗次數、膨脹珍珠巖摻量對膨脹珍珠巖/脫硫石膏復合材料性能的影響，確定制備該復合材料的較優方式。

1 實 驗

1.1 原材料

脫硫石膏為新疆石河子市天富熱電廠所產生的工業廢渣，其主要成分為二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O）；膨脹珍珠巖為寧波豫浙保溫建材有限公司生產，其顆粒大小為1～4 mm；檸檬酸為天津市盛奧化學試劑有限公司生產；實驗用水為實驗室自來水。

1.2 實驗儀器

實驗所用主要儀器包括箱式電阻爐、水泥膠砂攪拌機、水泥膠砂振實臺、電子計重秤、電熱鼓風干燥箱、電動抗折實驗機、萬能實驗機等。

1.3 實驗方法

1.3.1 原材料處理

將脫硫石膏放置在溫度為350℃的箱式電阻爐中煅燒3 h 脫去3/2 結晶水，然后于爐中自然降溫取出，放置于實驗室環境中自然降至室溫，過孔徑0.63 mm 的篩子，制得石膏粉。

1.3.2 試件制備

稱取實驗所需的原料，依次加入攪拌鍋中，攪拌均勻，然后倒入尺寸為40×40×160 mm 的水泥膠砂三聯模具中，放置于水泥膠砂振實臺上，振搗成型，在實驗室自然環境中放置1 d 后拆模。每組實驗做兩組試模，共6 個試件。

1.3.3 性能測試

制備好的試件在實驗室環境中自然養護7 d后，將一組中的3 個試件放置于溫度為（40±2）℃的電熱鼓風干燥箱中烘至恒重，取出稱重，計算其干表觀密度，測其絕干狀態下的抗折、抗壓強度。一組中的另外3 個試件沒入（20±2）℃的水中，吸水4 h 后取出，用濕毛巾擦干試件表面水份，測其吸水飽和狀態下的抗折、抗壓強度。試件性能的測試參照GB/T 17669.3—1999《建筑石膏力學性能的測定》。

2 結果與討論

2.1 材料制備方式對復合材料性能的影響

材料制備方式對復合材料性能的影響見圖1、2、3。其中，材料制備方式有4 種，方式1 是先在攪拌鍋中加入石膏粉，再加入檸檬酸低速攪拌60 s，然后加入膨脹珍珠巖低速攪拌60 s，最后加入水低速攪拌60 s，振搗40 次，成型；方式2 是先在攪拌鍋中加入膨脹珍珠巖，然后加入石膏粉，再加入檸檬酸低速攪拌60 s，最后加入水低速攪拌60 s，振搗40 次，成型；方式3 是先在攪拌鍋A 中加入石膏粉，再加入檸檬酸低速攪拌60 s，然后在攪拌鍋B 中加入水，再加入攪拌鍋A 中的混合物低速攪拌30 s，然后加入膨脹珍珠巖低速攪拌30 s，振搗40 次，成型；方式4 是先在攪拌鍋A 中加入石膏粉，再加入檸檬酸低速攪拌60 s，然后在攪拌鍋B 中加入水，再加入膨脹珍珠巖，然后加入攪拌鍋A 中的混合物低速攪拌60 s，振搗40 次，成型。

圖1 材料制備方式對復合材料性能的影響Fig.1 Effect of material preparation method on properties of composites

從圖1（a）可以看出，采用方式1 和方式4 時復合材料的絕干強度較采用方式2 和方式3 時大，其絕干抗折強度、絕干抗壓強度分別為4.79 MPa、11.32 MPa 和4.66 MPa、11.61 MPa；從圖1（b）可以看出，采用方式1 時復合材料的飽水強度較大，飽水抗折強度和飽水抗壓強度分別為1.76 MPa、4.71 MPa；從圖1（c）可以看出，采用方式1 和方式2 時復合材料的干表觀密度較小，分別為1.241 g/cm3、1.239 g/cm3，采用方式1 時復合材料的強度較大、干表觀密度較小。這主要是由于方式1 在石膏粉與檸檬酸充分攪拌均勻的基礎上摻入膨脹珍珠巖進行攪拌，且較其余方式攪拌次數多，使得各種原料分散更均勻，然后再加入水充分攪拌，使得石膏漿體在同等用水量的情況下流動性更好，制得的試件更優異。因此，綜合考慮，方式1 是較優的材料制備方式。

2.2 試件振搗次數對復合材料性能的影響

按照方式1 進行原材料攪拌，采用不同振搗次數制備試件。試件振搗次數對復合材料絕干強度、飽水強度的影響分別見圖2。

從圖2 可以看出，復合材料的強度隨著試件振搗次數的減少呈降低-增加-降低的趨勢，在振搗次數為5 次時，其絕干抗折強度、飽水抗折強度和飽水抗壓強度均達到較大值，分別為4.74 MPa、1.90 MPa 和5.27 MPa，比試件振搗次數40 次時分別提高了5.80%、9.83% 和12.85%。隨著試件振搗次數的減少，試件中的小氣泡增多，試件的密實度降低，強度隨之降低，但當試件振搗次數為5 次時，脫硫石膏漿體達到較優狀態，硬化后試件強度增加，振搗次數低于5 次，強度仍然會下降。主要是因為膨脹珍珠巖的密度小于脫硫石膏，試件振搗次數越多，復合材料漿體中的膨脹珍珠巖上浮越明顯，整個試件上部膨脹珍珠巖居多，整體不均勻，而當試件振搗次數為5 次時，復合材料的絕干抗折強度、飽水抗折強度和飽水抗壓強度均有較大值，膨脹珍珠巖均勻分散在脫硫石膏漿體中，振搗次數增加或減少，復合材料漿體均不處于較優狀態，試件強度都會降低[9]。當試件振搗次數為0 次時，試件的絕干抗折強度、絕干抗壓強度、飽水抗折強度和飽水抗壓強度分別為3.99 MPa、9.18 MPa、1.78 MPa 和4.70 MPa，同時也可滿足GB/T9776—2008《建筑石膏》、JC/T 698—2010《石膏砌塊》、GB/T28627—2012《抹灰石膏》的強度要求。

圖2 試件振搗次數對復合材料性能的影響Fig.2 Effect of vibration frequency of specimen on properties of composites

試件振搗次數對復合材料干表觀密度的影響見圖3。可以看出，試件振搗次數越少，復合材料干表觀密度越小。當試件振搗次數為0 次時，復合材料的干表觀密度達到最小值，為1.213 g/cm3。由于膨脹珍珠巖是一種輕質材料，在石膏漿體中存在上浮現象，隨著試件振搗次數的減少，其上浮現象減輕，可以更均勻地分散在漿體中；同時，試件振搗次數越少，漿體中存在的小氣泡越多，因此，復合材料干表觀密度越小。

圖3 試件振搗次數對復合材料干表觀密度的影響Fig.3 Effect of vibration frequency on dry apparent density of composites

試件分別振搗5、0 次的實驗結果表明在膨脹珍珠巖摻量均為0.5%的情況下，試件振搗0 次時表面膨脹珍珠巖的量明顯少于試件振搗5 次時的量。實驗過程中發現，振搗次數越多，石膏漿體流動性越好，雖然試件只振搗了5 次，但其漿體較振搗次數為0 次的漿體具有更大的流動性，膨脹珍珠巖上浮明顯。

綜合考慮，試件振搗次數為0 次時，制備的試件中膨脹珍珠巖分散更均勻，雖然強度未達到較大值，但滿足規范規定的強度要求，因此試件的較優振搗次數為0 次。

2.3 膨脹珍珠巖摻量對復合材料性能的影響

選用膨脹珍珠巖摻量為0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%，在采用方式1 進行原材料攪拌后試件直接成型的制備基礎上，研究其對復合材料性能的影響。膨脹珍珠巖摻量對復合材料絕干強度、飽水強度的影響見圖4。從圖中可以看出，隨著膨脹珍珠巖摻量的增加，復合材料的強度呈下降趨勢。其中，當膨脹珍珠巖摻量為1.5%時，其飽水抗折強度和飽水抗壓強度有所增加，分別為1.81 MPa、4.43 MPa；當膨脹珍珠巖摻量為2.0% 時，復合材料的絕干抗折強度也有所增加，為3.83 MPa。膨脹珍珠巖摻量增加，其周圍包裹的石膏漿體就會減少，且膨脹珍珠巖質輕，強度不高，在石膏漿體中主要起填充作用，因此，復合材料中膨脹珍珠巖越多，其強度越低。然而在膨脹珍珠巖摻量為1.5%、2.0%時，其周圍包裹的石膏漿體達到一個較優值，復合材料強度有所增加[9]。

圖4 膨脹珍珠巖摻量對復合材料性能的影響Fig.4 Effect of the content of expanded perlite on the absolute dry strength of the composite

膨脹珍珠巖摻量對復合材料干表觀密度的影響見圖5。可以看出，隨著膨脹珍珠巖摻量的增加，復合材料的干表觀密度呈下降趨勢。這主要是由于膨脹珍珠巖密度較石膏小，摻量增加，其周圍包裹的石膏漿體會隨之減少，膨脹珍珠巖越多，石膏漿體越少。

圖5 膨脹珍珠巖摻量對復合材料干表觀密度的影響Fig.5 Effect of expanded perlite content on dry apparent density of composites

綜上所述，考慮石膏復合材料的強度和干表觀密度，取膨脹珍珠巖的較優摻量為2.0%。

3 結 論

石膏復合材料的制備方式、試件的振搗次數、膨脹珍珠巖的摻量均會對膨脹珍珠巖/脫硫石膏復合材料的性能產生一定的影響。制備膨脹珍珠巖/脫硫石膏復合材料的較優方式為先在攪拌鍋中加入石膏粉，再加入檸檬酸攪拌，然后加入2.0%膨脹珍珠巖攪拌均勻，最后加入水低速攪拌60 s，直接成型。制得的復合材料的絕干抗折強度為3.83 MPa，絕干抗壓強度為8.92 MPa，飽水抗折強度為1.66 MPa，飽水抗壓強度為4.26 MPa，滿足所需的強度要求。其干表觀密度為1.166 g/cm3，較未摻入膨脹珍珠巖時降低6.27%，可使復合材料輕質化。